Blicke ins Nervensystem

Wie funktioniert das Gehirn?

Schnelle Leitung von Nervenimpulsen

Nervenstränge, die vom Bauchmark einer Taufliege, dem Pendant zum menschlichen Rückenmark, zu den Beinen führen. Dargestellt sind Natriumkanalproteine (grün) in den langen Fortsätzen der Nervenzellen, die Reize weiterleiten. Pink leuchten die Zellkerne von Gliazellen. / Konfokale Fluoreszenzmikroskopie

Ein Netzwerk aus Nervenzellen durchzieht den Körper von Menschen und Tieren. In Form von elektrischen Impulsen übertragen die Nerven Signale von den Sinnesorganen zum Gehirn und vom Gehirn und Rückenmark in den ganzen Körper. Über einen langen Zellfortsatz, das Axon, leiten Nervenzellen die Impulse weiter. Dabei öffnen sich Kanäle in der Membran der Axone. Geladene Teilchen, die Natrium- und Kaliumionen, strömen durch diese Kanäle und verteilen sich um. Dadurch ändert sich die Spannung und es entsteht ein elektrischer Impuls. Die Verteilung der Kanäle bestimmt die Geschwindigkeit der Signalweiterleitung. Gliazellen unterstützen die Arbeit der Nervenzellen. Sie bilden eine isolierende Schicht um die Axone, die Voraussetzung für eine schnelle und präzise Reizweiterleitung ist.

Wir haben gezeigt, dass die Ionenkanäle an den Axonen bei der Taufliege nicht so gleichmäßig verteilt sind wie immer angenommen. Am Anfang vieler Axone befindet sich – wie beim Menschen – eine sehr große Menge an Ionenkanälen. Dort entscheidet sich, ob ein Impuls generiert wird. Auch im weiteren Verlauf der Axone sind die Ionenkanäle in Clustern angeordnet. Wir konnten zeigen, dass die Gliazellen sowohl die Menge als auch die Verteilung der Kanäle regulieren, und dass sie eine Myelin-ähnliche Isolierschicht bilden. Dies legt nah, dass im Nervensystem der Taufliege eine „saltatorische Reizweiterleitung“ möglich sein könnte, die bislang als spezifisch für Wirbeltiere angesehen wurde – dabei „springen“ die elektrischen Nervenimpulse sehr schnell von Ionenkanalcluster zu Ionenkanalcluster. Aufgrund dieser Ähnlichkeiten könnte die Taufliege als Modell dienen, die Myelin-Bildung und -Regeneration genauer zu erforschen. Dies ist mit Blick auf Erkrankungen wie die Multiple Sklerose von Bedeutung, bei der die Myelinschicht der Nervenzellen geschädigt wird.

Henrike Ohm und Christian Klämbt
Institut für Neuro- und Verhaltensbiologie, Uni Münster

• Rey S, Ohm H, Moschref F, Zeuschner D, Praetz M, Klämbt C. Glial-dependent clustering of voltage-gated ion channels in Drosophila precedes myelin formation. eLife. 2023. DOI: 10.7554/eLife.85752

Ein Feuerwerk aus Nervenzellen

Im Labor

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Sehzellen (pink) im Facettenauge einer Taufliege. Grün leuchtet ein Protein, das an der Taktung der inneren Uhr beteiligt ist. / Konfokale Fluoreszenzmikroskopie

Menschen, Tiere, Pflanzen und einzellige Organismen besitzen einen inneren Rhythmus, der durch das Gehirn getaktet wird. Er dauert etwa 24 Stunden und steuert periodisch viele Prozesse im Körper und das Verhalten – beispielsweise den Schlaf-Wach-Rhythmus. Über Faktoren wie Licht und Temperatur passen Organismen ihre innere Uhr dem äußeren Tag-Nacht-Rhythmus an. Wenn wir zum Beispiel nachts vor dem Bildschirm sitzen, suggeriert das Licht dem Gehirn, es sei Tag, und unsere innere Uhr gerät aus dem Takt. Solche Prozesse untersuchen wir bei der Taufliege. Sie funktionieren beim Menschen erstaunlich ähnlich und werden durch verschiedene „Uhr-Gene“ gesteuert. Bei der Taufliege kodiert eines der Gene, das für die Weiterleitung von Lichtsignalen an die innere Uhr wichtig ist, das Protein „Quasimodo“. Dieses Protein löst im Gehirn eine Kette von molekularen Prozessen aus, die die innere Uhr nach dem äußeren Tag-Nacht-Rhythmus stellen. Um diese Signalkette besser zu verstehen, haben wir hier untersucht, wo genau dieses Protein im Auge der Fliege zu finden ist.

