Adaptive control of eye movement accuracy by the cerebellum: the site of plasticity and functional mechanisms

Abstract

The seeming ease with which our central nervous system adapts to continual physiological changes or learns new motor skills is quite impressive. Due to the wealth of knowledge about its neuronal underpinnings the preferred model for investigating such adaptive processes has been the oculomotor system. Surgical lesions in animals and studies of patients with cerebellar pathologies reveal that the absence of a normal functioning cerebellum impairs the ability to adapt motor behavior to any novel changes in the physical dynamics of the muscular periphery or in the external environment. The work presented in this thesis uses the oculomotor system as a model of biological motor control to investigate important aspects of cerebellum-dependent motor adaptation. It provides novel evidence that the cerebellum does not only act to compensate for external or physical changes but also for central disturbances within the brain itself that compromise accurate motor performance. It identifies at which stage of neural processing within the microcircuitry of the cerebellum the behaviorally relevant plasticity first occurs and what extra-cerebellar structures it influences to induce the learned motor response.

Die scheinbare Leichtigkeit, mit der sich unser zentrales Nervensystem and sich kontinuierlich verändernde physiologischen Bedingungen anpasst, und mit der neue motorische Fertigkeiten erlernt werden, ist beeindruckend. Das okulomotorische System war aufgrund der Wissensfülle über seine neuronalen Grundlagen seit jeher das bevorzugte Modell für die Untersuchung solcher adaptiver Prozesse. Chirurgische Läsionen bei Tieren und Studien an Patienten mit zerebellären Erkrankungen zeigen, dass das Fehlen eines intakten Kleinhirns die Fähigkeit das motorische Verhalten an sich verändernde Umgebungsbedingen, stark beeinträchtigt. Die vorliegende Arbeit bedient sich des okulomotorischen Systems als ein Modell für biologische motorische Steuerung um wichtige Aspekte der Kleinhirn-abhängige Adaptation desselben zu untersuchen. Die Arbeit liefert neue Beweise dafür, dass das Kleinhirn nicht nur auf äussere Einflüsse hin reagiert, sondern sein Verhalten auch aufgrund zentraler Hirnprozesse anpasst um eine akkurate motorische Leistung aufrecht zu erhalten. Die Arbeit untersucht weiterhin, zu welchem Zeitpunkt innerhalb der neuronalen Verarbeitung des Kleinhirns die verhaltensrelevante Plastizität zuerst eintritt und welche extra-zerebellären Strukturen dadurch beeinflusst werden um eine bereits erlernte motorische Antwort herbeizuführen.