Hirnforschung Mit Lichtblitzen das Gehirn verjüngen

Stroboskop-Licht und Ketamine. Was wie eine ausufernde Party klingt, ist das Forschungsfeld eines Teams vom Institute of Science and Technology Austria. Die Wissenschaftler haben gezeigt, dass diese Behandlungen im Mäusegehirn wie eine Verjüngungskur wirken. Für den Menschen haben diese Methoden das Potenzial, Traumata zu therapieren.

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Institute of Science and Technology

Klosterneuburg/Österreich – Können Sie sich an den Duft der Blumen im Garten Ihrer Großmutter erinnern oder an die Melodie, die Ihr Opa immer gepfiffen hat? Manche Kindheitserinnerungen sind scheinbar fest im Gehirn verankert. Tatsächlich gibt es kritische Zeiträume, in denen das Gehirn tiefgreifende kognitive Routinen erlernt. Das so genannte perineuronale Netz ist die Struktur, die diese Erinnerungen speichert.

Diese extrazelluläre Struktur umhüllt bestimmte Neuronen und stabilisiert dadurch bestehende Verbindungen zwischen ihnen. Sie verhindert auch, dass sich neue Verbindungen (Synapsen) bilden. Was aber, wenn man das perineuronale Netz entfernen und die Anpassungsfähigkeit eines jungen Gehirns wiederherstellen könnte? Die Neurowissenschaftlerin Sandra Siegert und ihre Forschungsgruppe am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) haben zwei vielversprechende Techniken untersucht, um dies zu erreichen.

Narkosemittel als Verjüngungskur fürs Gehirn?

Bereits vor vier Jahren hatten die Forscher so genannte Mikrogliazellen von Mäusen studiert. Mikroglia werden typischerweise als Immunzellen des Gehirns betrachtet. Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass sie auch mit den Neuronen direkt interagieren. Wenn die Wissenschaftler die Mäuse mit dem Medikament Ketamin betäubt hatten, zeigte sich eine erhöhte Reaktivität der Mikrogliazellen. Die reaktiven Mikroglia haben die Fähigkeit, Synapsen und sogar ganze Neuronen zu fressen, was häufig in den späten Phasen der Alzheimer-Krankheit auftritt.

„Die starke Reaktion der Mikroglia auf die Ketamin-Narkose hat uns überrascht“, sagt Alessandro Venturino, Erstautor der Studie. „Aber wir haben keine Synapsen oder tote Neuronen verschwinden sehen. Wir haben uns daher gefragt, was die Mikroglia eigentlich fressen.“ Es stellte sich heraus, dass die Mikroglia das perineuronale Netz fraßen. Wenn die Schutzschicht der Synapsen entfernt ist, können sich Verbindungen zwischen den Neuronen leichter lösen und neu aufbauen – ähnlich wie im jungen und lernfähigen Gehirn eines Kindes.

„Nach nur drei Behandlungen mit Ketamin konnten wir einen erheblichen Verlust des perineuronalen Netzes feststellen, der sieben Tage lang anhielt, bevor es wieder aufgebaut wurde“, sagt Siegert. Ketamin ist ein wichtiges Medikament für die Chirurgie und seit kurzem auch für die Behandlung psychiatrischer Symptome zugelassen. Das Betäubungsmittel ist aber nicht die einzige Möglichkeit, die Neuronen wieder lernfähiger zu machen.

Lichtblitze gegen starre Denkstrukturen

Neuronen kommunizieren, indem sie sich gegenseitig elektrische Impulse zusenden. Diese sind koordiniert, sodass sie Wellen aus Signalen erzeugen, auch Hirnwellen genannt. Diese Wellen können durch äußere Sinneseindrücke beeinflusst werden, z. B. durch Licht, das in die Augen scheint. Manche Menschen reagieren besonders empfindlich auf Lichtflackern und können dadurch sogar epileptische Anfälle erleiden (photosensitive Epilepsie). Aber auch andere Effekte sind bekannt, wie der IST-Forscher Venturino erklärt: „Es wurde bereits gezeigt, dass Licht, das 40 Mal pro Sekunde – also mit 40 Hertz – flackert, die Mikroglia dazu anregen kann, Plaques zu entfernen, die durch die Alzheimer-Krankheit entstehen. Aber das perineuronale Netz wurde davon nicht angegriffen.“ Als die Wissenschaftler dann aber Mäuse in eine Box setzten, in der das Licht 60 Mal pro Sekunde flackerte, hatte das einen ähnlichen Effekt wie die Ketamin-Behandlungen: Das schützende perineuronale Netz um die Synapsen wurde abgebaut.

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Keine Intelligenz-Booster

Bisher etablierte Strategien, um das perineuronale Netz zu entfernen, sind langwierig und invasiv. Die hochdosierte Ketaminbehandlung sowie das 60-Hertz-Lichtflimmern stellen minimalinvasiv Alternativen dar. Sie könnten daher neue Therapieansätze am Menschen eröffnen.

Ist die Blockade des perineuronalen Netzes im Gehirn abgebaut, sind die Neuronen wieder empfänglich für neuen Input und neue Synapsen können gebildet werden. „Es ist aber nicht so, dass man einfach Ketamin einnimmt und dadurch klug wird“, betont Venturino. Indem man die Plastizität des Gehirns wiederherstellt, könnte man aber womöglich traumatische Erfahrungen überschreiben und posttraumatische Belastungsstörungen behandeln. „Wir sind allerdings sehr vorsichtig, denn in diesem prägenden Fenster könnte auch etwas Traumatisches passieren“, warnt Siegert. „Es ist wahrscheinlich auch keine gute Idee, sich selbst mit flackerndem Licht zu behandeln.“

Es gibt verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für diese Behandlungen – eine davon ist eine besondere Sehstörung mit der Bezeichnung Amblyopie. Sie wird durch einen unausgewogenen visuellen Input während der kindlichen Entwicklung verursacht und führt unbehandelt zu einem dauerhaften Verlust des Sehvermögens. Ein weiteres Thema, dem die Forscher nachgehen wollen, sind die molekularen Mechanismen hinter ihrer Entdeckung. Wie die Prozesse im Detail ablaufen und inwieweit die Resultate aus dem Mausexperiment auch auf den Menschen übertragbar sind, muss noch näher untersucht werden.

Originalpublikation: Venturino, Schulz, De Jesús-Cortés, Maes, Nagy, Reilly-Andújar, Colombo, Cubero, Schoot Uiterkamp, Bear, Siegert: Microglia enable mature perineuronal nets disassembly upon anesthetic ketamine exposure or 60-Hz light entrainment in the healthy brain, Cell Reports, 2021, DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109313

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