Das Facettenauge der Fruchtfliege besteht aus 800 Einzelaugen – auf dem Bild zu sehen sind ungefähr 50. Jedes dieser Augen enthält 19 Zellen, von denen einige an die Form von Stäbchen und Zapfen beim Menschen erinnern. Diese spezialisierten Sinneszellen – die Fotorezeptorzellen – wandeln Lichtreize in elektrische Erregungen um und tragen so dazu bei, die innere Uhr mit dem täglichen Licht-Dunkel-Wechsel zu synchronisieren. Hier zu sehen ist einer von acht Typen der Fotorezeptorzellen („R8“, stäbchenförmig in pink). Das Protein Quasimodo (grün) kommt in Zellen vor, die sich oberhalb der Fotorezeptorzellen befinden und die Linse der Einzelaugen formen. Besonders interessant für uns ist das Hofbauer-Buchner-Äuglein (rundlich in pink): Diese vier Zellen leiten Lichtreize auf direktem Weg zu spezialisierten Schrittmacher-Uhrneuronen im Gehirn.

Maite Ogueta und Ralf Stanewsky
Institut für Neuro- und Verhaltensbiologie, Uni Münster

• Buhl E, Bradlaugh A, Ogueta M, Chen KF, Stanewsky R, Hodge JJ. Quasimodo mediates daily and acute light effects on Drosophila clock neuron excitability. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016; 113(47): 13486-13491. DOI: 10.1073/pnas.1606547113

Nervenfasern sichtbar machen

Im Labor

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Nervenfasern im Gehirn einer Maus nach einem Schlaganfall. In der rechten Hirnhälfte sind gesunde Nervenfasern dargestellt (golden). In der linken Hirnhälfte haben wir das Corpus callosum (auch bekannt als „Balken“, lila) am Computer abgegrenzt und mit der Hirnanatomie (grau) hinterlegt. Das Corpus callosum verbindet die beiden Hirnhälften. Durch den Schlaganfall ist Gewebe geschädigt worden und in den Faserstrukturen eine Lücke entstanden. / 3D-Darstellung mittels diffusionsgewichteter Magnetresonanztomographie (MRT)

Das Gehirn von Mäusen und Menschen lässt sich mit der MRT sehr gut untersuchen. Um Bilder zu erstellen, erzeugt die MRT starke Magnetfelder, auf die die Wasserstoffatome in Wasser- und Fettmolekülen in unseren Körpergeweben reagieren („Magnetresonanz“). Die Anzahl und chemische Umgebung der Atomkerne unterscheidet sich je nach Gewebe und erzeugt so unterschiedliche Bildkontraste. Die hier gezeigte Aufnahmetechnik erfasst, wie sich die Wassermoleküle im Gehirn bewegen. Wassermoleküle sind nämlich ständig in zufälliger Bewegung – ein Phänomen, dass sich beobachten lässt, wenn Tee zieht, und sich Wasser und Tee-Teilchen selbständig vermischen (Diffusion). Im Gehirn diffundieren die Wassermoleküle entlang der Nervenfasern. Über ihre Bewegungsspuren können wir auf die Struktur und den Verlauf der Nervenfasern schließen.

An der Struktur des Corpus callosum lässt sich einschätzen, wie schwer die Verknüpfung zwischen beiden Hirnhälften beispielsweise durch einen Schlaganfall geschädigt wurde und wie gut die Genesung voranschreitet. Bei unserer Untersuchung ging es um die Frage, wie sich körperliche Betätigung und Ernährung bei Mäusen nach einem Schlaganfall auf die Hirnstrukturen auswirken. Die Nervenfasern des Corpus callosum verdichteten sich und veränderten ihre zelluläre Struktur. Die diffusionsgewichtete MRT ist klinisch etabliert und ermöglicht es, Nervenfasern auch bei Patientinnen und Patienten zu untersuchen. Die Forschungsarbeit dient hier als Grundlage für die spätere Entwicklung einer klinischen Routine. Die außergewöhnliche Auflösung und der Detailgrad der 3D-Strukturen sind aktuell erst bei Messzeiten von circa acht Stunden erreichbar. Dazu wurde das vom Schädelknochen umgebene Gehirn vor der Untersuchung entnommen. Die bei Mäusen gewonnenen Erkenntnisse gleichen wir jetzt in einer Pilotstudie mit Schlaganfallpatienten ab.

Bastian Maus
Klinik für Radiologie, Uni Münster
Die Studie ist ein gemeinsames Projekt mit Frederike Straeten und Antje Schmidt-Pogoda, Universitätsklinikum Münster, Klinik für Neurologie.

