Wo Erinnerungen von Angst im Gehirn verortet sind

Erinnerungen werden auch im Hypothalamus, einer evolu­tionär alten Hirnregion, langfristig abgebildet. Das berichtet ein internationales For­scherteam in der Fachzeitschrift Neuron (2019; doi: 10.1016/j.neuron.2019.04.029). Bisher war man davon ausgegangen, dass Erinnerungen im Hippocampus entstehen und später im Cortex gespeichert werden.

Die Forscher konzentrierten sich bei ihrer Arbeit auf Angsterinnerungen. Sie hoffen auf neue Therapieansätze für Menschen mit allgemeinen Angstzuständen und mit post­traumatischen Belastungsstörungen.

Die Wissenschaftler untersuchten im Tiermodell Neuronen, die das Hormon Oxytocin produzieren. Oxytocin ist ein Botenstoff, der verschiedene emotionale Gehirnfunktio­nen steuert, einschließlich der Angst.

Sie schleusten dafür genetische Schalter in die Zellen im Hypothalamus ein, um die bei einem Angstempfinden aktivierten Oxytocin-Neuronen selektiv zu markieren. Diese markierten Zellen konnten in Versuchen mit Ratten dann durch die Stimulation mit Blaulicht aktiviert oder durch Zugabe einer synthetischen Chemikalie stummge­schaltet werden.

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Sie setzten die Schalter dann in Experimenten mit Ratten ein. Zunächst lernten die Tiere, sich in einer gefährlichen Umgebung nicht zu bewegen. Wenn die Forscher die markierten Zellen aktivierten, bewegten sich die Tiere in dieser Umgebung doch. Sobald das blaue Licht wieder ausgeschaltet wurde, kehrte die Angst zurück und die Tiere verharrten wieder regunglos.

„Auf diese Weise konnten wir zeigen, dass die markierten Zellen das Wissen über die Angst enthalten“, erläuterte Valery Grinevich, Leiter der Abteilung Neuropeptidfor­schung in der Psychiatrie am Zentralinstitut für Seelische Gesundheit (ZI) in Mann­heim. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass derselbe Schaltkreis auch erfor­derlich ist, um die Angstgedächtnisse wieder zu löschen.

„Durch das Verständnis der anatomischen und funktionellen Angstschaltungen sollte es möglich sein, innovative Strategien zur Behandlung von psychischen Erkrankungen des Menschen zu entwickeln“, berichten die Forscher.

Depressionen: Wie Ketamin im Gehirn wirkt

Die erstaunliche antidepressive Wirkung des Anästhetikums Ketamin, dessen Enantiomer Esketamin kürzlich in dieser Indikation in den USA zugelassen wurde, könnte auf der Wiederherstellung von Synapsen im medialen präfrontalen Cortex beruhen, dem Entscheidungszentrum des Gehirns. Dies legen tierexperimentelle Studien in Science (2019: 364: eaat8078) nahe.

Ein wichtiger Auslöser von Depressionen ist chronischer Stress. Dieser kann im Tierver­such durch die Gabe des Stresshormons Cortison im Trinkwasser ausgelöst werden – wie auch Depressionen zu den Nebenwirkungen einer Steroidtherapie gehören. Eine weitere Methode, Depressionen bei Mäusen zu erzeugen, besteht darin, die Tiere über mehrere Tage in einem kleinen Käfig von anderen Tieren zu isolieren.

Die Folgen lassen sich bei den Mäusen mit neuen Untersuchungsmethoden „live“ im Ge­hirn beobachten. Danach entstehen Depressionen im medialen präfrontalen Cortex. Dort kommt es nach der Steroidgabe zu einem Rückgang in der Zahl der Dornenfortsätze („Spines“) an den Dendriten der Nervenzellen. Auf vielen Spines befinden sich Synapsen, über die Nervenzellen mit einander verknüpft sind. Die Folge von Stress ist deshalb eine verminderte Konnektivität im Stirnhirn.

Die Experimente, die ein Team um Conor Liston vom Weill Cornell Medical College in New York City durchgeführt hat, zeigen nun, dass es nach einmaliger Gabe von Ketamin zur Erneuerung alter Spines und zur Bildung zusätzlicher Spines kommt, die die Konnek­tivität im medialen präfrontalen Cortex wieder herstellen. Das Auftreten der neuen Spi­nes korrelierte mit der langdauernden Wirkung von Ketamin, die auch in klinischen Stu­dien nach Gabe von Esketamin beobachtet wurde. In einem Experiment, in dem die Neu­bildung von Spines verhindert wurde, blieb die antidepressive Wirkung von Ketamin bei den Mäusen aus.

