Wie die schnelle Signalübertragung zwischen Nervenzellen funktioniert

Wie die schnelle Signalübertragung über den synaptischen Spalt zwischen Nervenzellen abläuft, haben Wissenschaftler des Exzellenzclusters NeuroCure an der Charité – Universitätsmedizin Berlin beschrieben. Danach bildet ein spezielles Eiweiß namens Synaptotagmin Brücken zwischen den Zellen und ermöglicht so die hohe Geschwindigkeit bei der Signalübertragung. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience erschienen (2017; doi: 10.1038/s41593-017-0037-5).

Bekanntlich erfolgt die Signalübertragung zwischen Nervenzellen am synaptischen Spalt. Eingehende Signale bewirken, dass Übertragungsstoffe mittels Vesikeln ausgeschüttet werden. Diese verschmelzen mit der angrenzenden Zellmembran, um das Signal weiterzuleiten. Verschmelzen können die Vesikel mit der Zielmembran allerdings nur, wenn sich beide nahe genug kommen.

Mechanismus bisher unklar

„Zusammengefasst ist der Abstand zwischen dem synaptischen Vesikel und der Membran ein großes Hindernis und verhindert eine schnelle Fusion“, erläuterte der verantwortliche Autor Christian Rosenmund vom Institut für Neurophysiologie der Charité und dem Excellenzcluster NeuroCure. Bekannt war laut den Wissenschaftlern, dass das Eiweiß Synaptotagmin eine wichtige Rolle bei der Geschwindigkeit der Signalübertragung spielt – aber wie dieser Mechanismus genau funktioniert, war bislang unklar.

„Wir haben jetzt herausgefunden, dass Synaptotagmin innerhalb von Millisekunden synaptische Vesikel an die Membran ziehen kann, indem es wie ein beidseitiges Klebeband eine Brücke zwischen dem Vesikel und der Membran schlägt“, so Rosenmund. Nur so könne die Fusion schnell ablaufen.

Laut der Arbeitsgruppe sind die neuen Befunde eine Zufallsentdeckung. Shuwen Chang vom Rosenmund-Labor und Erstautorin der Studie sollte eine neuartige elektronen­mikroskopische Methode dazu nutzen, den Prozess der Vesikel-Membranfusion direkt zu beobachten. „Weil dieser Prozess so schnell abläuft, suchten wir nach Methoden, um die Fusion zu verlangsamen“, so Chang. Das Team versuchte dies mit dem Entfernen von Synaptotagmin und konnte überraschend beobachten, dass das Fehlen dieses Eiweißes nicht nur die Fusion verlangsamte, sondern auch Vesikel und Membran auf Distanz brachte.

In weiteren Tests wollen die Wissenschaftler jetzt herausfinden, ob Mutationen der Synaptotagmin codierenden Gene, wie sie von neurologischen Erkrankungen bekannt sind, auch die Geschwindigkeit der Vesikelfusion und somit die Kommunikation der Nervenzellen verändern.

Thalamus für das Lernen vielleicht wichtiger als gedacht

Der Thalamus könnte bei Lernvorgängen eine größere Rolle spielen als bislang angenommen. Das berichten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in der Zeitschrift Nature Neuroscience (2017; doi: 10.1038/s41593-017-0021-0).

Der Kortex gilt bekanntlich als Sitz von Intelligenz und Bewusstsein. Vorgeschaltete Hirnregionen wie der Thalamus leiten Informationen von den Sinnesorganen an die entsprechenden Kortexregionen weiter und filtern die Signale gegebenenfalls. So steht es meist in den Lehrbüchern. Die Münchner Wissenschaftler vermuten nun, dass dieses Bild teilweise revidiert werden muss. Denn zumindest im Mausgehirn scheint der Thalamus eine deutlich aktivere Rolle bei Lernvorgängen im Bereich der Sehverarbei­tung zu spielen als angenommen.

Zellen im visuellen Kortex verbinden sich während der Entwicklung, um visuelle Umweltreize bestmöglich zu verarbeiten. Dabei kann es vorkommen, dass sich die Signale aus einem Auge nicht mit denen des anderen Auges decken, zum Beispiel bei schielenden Kindern. Die daraus entstehende Sehschwäche kann jedoch bekanntlich oft durch das zeitweise Abdecken des dominanten Auges korrigiert werden. Diese gut untersuchten Vorgänge im visuellen Kortex gelten seit vielen Jahren als Modell für die Untersuchung von Lernmechanismen in der Großhirnrinde am Beispiel der Maus.

