Der Sehvorgang beginnt schon vor der eigentlichen Wahrnehmung

Bereits das Öffnen der Augen verändert die Verteilung der beiden wichtigsten Botenstoffe im visuellen Kortex, unabhängig davon, ob die Person wirklich etwas sieht. Das berichten Wissenschaftler um Valentin Riedl, Forschungsgruppenleiter in der Abteilung für Neuroradiologie am Universitätsklinikum rechts der Isar der Technischen Universität München (TUM) im Journal of Neuroscience (2018; doi: 10.1523/JNEUROSCI.1214-18.2018).

Die Wissenschaftler konzentrierten sich bei ihrer Arbeit auf die Botenstoffe Glutamat und GABA. Ihre Versuchsanordnung bestand aus 3 Phasen. Die Testpersonen lagen zuerst mit geschlossenen Augen 5 Minuten im Dunkeln. Anschließend öffneten sie die Augen und blickten in die Dunkelheit. Zuletzt bekamen sie ein flimmerndes Schach­brettmuster gezeigt, das in sehr kurzen Abständen an- und ausging. Über das gesamte Experiment hinweg bestimmten die Forscher mittels einer Magnetresonanz­spektroskopie die Menge beider Botenstoffe gleichzeitig im visuellen Kortex.

Im Ruhezustand mit geschlossenen Augen war die GABA-Konzentration hoch. Aber bereits beim Öffnen der Augen sank dieser hemmende Botenstoff ab, obwohl die Versuchspersonen im Dunkeln noch nichts sehen konnten. „Das Gehirn bereitet sich schon mit dem Öffnen der Augen auf kommende Reiz vor“, so Riedl. Erst beim Wahrnehmen eines echten visuellen Reizes, des flimmernden Schachbretts, erhöhte sich die Konzentration des aktivierenden Botenstoffes Glutamat. 

Die Forscher verglichen ihre Daten auch mit Messungen aus dem funktionellen MRT (fMRT), einem gängigen Verfahren zur Darstellung der menschlichen Hirnaktivität. Hierbei wird der Sauerstoffverbrauch in bestimmten Hirnregionen ermittelt. Ein hoher Verbrauch dient als indirektes Signal für Nervenzellaktivitäten in diesem Bereich. Sie sahen, dass zu den Zeitpunkten, in denen sich die Menge der Botenstoffe im visuellen Kortex veränderte, auch Hirnaktivitäten im fMRT sichtbar waren. „Die Ergebnisse beider Methoden passten zusammen. Durch die Kombination können wir nicht nur sagen, dass es in einer Region eine erhöhte Aktivität gibt, sondern können sie erstmals auch konkret den beiden Neurotransmittern zuordnen“, so Riedl.

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Laut den Wissenschaftlern sind die Ergebnisse nicht nur im Rahmen der Grundlagen­forschung wichtig, sondern haben auch unmittelbare klinische Relevanz: Bei psychischen Krankheiten wie der Schizophrenie werde zum Beispiel vermutet, dass unter anderem die Verteilungen der beiden Botenstoffe dauerhaft gestört sind. „Bisher fehlen aber noch Beweise. Eine Untersuchung mit Spektroskopie und fMRT ließe eine sehr viel genauere und breitere Aussage über die Konzentration der Botenstoffe in Gehirnen von Patienten zu“, so Riedl. 

Großhirnrinde früher als gedacht an Speicherung von Informationen beteiligt

Die Großhirnrinde wird offenbar schon früher als bislang gedacht bei Lernvorgängen einbezogen. Das berichtet ein Forschungsteam der Universität Tübingen und des Tübinger Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik um Svenja Brodt, Steffen Gais und Monika Schönauer in der Fachzeitschrift Science (2018; doi: 10.1126/science.aau2528).

