Gehirnschaltkreise, die mit Wachsamkeit verbunden sind

Wie wach oder aufmerksam Sie während des Tages sind, kann sich auf Ihre Fähigkeit auswirken, tägliche Aufgaben zu erledigen. Es gibt viele Faktoren, die die Wachsamkeit beeinflussen können, z. B. wie viel Schlaf oder Koffein man zu sich genommen hat. Übermäßige oder unzureichende Wachsamkeit kann auch ein Anzeichen für bestimmte psychische Erkrankungen wie Angstzustände, Manie oder Depressionen sein.

Wissenschaftler haben viel darüber gelernt, wie das Gehirn das Einschlafen oder Wachsein im Allgemeinen reguliert. Weniger bekannt ist jedoch, wie das Gehirn Veränderungen der Wachsamkeit im Laufe des Tages reguliert.

Um zu untersuchen, welche Gehirnzellen (Neuronen) die Wachsamkeit regulieren, analysierte ein Team unter der Leitung von Dr. Karl Deisseroth und Matthew Lovett-Barron an der Stanford University die Aktivität von Gehirnzellen in Zebrafischen und Mäusen, während sie deren Reaktionszeiten maßen. Die Forschung wurde zum Teil vom National Institute of Mental Health (NIMH) und dem National Institute on Drug Abuse (NIDA) des NIH unterstützt. Die Ergebnisse wurden am 2. November 2017 online in Cell veröffentlicht.

Das Team entwickelte eine Technik namens MultiMAP (Multiplexed-alignment of Molecular and Activity Phenotypes), um die Neuronen und Schaltkreise zu verfolgen und zu identifizieren, die während eines bestimmten Gehirnzustands aktiviert werden. Mit dieser Technik verfolgten die Forscher die Aktivität von Zehntausenden von Zebrafisch-Gehirnzellen, während die Fische einem Reiz ausgesetzt waren, der ein sich näherndes Raubtier imitierte. Sie maßen die Wachsamkeit, indem sie maßen, wie lange die Fische brauchten, um als Reaktion auf den bedrohlichen Reiz mit dem Schwanz zu wedeln.

Eine molekulare Analyse ermittelte mehrere verschiedene Zelltypen, die aktiviert wurden, wenn die Fische besonders wachsam und reaktionsfreudig waren. Dazu gehörten Neuronen, die chemische Botenstoffe freisetzen, die die Aktivität anderer Gehirnzellen verändern. Sie bestätigten die Ergebnisse früherer Studien und identifizierten Neuronen, die Noradrenalin ausschütten und bei Wachsamkeit aktiv sind. Außerdem konnten sie mit ihrer Technik andere Zelltypen identifizieren, von denen bisher nicht bekannt war, dass sie an der Wachsamkeit beteiligt sind, darunter Acetylcholin-, Serotonin-, Dopamin- und Peptid-absondernde Neuronen.

Die Forscher suchten im Mäusegehirn nach diesen Gruppen von Gehirnzellen. Sie fanden heraus, dass es bei Mäusen ähnliche Zelltypen und Schaltkreise gibt, die die Wachsamkeit regulieren. Die Aktivierung bestimmter Schaltkreise mit Hilfe der Optogenetik, bei der bestimmte Neuronen durch Licht aktiviert oder gehemmt werden, führte dazu, dass die Mäuse aufmerksamer wurden oder ihre Reaktionszeiten verkürzten.

„Schief gelaufene Wachsamkeit kennzeichnet Zustände wie Manie, posttraumatische Belastungsstörung und Depression“, sagt NIMH-Direktor Dr. Joshua Gordon. „Die Kenntnis der molekularen Akteure eines Verhaltens – wie es dieses neue Instrument verspricht – könnte eines Tages zu klinischen Interventionen führen, die auf dysfunktionale Zustände des Gehirns abzielen“

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