Die Wissenschaftler aus der Abteilung von Tobias Bonhoeffer setzten diese Versuchs­anordnung an, aber sie untersuchten während eines temporären Augenverschlusses die Aktivität von Thalamus-Nervenzellen im Maushirn. Sie entdeckten, dass diese Zellen die Informationen aus den Augen nicht einfach an den Kortex weitergaben, sondern ihre Signale in Reaktion auf den Augenverschluss durch Stärkung ihrer Verbindungen veränderten.

„Das war vollkommen unerwartet, denn seit über 50 Jahren gilt, dass der Thalamus nur weiterleitet und nicht aktiv an Lernvorgängen beteiligt ist“, berichtet der Erstautor der Studie, Tobias Rose. Frühere Untersuchungen auf diesem Gebiet hatten laut der Arbeitsgruppe keine Veränderungen im Thalamus gezeigt. „Vielleicht verhält sich der Thalamus der Maus anders als der der damals untersuchten Säugetiere, oder die Methoden waren einfach noch nicht empfindlich und präzise genug“, so Rose.

Durch eine Reihe weiterer Untersuchungen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass es unwahrscheinlich ist, dass die beobachteten Änderungen erst durch Rückmeldung aus dem Kortex in den Thalamuszellen entstehen. „Wir wissen anscheinend weniger als gedacht und müssen die Rolle des Thalamus bei Lernvorgängen im Gehirn nun neu überdenken“, so Bonhoeffers Fazit.

Neuroinformatiker simulieren menschliche Wahrnehmungen und Kognition

Mit Hilfe ihres Roboters „NinjaTurtle“ und speziellen Algorithmen, die der menschlichen Wahrnehmung und Kognition nachempfunden sind, wollen Ulmer Wissenschaftler die Verarbeitung von visuellen und auditiven Sensordaten sicherer, schneller und effizienter machen. Das Projekt ist Teil des Neurorobotik-Programms der Baden-Württemberg-Stiftung und wird mit 500.000 Euro unterstützt.

„Das menschliche Gehirn gehört zu den effektivsten Datenverarbeitungssystemen überhaupt. Vor allem bei der Auswertung von Sinneseindrücken arbeiten natürliche Nervensysteme hocheffektiv und sind vielen technischen Systemen überlegen“, erklärte der stellvertretende Leiter des Instituts für Neuroinformatik, Heiko Neumann.

Neuro-morpher Algorithmen im Mittelpunkt

Mit ihrem Projekt wollen die Wissenschaftler neurobiologische Funktionen des Gehirns auf robotische und informationstechnische Systeme übertragen. Im Mittelpunkt steht dabei die Entwicklung neuro-morpher Algorithmen, die sich in ihrer Struktur und Arbeitsweise am menschlichen Gehirn orientieren. Ausgangspunkt ist die Frage, wie visuelle und auditive Sensorströme verarbeitet, fusioniert und technisch genutzt werden können, beispielsweise für die räumliche Orientierung und Navigation.

„Aus all den Informationen, die auf uns einströmen, wählt das Gehirn nur diejenigen aus, die überlebensrelevant sind und in der jeweiligen Situation einen Sinn ergeben“, sagte Marc Ernst, Leiter der Abteilung für angewandte Kognitionspsychologie des Institutes. Ein Beispiel sei der Hörvorgang: Hierfür kombiniere das Gehirn sensorische Signale mit Erwartungen aus unterschiedlichen Erfahrungskontexten und verrechne die Informationen zu einem multisensorischen Gesamteindruck.

„Die Integration dieser sensorischen Datenströme ist eine Meisterleistung des Gehirns. Wenn wir verstanden haben, wie das genau funktioniert, können wir versuchen, diese Funktionsweisen auf technische Systeme zur Sensordatenverarbeitung zu übertragen“, fassen die Ulmer Forscher ihr wissenschaftliches Anliegen zusammen.

Um die Algorithmen zu realisieren, kommen besondere Rechnerarchitekturen zum Einsatz. Bei dieser gehirninspirierten Hardware sind Prozessor und Speicher nicht getrennt, wie dies bei herkömmlichen Computer der Fall ist. Vielmehr arbeiten diese vereint wie Neuronen und ihre synaptischen Verbindungen im Gehirn.

Wie die Ausschüttung von Neurotransmittern an Synapsen abläuft

Die Freisetzung von Botenstoffen findet an definierten Stellen innerhalb der Synapsen von Nervenzellen statt. Wissenschaftler vom Leibniz-Forschungsinstitut für molekulare Pharmakologie und der freien Universität Berlin haben nun das Molekül identifiziert, das diese Freisetzungsorte definiert. Ihre Arbeit ist im Fachmagazin Neuron erschienen (2017; doi: 10.1016/j.neuron.2017.08.016).