Traditionelle Modelle gehen davon aus, dass es im Gehirn 2 Gedächtnissysteme gibt: zum einen den Hippocampus, der große Informationsmengen schnell aufnimmt, und zum anderen die Großhirnrinde, in der sich Gedächtnisspuren nur langsam aber stabil entwickeln. Die Wissenschaftler konnten mit hochauflösenden bildgebenden Verfahren jetzt nachweisen, dass die Großhirnrinde schon früh bei Lernvorgängen hinzugezogen wird. Damit muss das Modell revidiert werden, nach dem dieser Bereich des Gehirns nur langsam lernt.

Die Wissenschaftler stellten ihren Probanden eine Lernaufgabe, in der diese sich in mehreren Runden Objektpaare und deren räumliche Anordnung auf einem Bildschirm einprägen mussten, ähnlich wie bei dem Gesellschaftsspiel „Memory“. Während sie diese Aufgabe ausführten, wurde ihre Gehirnaktivität in einem Magnetreso­nanz­tomografen (MRT) aufgezeichnet.

Zusätzlich führten die Wissenschaftler eine spezielle Messung durch, die die Feinstruktur des Gewebes abbildet. Sie setzten dabei ein sogenanntes Diffusions-MRT ein, bei dem die Stärke der Bewegung von Wassermolekülen im Gehirn quantitativ dargestellt wird. Da die Wasserbewegungen durch Zellmembranen eingeschränkt werden, erhielten die Wissenschaftler aus dem Bewegungsbild nach eigenen Angaben im Rückschluss detaillierte Informationen über die Gewebestruktur.

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Die Messungen wurden zu 3 Zeitpunkten durchgeführt: unmittelbar vor der Lern­aufgabe, 90 Minuten und 12 Stunden danach. „Durch den Vergleich der Diffusions­aufnahmen vor und nach dem Lernen mit einer Kontrollbedingung können wir Rückschlüsse auf kleinste Veränderungen in der Gewebestruktur ziehen, die durch den Lernvorgang verursacht wurden“, erklärte Svenja Brodt, die Erstautorin der Studie. Dadurch ließen sich Gedächtnisspuren auch später noch im inaktiven Zustand beobachten, nachdem die Lernaufgabe abgeschlossen ist.

Mithilfe der Diffusionsbildgebung konnten die Forscher auf diese Weise bereits 90 Minuten nach dem Lernprozess strukturelle Veränderungen in der Großhirnrinde messen und zwar in jenen Regionen, die während der Lernaufgabe starke gedächtnis­bezogene Aktivität gezeigt hatten. Die größten Veränderungen zeigte der hintere Teil des Scheitellappens, der posteriore Parietalkortex. Je stärker diese Veränderungen waren, desto besser konnten sich die Probanden die Objektpaare langfristig merken.

„Diese Strukturveränderungen sind kein kurzfristiges Nebenprodukt einer erhöhten Zellaktivität während des Lernens, da sie über mindestens 12 Stunden stabil bleiben“, so die Studienleiterin Monika Schönauer. Die neuen Erkenntnisse böten eine Erklärung dafür, dass es selbst Patienten mit Schädigungen im Hippocampus teilweise möglich sei, neue Informationen zu lernen und zu behalten, erläuterte der Leiter der Arbeitsgruppe, Steffen Gais. 

Restless-Legs-Syn­drom besser verstehen

Bisher wurde angenommen, dass das Restless-Legs-Syndrom (RLS) durch genetische und metabolische Faktoren sowie durch das zentrale Nervensystem verursacht wird. Zum ersten Mal zeigen Forscher der Universität Göttingen jetzt, dass auch eine erhöhte Erregbarkeit der peripheren Motoneurone beim RLS eine Rolle spielt (Journal of Physiology 2018). Dadurch ergeben sich neue Ansatzpunkte für die Therapie.

