Motor functions and connectivity of the superior colliculus.
Human Cognitive and Systems Neuroscience
Final Report Abstract
Die Colliculi superiores (CS) sind in zahlreichen Tiermodellen umfangreich und detailliert anatomisch und funktionell untersucht worden. Im Vordergrund standen vor allem die Beiträge zur visuellen Verarbeitung und zur Aufmerksamkeitslenkung. In diesen Untersuchungen zeigte sich, dass die CS im Tiermodell sehr schnell auf visuelle Reize reagieren und rasche Reaktionen des Organismus anstoßen können. Bei den durch die CS initiierten Reaktionen standen vor allem Orientierungsbewegungen hin zu den jeweiligen visuellen Reizen im Vordergrund. Mit Blick auf den Menschen wurden daher im nicht-menschlichen Primaten nahezu ausschließlich Augen- und Kopfbewegungen experimentell untersucht. Insgesamt waren diese Arbeiten vor allem in nicht-menschlichen Primaten äußerst erfolgreich und wir verfügen über präzise funktionelle Karten der CS. Weitgehend ignoriert wurde jedoch, dass typische Orientierungsreaktionen nicht nur Augen- und Kopfbewegungen beinhalten, sondern häufig mit Bewegungen des Rumpfes und der Gliedmaßen einhergehen. Dies ist zwar in Untersuchungen der CS in niederen Spezies gut beschrieben, wurde in Untersuchungen in Primaten jedoch nicht berücksichtigt. Wir bauten auf vereinzelten Studien zur Einbindung der CS in Armbewegungen bei Primaten auf und suchten mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie nach Hinweisen auf einen funktionellen Beitrag der CS zur Ausführung von Arm- und Fingerbewegungen im Menschen. Wir konnten entsprechende Signalanstiege in einer tiefen, lateralen Region der CS im Menschen zunächst für Bewegungen auf visuelle Ziele nachweisen. Während sich die Arbeiten in nicht-menschlichen Primaten auf Armbewegungen auf visuelle konzentrierten, konnten wir zeigen, dass auch bei Bewegungen auf taktile Ziele am eigenen Körper dieselbe Region der CS aktiv wird. Der Nachweis anatomischer Verbindungen zwischen den CS und handmotorischen Regionen des Cortex im nicht-menschlichen Primaten ließen uns vermuten, dass auch Hand- und Fingerbewegungen zu Signalen in den CS des Menschen führen sollten. Dies war jedoch nicht der Fall. In unseren Untersuchungen der funktionellen Verbindungen zwischen CS und kortikalen Regionen im Menschen fanden wir ebenfalls keine Nachweise für Verbindungen zwischen CS und handmotorischen Regionen. In guter Übereinstimmung zu unseren Beobachtungen bei der Ausführung von Armbewegungen fanden wir jedoch starke Hinweise auf funktionelle Verknüpfungen zwischen den CS und prämotorischen und superioren parietalen Regionen. Diese fanden sich verstärkt für tiefere Anteile der CS, in guter Übereinstimmung mit den funktionell-anatomischen Beobachtungen in den Studien zu Armbewegungen in Menschen und nicht-menschlichen Primaten. Insbesondere unsere erschöpfende Kartierung der funktionellen Verbindungen der CS zu kortikalen Regionen im Menschen weisen auf eine Einbettung der CS in komplexe Verhaltens- und Reaktionsmuster im Menschen hin. Diese Beiträge sind bisher aufgrund der Fokussierung auf Augen- und Kopfbewegungen, Aufmerksamkeit und visuelle Verarbeitung in Arbeiten an Tiermodellen weitgehend ignoriert worden und unverstanden. Es ist daher bis heute unbekannt, welche Rolle die CS selbst wie auch ihre Verknüpfungen mit subkortikalen und kortikalen Strukturen für das Auftreten spezifischer Symptome bei degenerativen Erkrankungen spielen. Vermutet wird ein wesentlicher Beitrag zum Auftreten und dem klinischen Muster fokaler Dystonien, sowie zum veränderten Reaktionsmuster bei Patienten mit Parkinsonerkrankungen. Für unser Verständnis spezifischer Symptome dieser Erkrankungen wie auch für deren Berücksichtigung in der Entwicklung von Therapiestrategien wie der tiefen Hirnstimulation kann eine Kenntnis der Anatomie und Funktionen der CS im Menschen und vor allem auch deren Abweichungen von den bekannten Daten aus nichtmenschlichen Tiermodellen eine wesentliche Rolle spielen.
Publications
- (2019). Human brain - superior colliculus depth dependent functional connectivity. Annual Meeting of the OHBM, Th728
Amin Dadashi, Marc Himmelbach
- (2019). Out of sight, not out of reach: Activity in the superior colliculus associated with reaching for tactile targets. Annual Meeting of the SfN, 400.08
Nikhil G. Prabhu, Marc Himmelbach
- (2019). Resting-state functional connectivity of the human superior colliculus. Clinical Neurophysiology, 130 (8), e158
Amin Dadashi, Marc Himmelbach
(See online at https://doi.org/10.1016/j.clinph.2019.04.679)