Bei der Übertragung von Signalen über Synapsen, der „synaptischen Transmission“, erreicht zunächst ein elektrisches Signal die Synapse. Es wird ein Kalziumeinstrom durch spannungsabhängige Kalziumkanäle ausgelöst, der wiederum dazu führt, dass synaptische Vesikel die in ihnen gespeicherten Neurotransmitter innerhalb weniger Millisekunden freisetzen. Hierzu verschmelzen die Vesikel mit der Zellmembran. Die chemischen Botenstoffe werden von der benachbarten Nervenzelle in ein elektrisches Signal zurückgewandelt.

Bekannt ist, dass jede Synapse über eine Vielzahl solcher Vesikel verfügt. Die Boten­stoffausschüttung erfolgt jedoch nur an wenigen definierten Stellen. Bislang war laut der Arbeitsgruppe allerdings unklar, welches Molekül diese Freisetzungsorte festlegt. Laut der Studie handelt es sich um das Protein Unc13A, das allerdings kein Unbekann­ter ist. Schon in 1970er-Jahren wurde es entdeckt, da Fehlfunktionen dieses Proteins bei Fadenwürmen zu unkoordinierten Bewegungen führten.

„Wir wussten, dass das Molekül eine wichtige Rolle beim Informationstransfer spielt, denn wenn es fehlt, findet keinerlei synaptische Transmission mehr statt. Wir wussten aber nicht, dass es auch den Platz für die Freisetzung der Botenstoffe aus Vesikeln definiert“, erläutert der Neurowissenschaftler Alexander Walter vom Leibniz-Forschungsinstitut für molekulare Pharmakologie.

Damit bewahrheitete sich die Vermutung, dass die räumliche Anordnung der Freisetzungsorte fest an den zeitlichen Ablauf des Informationstransfers zwischen Nervenzellen gekoppelt ist. „In unserer Studie konnten wir zeigen, dass die exakte Positionierung nötig ist, damit die synaptische Transmission mit einer bestimmten Geschwindigkeit erfolgen kann“, betont Walter.

Die Forscher haben das Protein an der Fruchtfliege durchgeführt, die Ergebnisse ließen sich aber „mit hoher Wahrscheinlichkeit speziesübergreifend übertragen“, hieß es aus der Gruppe.

Was bei akustischen Halluzinationen im Gehirn passiert

Die Kombination eines vor 125 Jahren erdachten Pawlowschen Experiments, mit dem auch bei gesunden Menschen akustische Halluzinationen erzeugt werden können, und der modernen Magnetresonanztomographie, die anzeigt, welche Teile des Gehirns daran beteiligt sind, liefert in Science (2017; 357: 596-600) mögliche neue Ansätze für Behandlung eines Kardinalsymptoms vieler Psychosen.

Halluzinationen, meist akustischer Natur, sind ein häufiges Positivsymptom der Schizophrenie. Sie sind aber nicht auf Menschen mit einer Psychose beschränkt. Auch einige gesunde Menschen hören oder sehen manchmal Dinge, die nicht existieren. In den 1890er Jahren hatten Forscher der Yale Universität ein Experiment entwickelt, das auch bei gesunden Menschen akustische Halluzinationen erzeugt. Es nutzte das Prinzip der damals vom russischen Forscher Iwan Pawlow entwickelten klassischen Kondi­tionierung.

Zwei Reize werden gekoppelt

Der Psychiater Philip Corlett von der Yale Universität hat das Experiment jetzt – am Computer – wiederholt. Die Probanden sitzen am Bildschirm, auf dem plötzlich ein Schachbrett auftaucht begleitet von einem auffälligen Ton. Die Kopplung der beiden Reize wiederholt sich einige Male bis plötzlich nur noch das Schachbrett ohne Ton erscheint. In Erwartung eines Tons hören ihn manche Menschen dennoch, auch wenn er nicht wirklich vorhanden ist.

Corlett hat das Experiment an vier Gruppen durchgeführt. Die erste bestand aus Patienten mit einer Psychose, die unter akustischen Halluzinationen leiden. Diese Gruppe ließ sich leicht konditionieren. Auch eine zweite Gruppe von Personen, die akustische Halluzinationen kennt, ohne an einer Psychose zu leiden, sprach auf die Konditionierung gut an. Die dritte Gruppe – Patienten mit Psychose aber ohne Halluzinationen – und die vierte Gruppe – gesunde Menschen ohne Halluzinationen – ließen sich in dem Experiment Forschern nicht so leicht täuschen.