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Die Befunde liefern damit eine mögliche Erklärung für die anhaltende Wirkung von Keta­min. Die Bildung neuer Spines war allerdings erst nach 12 bis 24 Stunden nachweisbar. Die Wirkung von Ketamin setzt früher ein, weshalb sie andere Ursachen haben muss. Die Forscher konnten in einem weiteren Experiment nachweisen, dass es schon drei bis sechs Stunden nach der Behandlung im medialen präfrontalen Cortex zu einem Anstieg der funktionalen Konnektivität kommt, die bei den Tieren mit der Abnahme von depressiven Verhaltensweisen korrelierte.

Die Neubildung von Spines nach der Gabe von Ketamin war bei den Versuchstieren nicht von Dauer. Dies entspricht der Erfahrung mit der Ketamintherapie, die Depressionen zwar über längere Zeit lindern, aber nicht ausheilen kann.

Interessant ist, dass die Entdeckung neuer Medikamente häufig die Vorstellungen von der Pathogenese einer Erkrankung verändern. Nach der Entdeckung der selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmer, die die Konzentration von Serotonin erhöhen, wurde die Ursa­che der Depression in einer gestörten Freisetzung dieses Neurotransmitters vermutet. Mit der Entdeckung der Ketamin-Wirkung verschieben sich die Erklärungsversuche für die Depression auf die Ebene der Spines an den Dendriten der Nervenzellen. 

Assoziatives Erinnern: Wie das Gehirn Gedächtnis-Inhalte ergänzt

Wenn wir das Foto von einem sonnigen Strandtag betrachten, meinen wir manchmal fast, noch den Geruch von Sonnencrème zu riechen. Unser Gehirn ergänzt häufig Erinnerungen um damit verknüpfte Gedächtnis-Inhalte. Eine neue Studie der Universitäten Bonn und Birmingham zeigt nun, welche Mechanismen dabei ineinander greifen. Sie ist nun in der Zeitschrift Nature Communications erschienen.
Die Forscher zeigten Versuchspersonen in acht Versuchsdurchgängen jeweils zehn Landschafts-Bilder. Zusätzlich war in jeder Aufnahme ein Detailfoto mit einem von zwei Objekten eingefügt, etwa einer Himbeere oder eines Skorpions. Die Probanden durften sich jedes der zusammengesetzten Fotos drei Sekunden ansehen. Nach einer kurzen Pause bekamen sie in einem zweiten Durchgang nur die Landschaften zu sehen. Sie sollten dann angeben, ob dort ursprünglich zusätzlich die Himbeere oder der Skorpion aufgetaucht war.

„Gleichzeitig haben wir uns die Hirnaktivität der Teilnehmer angeschaut“, erklärt Prof. Dr. Dr. Florian Mormann, der am Universitätsklinikum Bonn die Arbeitsgruppe Kognitive und Klinische Neurophysiologie leitet. „Dabei haben wir uns auf zwei Hirnregionen konzentriert – den Hippocampus und den entorhinalen Cortex, ein Gebiet der Hirnrinde.“ Vom Hippocampus weiß man, dass er bei assoziativen Erinnerungen eine Rolle spielt. Welche genau, war bislang aber weitgehend unbekannt.

Die Wissenschaftler stießen nun auf einen interessanten Befund: In der Erinnerungsphase feuerten zunächst die Nervenzellen im Hippocampus. Das war auch bei einer Kontrollaufgabe der Fall, bei der die Teilnehmer sich nur einfache Landschaftsaufnahmen hatten einprägen müssen. Bei der Aufgabe, in der die Bilder eine zusätzliche Information enthalten hatten – also etwa das Foto eines Skorpions –, dauerte die Hippocampus-Aktivität jedoch deutlich länger an. Während dieser Verlängerung begannen dann zusätzlich Zellen im entorhinalen Cortex zu feuern.

