Yale-Studie: Wie sich Gehirnstruktur und -funktion beeinflussen lassen

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Torsten Lorenz, Beitrag vom 29. Juli 2022

Die Region des präfrontalen Kortex des menschlichen Gehirns ist für eine Reihe komplexer Funktionen verantwortlich, von der Entscheidungsfindung bis hin zu bestimmten Arten des Gedächtnisses.

Funktionsstörungen im präfrontalen Kortex

Eine Fehlfunktion in diesem Teil des Gehirns kann sich sehr nachteilig auf die Wahrnehmung und das Verhalten auswirken. Funktionsstörungen im präfrontalen Kortex werden mit mehreren psychiatrischen Erkrankungen in Verbindung gebracht, darunter Schizophrenie und schwere Depressionen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Yale und Forscher in Ungarn entdeckten, dass Zellen im Hypothalamus – einem Bereich des Gehirns, der Funktionen wie Hunger und Körpertemperatur steuert – eine wesentliche Rolle bei der Gestaltung der Struktur und Funktion des präfrontalen Kortex von Mäusen spielen.

Diese Entdeckung könnte Aufschluss darüber geben, wie dieser Bereich des Gehirns bei Krankheiten verändert wird, und neue Wege für die Behandlung eröffnen.

Steuerung von Hungergefühl, Essverhalten und anderen Verhaltensweisen

Im Mittelpunkt der Studie standen die Neuronen des Agouti-related Peptide (AgRP) im Hypothalamus des Gehirns. Diese Nervenzellen regulieren das Hungergefühl und steuern sowohl das Essverhalten als auch andere Verhaltensweisen, wie etwa das Streben nach Belohnung und die Bindung zwischen Eltern und Nachwuchs.

Nachdem die Forschenden die AgRP-Neuronen in Mäusen geschädigt hatten, beobachteten sie, dass es weniger Neuronen im präfrontalen Kortex gab als bei gesunden Tieren.

Die noch vorhandenen Neuronen waren kleiner als gewöhnlich und reagierten anders auf Signale des Körpers und auf Signale der umgebenden Zellen, berichtet Tamas Horvath, Professor für vergleichende Medizin in Yale und Hauptautor der Studie.

AgRP-Nervenzellen haben keine starken direkten Verbindungen zum Kortex. Allerdings projizieren sie in andere Gehirnregionen, die mit dem präfrontalen Kortex verbunden sind.

Überaktive Nervenzellen und mehr Dopamin

Die Forscher fanden heraus, dass die Neuronen in einem dieser Bereiche – einer Mittelhirnregion, die als ventraler tegmentaler Bereich bekannt ist – überaktiv waren, wenn die AgRP-Neuronen beeinträchtigt waren.

Durch diese überaktiven Nervenzellen wurde dann im präfrontalen Kortex mehr Dopamin, ein Neurotransmitter, freigesetzt als bei gesunden Mäusen üblich, wodurch wiederum das Verhalten der Mäuse negativ beeinflusst wurde.

Abnormales Schreckverhalten

Die Yale-Forscher beobachteten beispielsweise, dass sich die Mäuse viel mehr bewegten und ein abnormales Schreckverhalten zeigten.

Laut Horvath ist es logisch, dass diese Neuronen, die Hunger und Nahrungsaufnahme kontrollieren, den Kortex und das Verhalten beeinflussen.

Bei Hunger müssen alle Verhaltensweisen aufeinander abgestimmt sein, man muss Nahrung finden und sie nehmen können, erklärte Horvath. Und sobald der Hunger nachlässt, muss man sein Verhalten ändern, um sich auf das zu konzentrieren, was in diesem Moment wichtig ist.

Nach der Entdeckung der Auswirkungen beeinträchtigter AgRP-Zellen auf den Kortex versuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, diese Auswirkungen zu verhindern.

Lang anhaltende Auswirkungen

Dabei stellten sie fest, dass ein sogenanntes Antipsychotikum (C18H19ClN4), das die Wirkung von Dopamin blockiert und zur Behandlung von Schizophrenie eingesetzt wird, einige dieser Probleme, einschließlich des Neuronenverlusts, verhindern kann, wenn es zum richtigen Zeitpunkt verabreicht wird.

Laut Horvath kommt es bei diesen kortikalen Veränderungen auf den Zeitpunkt an. Bei der Studie begannen die Beeinträchtigungen während der Pubertät aufzutreten, wenn sich das Gehirn noch in der Entwicklung befindet und anfällig ist.

Das ist auch der Zeitpunkt, an dem sich die Verabreichung des Antipsychotikum (C18H19ClN4) auswirkte. Das bedeutet, dass, wenn man in diesem Zeitraum mit den homöostatischen Funktionen spielt, beispielsweise durch eine Diät oder übermäßiges Essen, dies lang anhaltende Auswirkungen auf die kortikalen Funktionen (der Großhirnrinde) haben kann, so der Yale-Forscher.

Neues Behandlungsziel

Der Stellenwert dieses Entwicklungsabschnitts könnte Aufschluss über psychiatrische Erkrankungen geben, die häufig in der späten Adoleszenz auftreten, und darüber, warum der Drogenkonsum in dieser Zeit langfristige Auswirkungen auf Verhalten, Physiologie und Krankheit haben kann.

Diese Erkenntnisse könnten auch ein neues Ziel für die Behandlung darstellen. AgRP-Zellen im Hypothalamus befinden sich außerhalb der Blut-Hirn-Schranke, die das Gehirn vor schädlichen Substanzen schützt und verhindert, dass viele Medikamente das Hirngewebe erreichen.

Das bedeutet Horvath zufolge, dass diese Zellen für eine gezielte Behandlung leicht zugänglich sind. Eventuell können sie genutzt werden, um Störungen in höheren Hirnregionen zu beeinflussen, so der Wissenschaftler.

Die vorliegenden Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Molecular Psychiatry veröffentlicht.

Quellen

  • Yale University
  • Bernardo Stutz et al, AgRP neurons control structure and function of the medial prefrontal cortex, Molecular Psychiatry (2022). DOI: 10.1038/s41380-022-01691-8

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