Die Forscher um Dirk Czesnik haben 34 Patienten mit idiopathischen RLS untersucht, die keine Medikamente erhielten, und diese mit etwa 38 gesunden Kontrollprobanden verglichen. Dabei wurde eine unterschiedliche Erregbarkeit in motorischen und sensorischen Axonen des Nervus medianus gemessen. Die Forscher machen zyklonukleotid-regulierte Kationenkanäle (HCN) dafür verantwortlich, die sich bei den Motoneuronen der RLS-Patienten bereits bei weniger stark hyperpolarisierten Membranpotentialen öffnen und das Signal weiterleiten.

Dass auch Axone von Motoneuronen in der Peripherie bei RLS beteiligt sind, konnte bislang nur durch Reflexstudien vermutet werden, sagt der Neurologe Czesnik. Jetzt müssten sämtliche Studien zur zentralen Erregbarkeit bei RLS neu überdacht werden. „Denn die periphere Erregbarkeit beeinflusst auch die Messungen der zentralen Erregbarkeit“, erklärt Czesnik.

Als nächstes wollen die Neurophysiologen die Wirkung verschiedener Medikamente prüfen, die die HCN-Ionenkanäle blockieren und so die Nervenerregbarkeit reduzieren. Auch soll untersucht werden, inwieweit sich die etablierten Therapien und Medikamente auf die periphere Erregbarkeit auswirken.

RLS ist eine häufige Erkrankung des Nervensystems, die einen hohen Drang nach Bewegung der Beine verursacht. Patienten klagen über unangenehme Symptome wie Kribbeln, Brennen und schmerzhafte Krämpfe in den Beinen. Mehr als 80 % der Menschen mit RLS zucken nachts unkontrolliert mit den Beinen.

 

Stress verändert Regulation des Blutflusses im Gehirn

Akuter Stress kann die Regulation des Blutflusses im Gehirn beeinflussen. Das berichten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Psychiatrie in den Proceedings of the National Accadamy of Sciences (PNAS 2018; doi: 10.1073/pnas.1804340115). „Dies könnte einen bisher nicht beschriebenen Mechanismus darstellen, der zu individuellen Unterschieden in der Stressantwort beiträgt. Möglicherweise lässt sich damit das individuelle Risiko für stressbedingte psychiatrische Erkrankungen besser bestimmen“, so die Forscher.

59 Studienteilnehmer absolvierten für die Studie einen standardisierten Test, der psychosozialen Stress hervorruft. Die Forscher um Immanuel Elbau und Philipp Sämann untersuchten dabei mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) Veränderungen in der Blutflussregulation der Gehirne ihrer Probanden. Es zeigte sich, dass die Stressbelastung die sogenannte hämodynamische Antwort in verschiedenen Hirnregionen veränderte, unter anderem im Hippocampus und präfrontalen Kortex. Diese Veränderungen erfolgten innerhalb weniger Minuten.

Weitere Analysen ließen erkennen, dass Unterschiede bei der Expression von KCNJ2, einem menschlichen Analog eines Gens, das die neurovaskuläre Kopplung unter Stress bei Ratten reguliert, mit Veränderungen der hämodynamische Antwort zusammen­hängen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass akuter Stress zu einer schnellen, grundsätzlichen Funktionsanpassung des Gehirns führt. Möglicherweise beeinflussen individuelle Unterschiede auf dieser Ebene auch das Risiko, unter chronischem Stress Fehlanpassungen und letztlich psychische Symptome zu entwickeln“, fasst Sämann zusammen.

Unterdrückte Erinnerungen könnten bei postraumatischen Belastungsstörungen von Nachteil sein

Hinweise darauf, welche Prozesse im Gehirn ablaufen, wenn Menschen mit posttraumatischer Belastungsstörung (PTBS) versuchen, Erinnerungen willentlich zu unterdrücken, hat ein internationales Forscherteam um Gerd Waldhauser von der Ruhr-Universität Bochum analysiert. Die Arbeit ist in Scientific Reports erschienen (2018; doi: 10.1038/s41598-018-31400-x).