„Dieses Aktivitätsmuster im Cortex ähnelte stark der Erregung, die wir dort in der Lernphase gemessen hatten, also bei der Betrachtung des zusammengesetzten Bildes“, betont Dr. Bernhard Staresina von der Universität Birmingham. In der Tat ging diese Ähnlichkeit so weit, dass eine Analyse-Software aus der Aktivität des entorhinalen Cortex ablesen konnte, ob sich der jeweilige Teilnehmer gerade an einen Skorpion oder eine Himbeere erinnerte. „Wir sprechen auch von einer Re-Instanziierung“, sagt Staresina. „Die Erinnerung versetzt die Nervenzellen in einen ähnlichen Zustand, wie sie ihn beim Ansehen des Fotos hatten.“

Die Wissenschaftler vermuten, dass der Hippocampus für diese Re-Instanziierung verantwortlich ist. Eine wichtige Rolle spielen dabei die hippocampalen Nervenzellen, die in der Verlängerung aktiv werden: Mit ihrem Erregungsmuster teilen sie dem Gedächtnis möglicherweise mit, wo genau der fehlende Teil der Erinnerung (in diesem Beispiel das Bild der Himbeere oder des Skorpions) abgelegt ist.

Epilepsie-Patienten ins Gehirn geschaut

Die Messungen wurden an der Klinik für Epileptologie in Bonn durchgeführt – einem der größten Epilepsiezentren Europas. Hier werden unter anderem Patienten behandelt, die unter schweren Formen einer Schläfenlappen-Epilepsie leiden. Dabei versucht man, das defekte Nervengewebe operativ zu entfernen, das die Krampfanfälle auslöst. Um den Krampfherd zu lokalisieren, werden dazu in manchen Fällen zunächst Elektroden ins Gehirn der Kranken implantiert. Über diese lässt sich die Aktivität der Nervenzellen aufzeichnen. Als Nebeneffekt können Forscher diesen Umstand auch nutzen, um den Patienten gewissermaßen beim Erinnern zuzuschauen.

So auch in der aktuellen Studie: Die 16 Teilnehmer waren allesamt Epilepsie-Patienten, denen haarfeine Spezialelektroden in den Schläfenlappen eingesetzt worden waren. „Damit konnten wir die Reaktion der Nervenzellen auf visuelle Reize messen“, erläutert Prof. Mormann. Die Methode erlaubt einen faszinierenden Einblick in die Funktionsweise unseres Gedächtnisses. Möglicherweise lassen sie sich auch nutzen, um die Ursachen von Erinnerungs-Störungen besser zu verstehen.

Publikation: Bernhard P. Staresina, Thomas P. Reber, Johannes Niediek, Jan Boström, Christian E. Elger und Florian Mormann: Recollection in the human hippocampal-entorhinal cell circuitry; Nature Communications; dx.doi.org/10.1038/s41467-019-09558-3

wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Dr. Florian Mormann
Klinik für Epileptologie
Universitätsklinikum Bonn
Tel. 0228/28715738
E-Mail: florian.mormann@ukbonn.de

Dr. Bernhard Staresina
School of Psychology
University of Birmingham
Tel. +44 (0)121 414 8690
E-Mail: b.staresina@bham.ac.uk

Feinabstimmung neuronaler Rhythmen im Schlaf mit steigendem Alter verändert

Bei älteren Menschen gelingt die Konsolidierung von Gedächtnis­inhalten während des Schlafes nicht mehr so gut wie bei jüngeren. Gründe dafür erläutern Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Bildungsforschung zusammen mit Forschern der Goethe-Universität Frankfurt und der Universität Fribourg in der Fachzeitschrift Scientific Reports (2019; doi: 10.1038/s41598-018-36557-z).

Der Schlaf ist bekanntlich für die langfristige Speicherung und Vernetzung neuerworbe­nen Wissens und somit für das Lernen unerlässlich. Eine zentrale Hirnstruktur dafür ist der Hippocampus. Er ist wesentlich an der schnellen aber kurzfristigen Speicherung neuer­worbenen Wissens und alltäglicher Erlebnisse beteiligt. Der Schlaf ermöglicht es, dass der Hippokampus Gedächtnisinhalte in die langsamer lernende Großhirnrinde überträgt und dort allmählich fest einschreibt. Dafür ist es den Forschern zufolge nötig, dass die Nervenzellaktivitäten in den beteiligten Gehirnarealen präzise aufeinander abgestimmt sind. 