Hirnforscher erklären das Phänomen wie folgt: Das menschliche Gehirn ist darauf vorbereitet, Lücken in der Wahrnehmung zu füllen. Menschen, die nur einen Teil eines Bildes beispielsweise den Rüssel eines Elefanten sehen, erkennen das Tier, weil sie das Bild aus der Erinnerung komplettieren. Das geschieht auch bei Tönen. Die Konditio­nierung treibt diese Fähigkeit auf die Spitze. Die Personen erwarten, dass das Schach­brettmuster mit einem Ton kombiniert ist, also nehmen sie einen Ton wahr (auch wenn er einmal nicht vorhanden ist). Diese Unterschiede zeigten sich auch in der funktio­nellen Magnetresonanztomographie: Die Töne aktivierten die Hörrinde – bei Menschen mit akustischen Halluzinationen – auch dann, wenn sie in Wirklichkeit nichts hörten.

Gesunde Menschen können Erwartugshaltung aktualisieren

Der Unterschied zwischen Menschen mit einer Psychose und gesunden Menschen (auch solchen mit akustischen Halluzinationen) besteht darin, dass letztere erkennen können, dass die Phänomene in Wirklichkeit nicht existieren. Menschen mit einer Schizophrenie haben diese Fähigkeit häufig nicht oder in abgeschwächter Form, wie Corlett durch die Befragung der Studienteilnehmer ermitteln konnte. Der Unterschied besteht darin, dass gesunde Menschen in der Lage sind, die Erwartungshaltung, die die Halluzination auslöst, zu aktualisieren („udating“). Menschen mit Psychose fällt dies schwerer. Ein Grund könnten die kognitiven Störungen sein, die als Negativsymptom regelmäßig das Positivsymptom Halluzination begleiten.

Diese Unterschiede wurden auch in der funktionellen Magnetresonanztomographie erkennbar. Zwei Regionen sind an dem „Updating“ beteiligt. Die funktionelle Magnetresonanztomographie zeigt eine veränderte Aktivierung im Hippo­campus/Parahippocampus. Das ist der Bereich, der Erinnerungen abspeichert. Eine zweite Region befindet sich interessanterweise im Kleinhirn. Hier sind Bewegungs­automatismen gespeichert, die es dem Menschen beispielsweise beim Laufen ersparen, jede Bewegung der Beine einzeln planen zu müssen. Die neuen Studienergebnisse zeigen, dass diese Automatismen auch bei akustischen Wahrnehmungen eine Rolle spielen und dass Menschen mit Psychosen hier möglicherweise eine Störung haben.

Die neuen Erkenntnisse könnten zum einen bei der Diagnose von Psychosen genutzt werden, meint Corlett. Zum anderen könnte aber auch versucht werden, die Psychosen von Patienten mit Schizophrenie durch eine transkranielle Magnetstimulation etwa des Kleinhirns zu behandeln. Ob dies realistische Optionen sind, ist völlig unklar. Es bleibt abzuwarten, ob hierzu klinische Studien durchgeführt werden.

Wie Emotionen das Gedächtnis stärken

Emotionale Erlebnisse bleiben besonders lang und detailreich im Gedächtnis haften. Forscher der Universität Basel beschreiben nun zusammen mit Kollegen aus den Niederlanden und den USA einen Mechanismus, der für dieses Phänomen verantwortlich ist. Die Ergebnisse der Studie erscheinen in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins PNAS.

Unbedeutende Erlebnisse, die Monate oder Jahre zurückliegen, gehen entweder vergessen oder überleben lediglich als fahle Erinnerungen. Anders verhält es sich mit emotionalen Erlebnissen wie einer Hochzeit, einer Prüfung oder einem Unfall. Solche Erlebnisse graben sich tief ins Gedächtnis ein und werden selbst nach langer Zeit lebendig und genau erinnert. Der Mechanismus, der für die Langlebigkeit und den Detailreichtum von emotionalen Erinnerungen verantwortlich ist, blieb bis heute unbekannt.

Ein Forscherteam der Universität Basel, der Radboud University (Niederlande) und der University of California, Irvine (USA) fand nun heraus, dass bei diesem Phänomen der Botenstoff Noradrenalin eine zentrale Rolle spielt, welcher bei Emotionen im Gehirn ausgeschüttet wird. Dies liess sich in einem Experiment mit Ratten nachweisen.

War die Konzentration von Noradrenalin im Gehirn während der Gedächtnisabspeicherung hoch, so erinnerten sich die Tiere vier Wochen danach stärker und genauer an das Erlebte, als wenn das Niveau des Botenstoffs niedrig war.

Hippocampus auch für entlegene Erinnerungen relevant

Ferner zeigten die Experimente, dass solche Erinnerungen nach wie vor vom Hippocampus abhängig sind. Der Hippocampus ist eine Struktur im Gehirn, die für das Abspeichern und Erinnern von detaillierter Information unabdingbar ist. Aus früheren Studien weiss man, dass mit der Zeit Erinnerungen zunehmend unabhängig vom Hippocampus und lediglich in der Hirnrinde abgespeichert werden. Mit diesem Prozess verlieren die Erinnerungen allerdings auch an Detailreichtum.