An dem Versuch nahmen 24 geflüchtete Männer und Frauen teil. Elf von ihnen hatten infolge ihrer traumatischen Erlebnisse eine PTBS entwickelt, das heißt, sie erlebten die auslösende emotionale Situation gedanklich immer wieder. Die übrigen Probanden hatten zwar vergleichbar viele schwerwiegende traumatische Ereignisse erlebt, aber keine PTBS entwickelt.

Bei einem Gedächtnistest zeichneten die Wissenschaftler mittels Magnetenz­epha­lografie (MEG) die Hirnaktivität der Geflüchteten auf und verglichen die Ergebnisse bei Teilnehmern mit und ohne PTBS. Bei diesem Test sollten die Probanden Assoziationen zwischen Bildern von emotional neutralen Alltagsgegenständen lernen. Aufgabe war es anschließend, einige der Assoziationen aktiv zu vergessen, andere zu behalten.

Mit der MEG erfassten die Forscher die sensorischen Gedächtnisspuren, die dabei entweder unterdrückt oder verstärkt wurden. Sie analysierten dazu die Signalstärke von sehr hohen  Gammafrequenzen in Hirnregionen, die mit dem Gedächtnisabruf und der sensorischen Verarbeitung zusammenhängen.

Die Daten zeigen, dass das willentliche Unterdrücken von Erinnerungen bei Probanden mit PTBS eher einen gegenteiligen Effekt hat.Simon Hanslmayr, University of Birmingham

Probanden ohne PTBS konnten Assoziationen erfolgreich unterdrücken. Bei ihnen waren die sensorischen Gedächtnisspuren für die willentlich vergessenen Assoziationen geringer ausgeprägt als für erinnerte Assoziationen. Anders sah es bei Probanden mit PTBS aus. Je ausgeprägter die Krankheitssymptome waren, desto schwieriger war es für die Teilnehmer, Assoziationen zu unterdrücken.

Forscher stellen therapeutische Strategie infrage

„Die Daten zeigen, dass das willentliche Unterdrücken von Erinnerungen bei Probanden mit PTBS eher einen gegenteiligen Effekt hat“, erläuterte Simon Hanslmayr von der University of Birmingham. Die sensorischen Gedächtnisspuren von unterdrückten Erinnerungen blieben erhalten und wurden tendenziell sogar verstärkt. „Diese Ergebnisse liefern einen Hinweis auf die neuronalen Grundlagen von wiederkehrenden traumatischen Erinnerungen und auf die fehlende Gedächtnis­kontrolle bei PTBS-Patienten“, so Waldhauser.

Die Forscher weisen jedoch darauf hin, dass sie nur eine kleine Stichprobe für ihre Studie untersuchen konnten. „Diese experimentell und diagnostisch aufwendige Studie ließ sich nur mit wenigen so stark belasteten Probanden durchführen. Wir konnten allerdings dafür sorgen, dass andere Faktoren, die das Ergebnis hätten beeinflussen können – wie die Stärke von depressiven Symptomen oder die Anzahl an schweren traumatischen Erlebnissen –, in den beiden Gruppen vergleichbar waren“, erläuterte der Bochumer Neuropsychologe.

Von den Ergebnissen erhoffen sich die Forscher Hinweise auf neue Strategien zur Therapie der PTBS. So sollte das Unterdrücken von unerwünschten Erinnerungen nicht leichtfertig als therapeutische Strategie empfohlen werden, da es offenbar genau den gegenteiligen Effekt haben könne: Die Erinnerung verstärke sich oder bleibe zumindest erhalten. „Diese Phänomene müssen weiter erforscht werden, um in präventiven oder therapeutischen Strategien münden zu können“, so die Wissenschaftler.

Computerspiele können bei Kleinhirnpatienten Koordination verbessern

Auf die Möglichkeiten von Health Games hat das Hertie-Institut für klinische Hirnforschung (HIH) in Tübingen hingewiesen. „Unsere Studien haben ergeben, dass Patienten, die durch Schäden am Kleinhirn unter Bewegungsstörungen leiden, durch das Training mit speziellen Videospielen ihre Beweglichkeit verbessern können“, erläuterte Matthis Synofzik aus dem HIH anlässlich der Computerspielemesse Gamescom in Köln.