„Durch die Beobachtung der Gehirnaktivität von Probanden im Schlaf konnten wir zeigen, dass sich Personen, die mehr vergessen, in einem wesentlichen Punkt von anderen Personen unterscheiden: Die Aktivität der Nervenzellen im Hippocampus und in der Großhirnrinde ist bei den vergesslicheren Personen weniger präzise gekoppelt“, erläuterte Beate Muehlroth, Erstautorin der Studie und Doktorandin im Forschungsbereich Entwicklungspsychologie des Max-Planck-Instituts für Bildungsforschung.

Das Forscherteam hat die Lern- und Merkfähigkeit von 34 jüngeren Probanden im Alter zwischen 19 und 28 Jahren und 41 älteren Probanden im Alter zwischen 63 und 74 Jahren in einem speziell zu diesem Zweck entwickelten Gedächtnistest verglichen. Die Nacht zwischen dem Lernen und dem Gedächtnistest am nächsten Tag verbrachten die Teilnehmer zu Hause. Dort wurde die Nervenzellaktivität im Schlaf mit einem tragbaren Schlaf-EEG-System erfasst. Zusätzlich wurden die Größe und Struktur gedächtnis- und schlafrelevanter Gehirnareale mittels Magnetresonanztomografie (MRT) im Labor gemessen.

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In den Ergebnissen zeigte sich, dass ältere Probanden im Durchschnitt mehr vergaßen als jüngere Teilnehmer. Zusätzlich zeigte sich, dass Probanden mit geringerer Merkfähigkeit nachts während der Tiefschlafphasen eine weniger präzise Kopplung zwischen Schlaf­spindeln und langsamen Wellen aufwiesen, sodass die Konsolidierung der neu erlernten Inhalte weniger erfolgreich war.

„Wir haben festgestellt, dass die Kopplung der beiden Nervenzellrhythmen mit dem Alter tendenziell abnimmt und die Vergesslichkeit gleichzeitig zunimmt. Dies bedeutet zugleich: Diejenigen unter den älteren Probanden, die bei den Gedächtnistests gut abschnitten, zeigten auch ein Kopplungsmuster, das dem der jüngeren Probanden ähnelt“, erläuterte Markus Werkle-Bergner, Seniorautor und Projektleiter am Max-Planck-Institut für Bildungsforschung. 

Therapy conversation with the psychologist

Die Hirnströme vor dem Bungeesprung

Bewegungsbezogene Hirnaktivitäten lassen sich auch in Situationen zuverlässig messen, in denen starke Emotionen eine Rolle spielen, zum Beispiel vor einem Bungeesprung. Das berichten Wissenschaftler um Surjo Soekadar von der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie der Charité – Universitätsmedizin Berlin. 

Wenn eine Person bei einem Bungeejump kurz vor dem Entschluss steht, von der Brücke herunterzuspringen, konnten sie fast eine Sekunde vor der bewussten Entscheidung zu dem Sprung ein sogenanntes Bereitschaftspotenzial nachweisen. Die Studie ist im Fachjournal Scientific Reports erschienen (2019; doi: 10.1038/s41598-018-38447-w). 

Elektrische Spannungsverschiebung im Gehirn zeigt Bereitschaft an

Das Bereitschaftspotenzial ist eine elektrische Spannungsverschiebung im Gehirn, die über die menschliche Kopfhaut mittels Elektroenzephalografie (EEG) gemessen wird. Es zeigt eine bevorstehende willentliche Handlung – zum Beispiel eine Handbewegung – an und entsteht, noch bevor sich die handelnde Person bewusst wird, dass sie gleich diese Bewegung ausführen wird. Das Phänomen wurde 1964 von Lüder Deecke und Hans-Helmut Kornhuber entdeckt, als beide unter strengen Laborbedingungen die Hirnströme von Probanden bei Fingerbewegungen maßen.

„Die Messung dieser elektrischen Potenziale ist bereits im Labor extrem sensibel, da die Spannungsverschiebung nur wenige Millionstel Volt beträgt. Doch um alltagstaugliche Gehirn-Computer-Schnittstellen zu entwickeln, wollten wir untersuchen, ob das Bereitschaftspotenzial auch unter realen Umständen aufzuzeichnen ist“, berichtet Soekadar.