Die aktuelle Studie stellt fest, dass die mit emotionalen Erlebnissen einhergehende Ausschüttung von Noradrenalin zu einer längeren Involvierung des Hippocampus und damit zu stärkeren und detailreicheren Erinnerungen führt.

Schliesslich konnte Dr. Vanja Vukojevic von der transfakultären Forschungsplattform Molekulare und Kognitive Neurowissenschaften der Universität Basel im Rahmen dieser Studie aufzeigen, dass die Noradrenalin-Effekte mit epigenetischen Veränderungen in gedächtnisrelevanten Genen im Hippocampus einhergingen.

Die Forschenden hoffen, dass genauere Kenntnisse über diese molekularen Prozesse zur Entwicklung neuer Gedächtnis-verbessernden Substanzen genutzt werden können.

Originalbeitrag

Erika Atucha, Vanja Vukojevic, Raquel V. Fornari, Giacomo Ronzoni, Philippe Demougin, Fabian Peter, Piray Atsak, Marcel W. Coolen, Andreas Papassotiropoulos, James L. McGaugh, Dominique J.-F. de Quervain, and Benno Roozendaal
Noradrenergic activation of the basolateral amygdala maintains hippocampus-dependent accuracy of remote memory
PNAS (2017)

Weitere Auskünfte

• Prof. Dominique de Quervain, Universität Basel, Transfakultäre Forschungsplattform Molecular and Cognitive Neurosciences, Tel. +41 61 207 02 37, E-Mail: dominique.dequervain@unibas.ch
• Prof. Andreas Papassotiropoulos, Universität Basel, Transfakultäre Forschungsplattform Molecular and Cognitive Neurosciences, Tel. + 41 61 207 05 99, E-Mail: andreas.papas@unibas.ch

Adipositas: Hungerzentrum im Hirnstamm entdeckt

Der Hirnstamm, Sitz lebenswichtiger Impulsgeber für Atmung und Blutdruck, ist offenbar auch an der Regulierung der Nahrungsaufnahme beteiligt. US-Forscher lokalisieren in Cell (2017; doi: 10.1016/j.cell.2017.06.045) ein Appetitzentrum im dorsalen Raphe-Zentrum und beschreiben neue Wege, wie das Hungergefühl medikamentös beeinflusst werden könnte.

An der Regulierung der Nahrungsaufnahme, die für alle Organismen überlebenswichtig ist, sind vermutlich mehrere Regionen des Gehirns beteiligt. Frühere Studien haben dem Hypothalamus eine zentrale Rolle zugeschrieben, einem wichtigen Steuerzentrum für Körpertemperatur, Blutdruck und andere Körperfunktionen. Der Hypothalamus übernimmt die Aufgabe eines Reglers, der das Körpergewicht konstant hält. Er reagiert dabei auf die Signale des Hormons Leptin, das den Hypothalamus über den Füllungs­zustand des Fettgewebes informiert.

Das Hormon Leptin wurde 1994 von dem Molekulargenetiker Jeffrey Friedman von der Rockefeller University entdeckt. Anfangs bestand die Hoffnung, dass eine Behandlung mit Leptin eine Adipositas lindern kann. Dies funktioniert allerdings nur bei den wenigen Patienten, bei denen ein angeborener Leptinmangel Ursache der Adipositas ist. Die meisten Patienten mit Adipositas produzieren dagegen mehr als genügend Leptin, das aufgrund einer Leptinresistenz jedoch das Körpergewicht nicht normalisiert. Es ist bisher nicht gelungen, auf andere Weise den Regler für das Körpergewicht neu einzustellen.

Das Team um Friedman suchte deshalb nach weiteren Hirnregionen, die die Nahrungsaufnahme beeinflussen. Mit einer neuen Technik suchten die Forscher bei lebenden Mäusen systematisch nach Regionen des Gehirns, in denen es im Fastenzustand und nach der Fütterung zu unterschiedlichen neuronalen Aktivitäten kommt. Sie stießen dabei auf den dorsalen Raphe-Kern oder DRN, einer Region im Hirnstamm in der Nähe der Ventrikel. Im DRN finden sich vier Zelltypen, die die Neurotransmitter Serotonin, Glutamat, GABA und/oder Dopamin produzieren.