Die Arbeitsgruppe um Synofzik und den Bewegungswissenschaftler Winfried Ilg entwickelt an dem Institut spezielle Videospiele für Menschen mit einer degenerativen Ataxie, die durch genetisch bedingte Schäden am Kleinhirn entsteht. Die Betroffenen leiden vor allem unter Bewegungsstörungen wie ungelenken Armbewegungen, Gangunsicherheit und häufigen Stürzen.

Regelmäßige Krankengymnastik kann eine Verschlechterung hinauszögern. Doch vor allem Kinder und junge Erwachsene sind laut Synofzik oft nicht ausreichend für eine Physiotherapie zu begeistern und trainierten nicht so häufig, wie sie sollten. Zudem reiche die von der Krankenkasse verschriebene Physiotherapie für diese Patienten nicht aus und werde auch Zuhause oft nicht fortgeführt. „Um das Motivationsproblem zu lösen kamen wir auf die Idee, Videospiele zu verwenden, die mit ganzem Körpereinsatz gesteuert werden und die man zum Training verwenden kann, sogenannte Exergames“, erläuterte Synofzik.

„Wir haben mit einem Tischtennisspiel begonnen, dort waren die Anforderungen auf einfachster Stufe so gering, dass auch Patienten mit Koordinationsstörungen Erfolgserlebnisse hatten“, berichtet Ilg, Leiter des Klinischen Bewegungslabors der Abteilung Kognitive Neurologie am HIH. Weitere Spiele, in denen die Kinder und jungen Erwachsenen in anspruchsvoller Körperhaltung virtuelle Wassertanks abdecken oder mit dynamischem Ausfallschritt auf Leuchtflächen reagieren müssen, kamen hinzu.

Selbst bei schwer betroffenen Patienten konnten die Wissenschaftler die Symptomatik verbessern. „Eine Ataxie wird bei einem Erkrankten auf einer Skala von 0 bis 40 im Mittel um 1,2 Punkte pro Jahr schlechter. Durch vier bis sechs Wochen Training haben unsere Patienten zwei Punkte gewonnen. Das heißt salopp gesagt: Sie haben ungefähr eineinhalb Jahre Krankheit wettgemacht“, berichtet Synofzik.

Die Arbeitsgruppe weist darauf hin, dass das Kleinhirn aufgrund vieler Erkrankungen geschädigt sein könne, zum Beispiel durch einen Tumor, Schlaganfall, Multiple Sklerose oder durch altersbedingten Abbau. „Da wird der Markt auf einmal riesig. Vielleicht erreichen diese Videospiele irgendwann sogar die Marktreife als zugelassenes Medizinprodukt. Das wäre dann Gaming auf Rezept“, so Synofzik.

Entspannung nach dem Lernen unterstützt die Gedächtnisfunktion

Die Bedeutung des Schlafes bei der Gedächtniskonsolidierung ist seit fast einem Jahrzehnt bekannt. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass auch eine Wachruhe die Konsolidierung unterstützen kann: Die Menschen erinnern sich an Gelerntes besser, wenn sie sich nach der Lernphase ausruhen. Das berichten Forscher um Michael Craig und Michaela Dewar von der Heriot-Watt University in Edinburgh, Großbritannien, in der Zeitschrift Scientific Reports (2018; doi: 10.1038/s41598-018-25313-y).

Craig und Dewar entwarfen einen Gedächtnistest, um die Fähigkeit zu beurteilen, detaillierte Informationen zu speichern. Sie baten 60 junge männliche und weibliche Teilnehmer – im Durchschnitt 21 Jahre alt –, sich eine Reihe von Fotos anzusehen.