Höhe der Sprünge ohne Auswirkung

Die Forscher ließen daher 2 Probanden insgesamt 30-mal von der 192 Meter hohen Europabrücke bei Innsbruck springen und nahmen dabei deren Hirnströme auf. So konnten sie in einer realen Umgebung nachweisen, dass bewegungsbezogene Hirnaktivität auch in Situationen zuverlässig gemessen werden kann, in denen starke Emotionen eine Rolle spielen. Zudem fanden sie heraus, dass sich die Hirnaktivität bei den Sprüngen aus 192 Metern Höhe nicht von der Hirnaktivität bei Sprüngen aus nur 1 Meter Höhe unterscheidet. Die 2 Probanden sprangen dafür ebenfalls insgesamt 30-mal aus 1 Meter Höhe. Dieses Ergebnis bedeutet laut den Forschern, dass die Angst vor einer vermeintlich lebensgefährlichen Handlung keinen Einfluss auf die Ausprägung des Bereitschaftspotenzials hat. 

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Die Studie ist laut den Autoren für die Weiterentwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen wichtig. Diese übersetzen Hirnaktivität in Steuersignale von Robotern oder anderen technischen Geräten. Im Alltag ist es sehr wichtig, dass auch starke Gefühle die Steuerung solcher Neuroprothesen nicht beeinträchtigen. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass wir Gehirn-Computer-Schnittstellen auch unter extremer emotionaler Anspannung zuverlässig einsetzen können“, erklärt Soekadar. 

Lebensstilfaktoren hinterlassen Spuren im Gehirn

Eine gesunde beziehungsweise eine ungesunde Lebensführung spiegeln sich auch im Gehirn wider. Das berichten Nora Bittner und Svenja Caspers vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin in der Fachzeitschrift Nature Communications (2019; doi: 10.1038/s41467-019-08500-x). 

Die Forscher analysierten die Daten von 248 Frauen und 301 Männern im Alter von 55 bis 85 Jahren. Hierbei konnten sie auf Kernspinaufnahmen der Gehirne und auf einen umfangreichen Datensatz zu der Lebenssituation der Probanden zurückgreifen. Sie berücksichtigten davon die Faktoren soziales Umfeld, Alkohol- und Tabakkonsum sowie körperliche Aktivität. „Unser Datensatz erlaubt es, alle vier Aspekte gleichzeitig in jedem einzelnen Probanden zu betrachten und dabei auch Effekte aufzudecken, die erst durch das Zusammenspiel der verschiedenen Faktoren zustande kommen“, erläuterte Caspers.

„Sport, soziale Kontakte und Alkohol wirken sich nach unseren Ergebnissen direkt auf die Gehirnstruktur aus“, so Bittner. Die graue Substanz in bestimmten Regionen des Gehirns sei zum Beispiel bei Menschen, die in einem regen sozialen Umfeld lebten, besser erhalten, als bei Menschen, die wenig soziale Kontakte hätten. Auch sportlich aktive Menschen zeigten im Alter einen geringeren Volumenverlust des Gehirns als inaktive Zeitgenossen. Ein hoher Alkoholkonsum wirke sich hingegen negativ auf die Gehirnstruktur aus, gehe also mit einem Gehirnabbau und dem Verlust von Nerven­zellen einher, führte die Wissenschaftlerin aus.

Rauchen beeinflusse hingegen weniger die Gehirnstruktur, sondern vielmehr die Gehirnfunktion, stellte Bittner fest. „Es zeigte sich, dass die sogenannte funktionelle Konnektivität, also die gezielte Zusammenarbeit von Hirnregionen untereinander, im ruhenden Gehirn bei Rauchern höher ist als bei Nichtrauchern“, hob Bittner hervor. „Wir gehen davon aus, dass dadurch die kognitive Reserve bei Rauchern geringer ist, da die betreffenden Regionen schon im Ruhezustand auf Hochtouren laufen und damit kein Leistungspuffer mehr frei ist“, ordnete sie dieses Ergebnis ein.

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„Unsere Forschungsergebnisse zeigen eindrucksvoll, dass allgemeingültige Aussagen zu einer gesunden Lebensführung sich auch anatomisch und funktionell im Gehirn widerspiegeln“, betonte Caspers. 