Zwei dieser Zellen sind, wie weitere Experimente ergaben, an der Regulierung der Nahrungsaufnahme beteiligt. Neuronen, die GABA freisetzen, erhöhten bei den Tieren die Nahrungsaufnahme. Die Neuronen, die Glutamat freisetzen, senkten dagegen die Nahrungsaufnahme der Tiere. Die Aktivierung der Glutamat-freisetzenden Neuronen führte auch bei adipösen Mäusen zu einer Gewichtsabnahme, selbst wenn bei ihnen eine Leptinresistenz vorlag.

Die Forscher suchten deshalb gezielt nach Wirkstoffen, die die Glutamat-freisetzenden Neurone im dorsalen Raphe-Zentrum aktivieren oder die GABA-Neuronen in ihrer Aktivität blockieren. Vor allem die Blockade der GABA-Neuronen könnte ein viel­versprechender neuer Ansatz in der Behandlung der Adipositas sein. Die Forscher untersuchten diese Zellen genetisch, um Rezeptoren ausfindig zu machen, die sich auf diesen Zellen und sonst möglichst nirgends im Körper finden. Sie Suche war bisher nicht erfolgreich. Es gibt zwar Wirkstoffe, die GABA-freisetzende Neuronen hemmen. Alle haben jedoch zahlreiche Nebenwirkungen, die einen Einsatz selbst in klinischen Studien zu riskant machen würden.

Sollte ein passender Wirkstoff gefunden werden, könnten hunderte von Millionen Menschen weltweit, denen es nicht gelingt, ihre Nahrungsaufnahme auf ein sinnvolles Maß zu drosseln, von den Entdeckungen profitieren. Eine wichtige Erkenntnis der Studie ist, dass der Hirnstamm, der in evolutionärer Sicht älteste Teil des Gehirns, eine wichtige Funktion bei der Nahrungsaufnahme hat. Dies mag im weitesten Sinne erklären, warum es Menschen, die einmal adipös geworden sind, so schwer gelingt, ihr Körpergewicht wieder zu normalisieren.

Depression: Transkranielle Gleichstrom­stimulation enttäuscht in Vergleichsstudie

Die transkranielle Gleichstromstimulation, die als schonende Alternative zur Elektrokrampftherapie betrachtet wird, hat in einer randomisierten Vergleichs­studie nicht überzeugt. Die Behandlung war laut der Publikation im New England Journal of Medicine (2017; 376: 2523-2533) einer medikamentösen Therapie nicht gleichwertig und keineswegs frei von Nebenwirkungen.

Während bei der Elektrokrampftherapie unter Narkose und nach Gabe von Muskel­relaxantien starke Stromstöße auf das gesamte Gehirn abgegeben werden, erfolgt die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) lokal über Elektroden auf der Kopfhaut, die über einen längeren Zeitraum mit geringen Stromstärken im Bereich von wenigen Milliampere stimuliert werden, was die Patienten in der Regel nicht spüren.

In der ELECT-TDCS-Studie erhielten 94 Patienten an 15 aufeinanderfolgenden Tagen jeweils eine 30-minütige tDCS, bei der die präfrontalen Regionen mit auf die Kopfhaut aufgesetzten Elektroden mit 2 Milliampere stimuliert wurden. In den folgenden sieben Wochen wurde die tDCS einmal wöchentlich wiederholt. Weitere 91 Patienten erhielten eine medikamentöse Standardbehandlung mit Escitalopram, einem Wirkstoff aus der Gruppe der selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI). Weitere 60 Patienten wurden mit Placebo behandelt. In der Escitalopram-Gruppe und in der Placebo-Gruppe wurde eine Schein-tDCS-durchgeführt: Die Elektroden wurden auf der Kopfhaut befestigt, aber nicht unter Strom gesetzt.

Die tDCS gilt als evidenzbasiert. Die US-Arzneimittelbehörde hat bereits 2008 ein Gerät zur Behandlung zugelassen. Der Stellenwert der Behandlung ist jedoch offen, da Vergleichsstudien zur medikamentösen Behandlung bisher fehlten. Die ELECT-TDCS-Studie sollte hier für Klarheit sorgen.

Primärer Endpunkt war die Auswirkung auf der Hamilton Depression Rating Scale mit 17 Items (HDRS-17). Sie bewertet die Symptome der Erkrankung von 0 bis 52 Punkten, wobei eine höhere Punktzahl eine stärkere Depression anzeigt. Zu Beginn der Studie hatten die Patienten einen HDRS-17 von etwa 22 Punkten. In der Escitalopram-Gruppe kam es zu einem Rückgang um 11,3 Punkte, in der tDCS-Gruppe besserte sich die Depression um 9,0 Punkte und in der Placebo-Gruppe um 5,8 Punkte.