• Straeten FA, van Zyl S, Strecker JK, Maus B, Straeten T, Hoppen M, Schmeddes B, Fleck AK, Beuker C, Koecke M, Müller-Miny L, Faber C, Klotz L, Minnerup J, Schmidt-Pogoda A. A dietary intervention with conjugated linoleic acid enhances microstructural white matter reorganization in experimental stroke Original Research. Front Neurol. 2024; 15. DOI: 10.3389/fneur.2024.1341958
• Straeten FA, van Zyl S, Maus B, Bauer J, Raum H, Gross C, Bruchmann S, Landmeyer N, Faber C, Jens Minnerup J, Schmidt‑Pogoda A. EXERTION: a pilot trial on the effect of aerobic, smartwatch-controlled exercise on stroke recovery: effects on motor function, structural repair, cognition, mental well-being, and the immune system. Neurol Res Pract. 2023; 5: 18. DOI: 10.1186/s42466-023-00244-w

Hirnaktivität in Bildern darstellen

Aktive Bereiche (bunt dargestellte Signale) im Maushirn als Reaktion auf einen Schmerzreiz. Gezeigt wird der Mittelwert von zehn weiblichen Mäusen. Rot dargestellt ist ein Hirnareal, das bei allen Tieren aktiv ist. / Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) – zur Verortung dahinter gelegt ist eine anatomische MRT-Darstellung eines typischen Maushirns (grau).

Verschiedene Bereiche unseres Gehirns arbeiten auf eine ganz bestimmte Weise zusammen. Diese Hirnnetzwerke untersuchen wir bei Mäusen mithilfe der funktionellen MRT. Dort, wo das Gehirn aktiv ist, benötigt es besonders viel Sauerstoff – das bedeutet, dort verändern sich der Blutfluss, das Blutvolumen und damit die Sauerstoffversorgung. Diese hämodynamische Antwort auf die Aktivität des Nervensystems können wir mit der fMRT im zeitlichen Verlauf sichtbar machen. Da die gleiche Bildgebung auch bei Menschen eingesetzt werden kann, ist das Potenzial groß, dass sich Erkenntnisse bei Mäusen für klinische Anwendungen nutzbar machen lassen. Wir untersuchen beispielsweise Formen der Epilepsie und verschiedene Arten von Schmerz. Wenn wir die Hirnaktivität unter solchen Bedingungen besser verstehen, kann dies dazu beitragen, Diagnosen und Therapien zu verfeinern.

Hinter dem hier gezeigten Bild steht die klinische Beobachtung, dass Frauen nach einer Operation ein größeres Risiko haben, chronische Schmerzen zu entwickeln, als Männer. Wir untersuchen, welche Mechanismen dahinterstecken. Hier haben wir bei weiblichen und männlichen Mäusen die Hirnaktivität gemessen, während wir an einer Hinterpfote durch Berührung Reize setzten. Auf diese Weise untersuchten wir die Überempfindlichkeit nach einer durch einen Hautschnitt simulierten Operation. Während der Untersuchung liegen die Mäuse in Narkose. Um Messungen verschiedener Tiere miteinander vergleichen zu können, ordnen wir die entstehenden Daten zunächst einem Referenzbild zu. Dann berechnen wir, wie die Reize und die Aktivität verschiedener Hirnareale im zeitlichen Verlauf zusammenspielen. Es zeigte sich, dass weibliche Mäuse unter gleichen Bedingungen der Schmerzverarbeitung eine stärkere Hirnaktivität haben als männliche Tiere – die höhere Empfindlichkeit lässt sich bei weiblichen Mäusen also objektiv messen. Auf dieser Grundlage können wir weiter untersuchen, durch welche Mechanismen Schmerz geschlechterspezifisch verarbeitet wird und wie verschiedene Medikamente helfen können. Der Reiz in der rechten Hinterpfote zeigt sich übrigens in der linken Hirnhälfte, da die Körperhälften bei Tieren und Menschen mit der jeweils gegenüberliegenden Hirnhälfte gekoppelt sind.

Bruno Pradier und Lydia Wachsmuth
Klinik für Radiologie, Uni Münster
Die Arbeiten zur Schmerzverarbeitung sind ein gemeinsames Projekt mit Esther Pogatzki-Zahn und Daniel Segelcke, Universitätsklinikum Münster, Klinik für Anästhesiologie, operative Intensivmedizin und Schmerztherapie.

• Chen HF, Lambers H, Nagelmann N, Sandbrink M, Segelke D, Pogatzki-Zahn E, Faber C, Pradier B. Generation of a whole-brain hemodynamic response function and sex-specific differences in cerebral processing of mechano-sensation in mice detected by BOLD fMRI. Front Neurosci. 2023; 17. DOI: 10.3389/fnins.2023.1187328