Sie wurden gebeten, zwischen schon vorgekommenen – also „bekannten“ – und nur „ähnlichen“ Fotos zu unterscheiden. „Wenn die Fähigkeit der Teilnehmer ausgeprägt ist, sich feine Nuancen zu merken, würden sie sagen, die Fotos seien nur ‚ähnlich‘. Speichern die Versuchsteilnehmer nicht so detaillierte Erinnerungen, sollten sie die feinen Unterschiede in ähnlichen Fotos übersehen und sie mit ‚bekannten’ Fotos verwechseln“, so Craig.

Er fasst die Ergebnisse zusammen und sagt: „Jüngere Erwachsene, die sich in den Minuten nach der Fotopräsentation ausruhten, waren besser in der Lage, subtile Unterschiede in nur ähnlichen Fotos zu bemerken“. Dies deute darauf hin, dass diese Personen detailliertere Erinnerungen gespeichert hätten, als diejenigen, die nicht ruhten. Ausruhen sei also vorteilhaft, um sich neue detaillierte Gedächtnisinhalte besser merken zu können.

Er räumt aber ein, dass die Gründe für dieses Phänomen weiterhin rätselhaft seien. Unbekannt bleibe auch, ob das Ausruhen nur erlaube, mehr Informationen zu speichern, oder ob es auch dabei helfe, detailliertere Erinnerungen zu bewahren.

Wie chronische Psychosen entstehen

Was auf molekularer Ebene im Gehirn passiert, wenn eine Psychose chronisch wird, haben Neurowissenschaftlerinnen der Ruhr-Universität Bochum untersucht. Sie zeigten, dass der Botenstoff Glutamat am Entstehen der Krankheit beteiligt ist; bisher richten sich Medikamente hauptsächlich gegen den Botenstoff Dopamin. Prof. Dr. Denise Manahan-Vaughan und Doktorandin Valentina Dubovyk vom Lehrstuhl Neurophysiologie beschreiben die Ergebnisse der Tiermodell-Studie in der Zeitschrift „ACS Chemical Neuroscience“ vom 10. April 2018.

Nicht alle Symptome gleich gut behandelbar

Bleibt eine Psychose nach dem ersten Schub unbehandelt, kann sie chronisch werden. Je früher eine Therapie begonnen wird, desto aussichtsreicher ist sie. Warum genau das so ist, ist bislang unbekannt. Nicht alle Symptome sind derzeit gleich gut therapierbar. Die gängigen Medikamente sprechen das Dopamin-System an und unterdrücken einige Symptome wie Halluzinationen. Andere Symptome wie Konzentrationsstörungen bleiben aber bestehen.

Aus diesem Grund wird seit einigen Jahren erforscht, ob auch der Botenstoff Glutamat am Entstehen von Psychosen beteiligt ist. Die Bochumer Wissenschaftlerinnen untersuchten, inwieweit frühe Veränderungen von Glutamat-Rezeptoren daran beteiligt sind, dass eine Psychose entsteht und chronisch wird.

Die molekularen Mechanismen der Psychose verstehen

Wichtig für den Glutamat-Kreislauf im Gehirn ist der Rezeptor N-Methyl-D-Aspartat (NMDA), der aus mehreren Untereinheiten aufgebaut ist. Sie kommen vor allem in den Nervenzellen des Hippocampus und des Großhirns vor und sind dort am Bilden von Gedächtnisinhalten und der synaptischen Plastizität beteiligt. Je mehr NMDA-Rezeptoren eine Synapse hat, desto empfindlicher ist sie.

Die Wissenschaftlerinnen zeigten, dass sich die Glutamat-Empfindlichkeit des Gehirns im Laufe einer Psychose verändert. Im Gehirn von Ratten blockierten sie die NDMA-Rezeptoren mit dem Stoff MK801. Das löst Symptome aus, die denen einer Psychose bei Menschen gleichen. Die Forscherinnen analysierten kurz nach Gabe des Wirkstoffs, wie viele Untereinheiten des NMDA-Rezeptors in verschiedenen Abschnitten des Hippocampus vorhanden waren und verglichen Anzahl und Verteilung mit der bei gesunden Ratten. Außerdem wiederholten sie die Analyse bei Ratten, die seit drei Monaten Symptome einer Psychose zeigten.