Die Differenz zwischen Escitalopram und tDCS betrug 2,3 Punkte mit einem 95-Prozent-Konfidenzintervall von 0,4 bis 4,3 Punkten. Die Differenz zwischen Escitalopram und Placebo betrug 5,5 Punkte (3,1-7,8). Der SSRI war offenbar stärker wirksam als die tDCS.

Das Non-Inferioritätskriterium war nicht erfüllt: Andre Brunoni von der Universität Sao Paulo und Mitarbeiter hatten sich vor Beginn der Studie darauf festgelegt, dass die tDCS wenigstens 50 Prozent der Escitalopram-Wirkung erreicht. Dies konnte nicht belegt werden, weil die untere Grenze des Konfidenzintervalls für den Unterschied von tDCS gegenüber Escitalopram (Differenz -2,3 Punkte; -4,3 bis -0,4) niedriger war als die Hälfte der Differenz zwischen Placebo und Escitalopram (2,75 Punkte).

Damit kann die tDCS (jedenfalls in der gewählten Dauer und Dosierung) nicht als Alternative zur medikamentösen Therapie betrachtet werden. Hinzu kommt, dass die tDCS nicht ohne Nebenwirkungen war. Es kam nicht nur zu Rötungen der Haut, die Patienten gaben auch häufiger Tinnitus und Nervosität an. Bei zwei Patienten wurde eine manische Störung neu diagnostiziert. Unter der Behandlung mit Escitalopram kam es zu den bekannten Nebenwirkungen von SSRI wie Schläfrigkeit und Obstipation.

Die Studie weist nach Ansicht der Editorialistin Sarah Lisanby vom  National Institute of Mental Health, Bethesda, Schwächen auf. Dazu gehöre eine lückenhafte Verblin­dung, da viele Teilnehmer anhand der Nebenwirkungen von Escitalopram vermutlich erkannt hätten, in welcher Gruppe sie sich befanden. Die tDCS sei dagegen trotz der Nebenwirkungen nicht erraten worden. Die Gewissheit, eine aktive Behandlung zu erhalten, kann bei der Depression die Einschätzung der Wirkung verstärken, die bei der Depression mangels objektiver Parameter von den subjektiven Angaben der Patienten abhängt.

Lesen verändert die Struktur des Gehirns grundlegend

Lesen ist evolutionär betrachtet eine junge kulturelle Errungen­schaft – so jung, dass im Gehirn noch kein eigener Platz für sie vorgesehen ist. Wenn Menschen lesen lernen, werden daher Hirnregionen umfunktioniert, die bis dahin für andere Fähigkeiten genutzt wurden. Wissenschaftler der Max-Planck-Institute in Nijmegen und Leipzig berichten darüber im Fachmedium Science Advances (2017; doi: 10.1126/sciadv.1602612).

„Bisher ging man davon aus, dass sich diese Veränderungen lediglich auf die äußere Großhirnrinde beschränken, die bereits dafür bekannt war, sich schnell an neue Heraus­forderungen anpassen zu können“, erläuterte Studienleiter Falk Huettig vom Max-Planck-Institut für Psycholinguistik.

Das Forscherteam hat gemeinsam mit indischen Wissenschaftlern des Center of Bio-Medical Research (CBMR) Lucknow und der Universität Hyderabad in einer Studie mit erwachsenen Analphabetinnen beobach­tet, was sich im erwachsenen Gehirn verändert, während Menschen lesen und schrei­ben lernen: Anders als bisher angenommen werden durch diesen Lernprozess offenbar Umstrukturierungen in Gang gesetzt, die bis in den Thalamus und den Hirnstamm hinein­reichen. Im Vergleich zur verhältnismäßig sehr jungen Schrift des Menschen verändern sich also Regionen, die evolutionär gesehen alt sind.

Großteil der Probanden konnte nicht lesen und schreiben

Die Arbeitsgruppe hat bei der Studie mit indischen Analphabetinnen zusammengear­beitet. In dem Land bleibt vor allem Frauen der Zugang zu Schulbildung und damit zu Lesen und Schreiben häufig verwehrt, sodass an der Studie ausschließlich Frauen teilnahmen, alle im Alter zwischen 24 und 40 Jahren.

Ein Großteil der Teilnehmerinnen konnte zu Beginn des Trainings kein einziges Wort ihrer Sprache, dem Hindi, entziffern. Hindi, der Landessprache Indiens, liegt das sogenannte Devanagari zugrunde, eine Schrift, deren Zeichen häufig nicht nur für einzelne Buchstaben, sondern auch für ganze Silben oder auch Wörter stehen. Nach sechs Monaten Unterrichts erreichten die Teilnehmerinnen bereits ein Niveau, das sich mit dem von Erstklässlerinnen verglei­chen lässt.