Das Forscherteam war nach eigenen Angaben überrascht von der starken Korrelation zwischen sozialer Interaktion und der ausgeprägten Hirnstruktur. „Der positive Zusammenhang zwischen körperlicher Aktivität und geistiger Leistungsfähigkeit ist schon länger bekannt und gut belegt“, sagte Caspers. „Dass nun ein intensives oder geringes Sozialleben ebenfalls deutliche Spuren im Gehirn hinterlässt, eröffnet eine Vielzahl von neuen Forschungsfragen“, so ihre Einschätzung.

Concept image of miniature construction workers inspecting a brain. There are small caution cones around the brain. White background.

Alkoholkonsum von Teenagern könnte emotionales Zentrum des Gehirns dauerhaft verändern

Menschen, die bereits als Jugendliche mit dem Alkoholkonsum begannen, wiesen bei ihrem Tod im Alter von Ende 50 Veränderungen in den Amygdalae auf, die nach Ansicht von Forschern in Translational Psychiatry (2019; 9: 34) die emotionalen Probleme und die erhöhte Suchtneigung erklären, die mit einem frühen und exzessiven Alkoholkonsum verbunden sind.

Epidemiologische Studien haben gezeigt, dass Menschen, die als Jugendliche zu Alkoholexzessen neigen („Binge-Trinken“), später 4-mal häufiger alkoholabhängig werden als Menschen, die erst als Erwachsene regelmäßig Alkohol trinken. Hirnforscher vermuten deshalb, dass der Alkoholkonsum in einer Zeit, in der das Gehirn einem Umbauprozess unterworfen ist, nachhaltige Schäden anrichten könnte. Eine mögliche Folge, die ebenfalls in epidemiologischen Studien beobachtet wurde, ist eine emotionale Labilität.

Ein wichtiges Hirnzentrum für die Verarbeitung emotionaler Signale sind die beiden Corpora amygdaloideum (kurz Amygdalae). In diesen kleinen Hirnregionen werden eintreffende Informationen einer Gefahrenanalyse unterzogen. Bei einer Bedrohung wird ohne weitere Rückfrage in höheren kognitiven Zentren eine Angst- und Alarmreaktion ausgelöst. Menschen, bei denen die Amygdalae beidseitig geschädigt sind, kennen keine Angst. Selbst in lebensbedrohlichen Situationen machen sie keine Anstalten zu einem Rettungsversuch.

Ein Team um Subhash Pandey von der Universität von Chicago hat die Amygdalae von 44 Personen untersucht, die im Alter von Ende 50 gestorben waren und deren Lebensgeschichte bekannt war: 11 Personen hatten bereits als Jugendliche (vor dem 21. Lebensjahr) mit einem starken Alkoholkonsum begonnen. Weitere 11 Personen hatten erst im Erwachsenenalter zu trinken begonnen. Beide Gruppen waren bei ihrem Tod alkoholabhängig. Die dritte Gruppe von 22 Personen hatte keine Alkoholprobleme.

In den Amygdalae der Personen, die bereits als Jugendliche Alkohol getrunken hatten, wiesen die Forscher zu 30 % mehr BDNF-AS nach. Es handelt sich um ein Steuergen für den Wachstumsfaktor BDNF („brain-derived neurotrophic factor“). BDNF ist ein wichtiger Faktor für die Entwicklung des Gehirns, im Erwachsenenalter beeinflusst er die Plastizität des Gehirns. Da das Steuergen BDNF-AS die Produktion von BDNF hemmt, war die BDNF in dem Gehirn der „früheren Trinker“ vermindert. Ähnliche Veränderungen waren bei den „späten Trinkern“ und in der Kontrollgruppe nicht nachweisbar.

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Eine verminderte BDNF-Konzentration in den Amygdalae könnte auf eine verminderte emotionale Lernfähigkeit hindeuten, schreibt Pandey. Dies würde erklären, warum Menschen, die als Jugendliche exzessiv Alkohol trinken, im Erwachsenenalter häufiger emotionale Probleme haben und zum Alkoholabusus neigen.

Pandey führt die Langzeitwirkung auf epigenetische Störungen zurück. Dabei handelt es sich um Veränderungen in der DNA-Methylierung. Mit der Anheftung von Methylgruppen können Gene dauerhaft abgeschaltet werden. Im Fall BDNF-AS scheint bei frühen Trinkern eine notwendige DNA-Methylierung nicht zu erfolgen. 

Common alcoholic beverages
Von TrafficJan82
Eigenes Werk, Gemeinfrei,
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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.