Zeitlich gestaffelte Veränderungen

Zu Beginn der Psychose-Symptome stieg die Menge der GluN2B-Untereinheit des NMDA-Rezeptors in einem bestimmten Teil des Hippocampus an. Gleichzeitig war die Konzentration der GluN2A-Untereinheit teilweise stark zurückgegangen. Dies könnte einige Symptome der Psychose, wie Probleme im Kurzzeitgedächtnis oder bei der räumlichen Orientierung, erklären, folgern die Autorinnen.

„Unsere Beobachtungen zeigen, wie in unserem physiologischen Modell der Psychose-Entstehung zeitlich gestaffelte Veränderungen im Hippocampus auftreten, die den pathologischen Veränderungen im Gehirn von Psychose-Patienten entsprechen. Diese werden durch eine Veränderung des Aufbaus und daher der Funktion des NMDA-Rezeptors herbeigeführt. Eine frühe Veränderung des NMDA-Rezeptors könnte daher Bestandteil der Entstehung einer Psychose sein“, so Manahan-Vaughan.

Förderung

Die Studie wurde im Rahmen der Doktorarbeit von Valentina Dubovyk an der Bochumer International Graduate School of Neuroscience und im Rahmen des neurowissenschaftlichen Sonderforschungsbereichs 874 durchgeführt, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. Der interdisziplinär arbeitende Forscherverbund untersucht an der Ruhr-Universität Bochum in mehreren Teilprojekten, wie Sinneseindrücke im Gehirn verarbeitet werden.

Originalveröffentlichung

Valentyna Dubovyk, Denise Manahan-Vaughan: Time-dependent alterations in the expression of NMDA receptor subunits along the dorsoventral hippocampal axis in an animal model of nascent psychosis, ACS Chemical Neuroscience, 2018, DOI: 10.1021/acschemneuro.8b00017

Pressekontakt

Prof. Dr. Denise Manahan-Vaughan
Abteilung für Neurophysiologie
Medizinische Fakultät
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 22042
E-Mail: denise.manahan-vaughan@rub.de

Text: Judith Merkelt-Jedamzik

Das Gehirn verarbeitet schwache visuelle Reize in der Dämmerung besser als mittags

Das menschliche Gehirn reagiert auf die morgendliche und abendliche Dämmerung, indem es zu diesen Zeitpunkten die Ruheaktivität in der Sehrinde herunterfährt, damit schwache Sehreize nicht im Rauschen untergehen. Das berichten Neurowissenschaftler der Goethe-Universität in der Zeitschrift Nature Communications (2018; doi: 10.1038/s41467-018-03660-8).

Das visuelle System hat sich im Laufe der Evolution optimal an die Beleuchtungsbedingungen am Tag angepasst. Doch auch für die Dämmerung hat es eine Strategie entwickelt: Offenbar erlaubt es die innere Uhr, diese Zeiten vorherzusehen und das visuelle System auf Zeiten schlechter Signalqualität vorzubereiten.

„Während das Uhrwerk der inneren Uhr bereits gut untersucht ist, war bisher nicht bekannt, mithilfe welchen Mechanismus die visuelle Wahrnehmung zu Zeiten erwartbar schlechter Signalqualität optimiert wird“, erklärte Christian Kell vom Brain Imaging Center der Goethe Universität.

Sein Doktorand Lorenzo Cordani untersuchte deshalb mittels einer funktionellen Kernspintomographie-Studie an 14 gesunden Probanden, wie diese zu sechs verschiedenen Tageszeiten auf visuelle Reize reagierten.

Das internationale Team um Cordani, Joerg Stehle und Kell konnte zeigen, dass der Körper die Ruheaktivität in den sensorischen Arealen während der Morgen- und Abenddämmerung selbständig herunterreguliert. Je mehr die Ruheaktivität reduziert war, desto besser konnten die Probanden in einer nachfolgenden Messung schwache visuelle Signale wahrnehmen. Das bedeutet, dass Menschen schwache visuelle Reize zu Zeiten der Morgen- und Abenddämmerung besser als zu anderen Tageszeiten wahrnehmen können.