„Wir haben beobachtet, dass die sogenannten Colliculi superiores als Teile des Hirn­stamms und das sogenannte Pulvinar im Thalamus ihre Aktivitätsmuster zeitlich enger an Sehareale auf der Großhirnrinde koppeln“, berichtete Michael Skeide, Wissen­schaftler am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften (MPI CBS) in Leipzig und Erstautor der Studie. „Die Thalamus- und Hirnstammkerne helfen unserer Sehrinde dabei, wichtige Informationen aus der Flut von visuellen Reizen herauszufiltern noch bevor wir überhaupt bewusst etwas wahrnehmen“, erläutert er.

Hirnareale, die von der Evolution also eigentlich für die Erkennung komplexer Objekte wie Gesichter konzi­piert waren, werden nun durch die Fähigkeit besetzt, Buchstaben in Sprache zu über­tragen. Dadurch entwickeln sich einige Regionen des visuellen Systems zu Schnitt­stellen zwischen unserem Seh- und Sprachsystem.

Die Ergebnisse werfen laut der Arbeitsgruppe ein neues Licht auf mögliche Ursachen der Lese-Rechtschreib-Störung (LRS). Bisher wurden Fehlfunktionen des Thalamus als eine mögliche angeborene Ursache der LRS diskutiert, die zu grundlegenden Defiziten in der visuellen Aufmerksamkeit führen könnten. „Da wir nun wissen, dass sich der Thalamus bereits nach wenigen Monaten Lesetraining so grundlegend verändern kann, muss diese Hypothese neu hinterfragt werden“, so Skeide.

Psychose: Anfälligkeit schon sehr früh erkennbar

Gehirn reagiert bereits bei 14-Jährigen übertrieben stark auf Signale

Forscher der Universite de Montreal http://umontreal.ca und des Sainte-Justine University Hospital Research Center http://research.chusj.org haben frühe Marker entdeckt, die eine Anfälligkeit für Psychosen anzeigen. Übertriebene emotionale Reaktionen des Gehirns auf nicht bedrohliche und nicht gefühlsbetonte Signale, können das Auftreten von ersten Anzeichen psychotischer Symptome im späten Jugendalter sein.

Auffälligkeiten erkennen

Die im „American Journal of Psychiatry“ veröffentlichten Ergebnisse stimmen mit Hypothesen zur Entwicklung dieser Krankheit überein. Laut der leitenden Wissenschaftlerin Patricia Conrod gelang es, Auffälligkeiten im Gehirn von Teenagern zu entdecken, schon bevor psychotische Erfahrungen und der Substanzmissbrauch signifikante kognitive Einschränkungen verursachen und ein medizinisches Eingreifen erfordern.

Conrods Team begleitete mehr als 1.000 europäische Teenager vom 14. bis zum 16. Lebensjahr. Sie waren Teil der „IMAGEN“-Studie http://de.imagen-europe.com . Dabei wurde die Gehirnaktivität während des Absolvierens verschiedener kognitiver Aufgaben gemessen, um Bereiche wie Belohnungssensitivität, Impulskontrolle und die Verarbeitung von emotionalen und nicht-emotionalen Inhalten zu untersuchen. Zusätzlich beantworteten die Teilnehmer mit 14 und 16 Jahren Fragebögen zu verschiedenen psychiatrischen Symptomen.

Maschineller Lernansatz

Zuerst wählten die Forscher eine Gruppe von Jugendlichen aus, die mit 14 Jahren bereits von gelegentlichen psychoseähnlichen Erfahrungen berichteten. Sie reagierten auf nicht-emotionale Inhalte so, als ob diese von hohem gefühlsmäßigem Stellenwert wären. Mittels eines maschinellen Lernansatzes wurde dann getestet, ob diese funktionellen Charakteristika des Gehirns das Auftreten von zukünftigen psychotischen Symptomen bei einer größeren Gruppe von 16-Jährigen vorhersagen konnte.

Im Alter von 16 Jahren gaben 16,6 Prozent der Jugendlichen an, dass sie bereits auditive oder visuelle Halluzinationen und wahnhafte Ideen gehabt hatten. Diese Erfahrungen wurden durch entsprechende Tendenzen aufgrund der Reaktion des Gehirns auf neutrale Reize und dem Konsum von Cannabis vor dem 16. Lebensjahr, bereits im Alter von 14 Jahren vorhergesagt.

Conrod zufolge verdeutlichen die aktuellen Forschungsergebnisse, dass eine Anfälligkeit bereits sehr früh identifiziert werden kann. „Da diese Krankheit normalerweise am Beginn des Erwachsenenalters ausbricht, gibt es daher ein großes Zeitfenster, in dem Interventionen bei riskantem Verhalten und entscheidenden ursächlichen Prozessen möglich sind.“