„Wer in vorindustrieller Zeit in der Dämmerung noch etwas erkennen konnte, hatte einen Überlebensvorteil, denn in der Dämmerung lauerte die Gefahr durch nachtaktive Raubtiere“, berichtet die Arbeitsgruppe. Da die Ruheaktivität zu Zeiten der Dämmerung nicht nur in visuellen, sondern auch in auditorischen und somatosensorischen Hirnregionen abnimmt, vermuten die Forscher, dass die Wahrnehmung nicht nur im visuellen System geschärft wird.

Gehirne erzeugen bis ins hohe Alter neue Gedächtniszellen

Senioren, die bis ins hohe Alter geistig fit bleiben, verdanken dies der Fähigkeit ihres Gehirns, genauer des Hippocampus, weiterhin neue Zellen aus erhalten gebliebenen Stammzellen zu rekrutieren. Die Neuroplastizität, vor allem aber die Fähigkeit zur Bildung neuer Blutgefäße lässt laut den Ergebnissen einer Studie in Cell Stem Cell (2017; doi: 10.1016/j.stem.2018.03.015) dagegen nach.

Der Hippocampus entscheidet darüber, welche Informationen das Gehirn speichert und welche nicht. Hirnforscher sind sich darüber einig, dass diese Aufgabe die Neubildung von Hirnzellen aus Vorgängerzellen erfordert. Darüber, ob das Gehirn bis ins hohe Alter dazu in der Lage ist, gehen die Ansichten der Experten jedoch auseinander.

Ein Forscherteam um Alvarez-Buylla von der Universität von Kalifornien in San Francisco berichtete kürzlich in Nature, dass der Hippocampus bereits in der Kindheit die Fähigkeit verliert, neue Nervenzellen zu bilden, was nicht nur bisherige Annahmen der Hirnforschung infrage stellt, sondern auch die Frage eröffnet, wie denn ältere Menschen noch in der Lage sind, sich neue Sachen zu merken (wozu viele bis ins hohe Alter offensichtlich in der Lage sind).

Maura Boldrini von der Columbia Universität in New York kommt jetzt bei der postmortalen Untersuchung der Hippocampi von 28 zuvor gesunden Personen im Alter von 14 bis 79 Jahren zu einem völlig anderen Ergebnis. Für die Untersuchung hatten die Forscher die Gehirne von Personen ausgesucht, die nicht an Hirnkrankheiten verstorben waren und die bis zuletzt noch geistig fit waren.

Wie Alvarez-Buylla untersuchte Boldrini die einzelnen Regionen des Hippocampus, genauer des Gyrus dentatus, mit Hilfe von Antikörpern, die Neuronen in ihren verschiedenen Entwicklungsstadien markieren. Dabei wurden teilweise die gleichen Methoden verwendet. Anders als Alvarez-Buylla fand Boldrini auch bei älteren Menschen in den einzelnen Regionen des Hippocampus pro untersuchter Region noch tausende neugebildete Hirnzellen.

Ein wichtiger Unterschied zwischen den Gehirnen von jungen und alten Menschen scheint jedoch die mit dem Alter nachlassende Fähigkeit zur Bildung neuer Blutgefäße zu sein. Sie könnte der Grund sein, warum bei älteren Menschen die Migration und die Neuroplastizität der Hirnzellen nachlässt.

Hirnleistungsstörungen im Alter wären nach dieser Theorie vor allem eine Folge der verminderten Durchblutung. Sport ist laut Boldrini in der Lage, die Bildung von neuen Blutgefäßen zu fördern. Die Forscher hatten jedoch keine Informationen darüber, wie körperlich fit die Verstorbenen vor ihrem Tod noch gewesen waren.