Pupillengröße Was lässt unsere Augen groß werden?

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Wenn wir mal wieder große Augen machen, ist nicht nur ein Mangel an Licht dafür verantwortlich, sondern auch ein eigenes Neuronen-Netzwerk mit dem Botenstoff Orexin. Dessen wichtige Rolle beim Einstellen der Pupillengröße haben nun Forscher der ETH Zürich aufgedeckt.

„Aber Großmutter, warum hast du so große Augen?“ fragt Rotkäppchen im gleichnamigen Märchen der Gebrüder Grimm. Und auch, wenn es damals noch niemand wusste, lautet die wissenschaftliche Antwort auf diese Frage: „Weil meine Orexin-Neurone feuern.“ Denn wie Forscher der ETH-Zürich nun herausgefunden haben, ist der Botenstoff Orexin mitverantwortlich, die Pupillengröße zu regulieren.

„Der Effekt war so stark, wir wussten sofort, dass wir etwas Bedeutendem auf die Spur gekommen sind“, blickt Nikola Grujic auf die Entdeckung zurück. Der Postdoc am Labor für Neurobehavioural Dynamics der ETH Zürich hatte sich in einer Serie von ersten Versuchen bei Mäusen mit den so genannten Orexin-Neuronen vertraut gemacht und dabei beobachtet, wie eine Stimulation der Nervenzellen zu einer auffälligen Erweiterung der Pupillen führte. „Häufig sind die Effekte von Neuronen-Stimulationen im Grundrauschen der Messdaten versteckt und wir müssen sie aufwändig herausfiltern, um sie zu erkennen. Hier war das anders. Der Effekt war offensichtlich“, sagt er.

Die 1998 erstmals beschriebenen Orexin-Neuronen führen vom Hypothalamus in alle anderen Hirnregionen einschließlich denjenigen, welche das Bewusstsein steuern sowie die Körperfunktionen, die nicht willentlich beeinflusst werden können. So sind diese Neuronen unter anderem in die Regulierung des Schlaf-Wach-Rhythmus, der Aufmerksamkeit, des Belohnungssystems, des Appetits und des Energieverbrauchs involviert.

Diagnostik

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Wer hat da Sagen bei der Pupillengröße?

Wie Grujics Messungen zeigen, beeinflussen die Orexin-Neuronen auch direkt ein zentrales Merkmal des emotionalen Zustands: Pupillen reagieren nämlich nicht nur auf Lichtreize mit einer Veränderung der Größe, sondern auch auf mentale Beanspruchungen und auf emotionale Eindrücke. Der Volksmund nennt sie treffend das Fenster zur Seele, und sowohl Medizin als auch Psychologie nutzen die Pupillenweite bei Menschen routinemäßig als Messgröße für Aufmerksamkeit und andere unbewusst gesteuerte Funktionen des Organismus.

Als hauptverantwortlich für die Steuerung der Pupillengröße galt bisher neben dem Licht vor allem das als Stresshormon bekannte Noradrenalin mit seinem Rezeptorsystem. Die ETH-Wissenschaftler haben nun gezeigt, dass diese Rolle vielmehr dem Neurotransmitter Orexin und seinem Rezeptorsystem zukommen dürfte. Die Noradrenalin-Neuronen können nämlich den normalen Pupillenzustand ohne die Orexin-Nervenzellen nicht aufrechterhalten. Ist das Orexin-System ausgeschaltet, verbleiben die Pupillen in einem verengten Zustand. „Die Noradrenalin-Neuronen sind quasi die Sklaven der Orexin-Neuronen“, bringt der ETH-Professor Denis Burdakov die Abhängigkeitsverhältnisse überspitzt auf den Punkt.

Chance auf einfachere Diagnose von Narkolepsie

In ihren Experimenten wiesen die Forschenden außerdem eine dosisabhängige Beziehung zwischen der Aktivität der Nervenzellen und dem Pupillendurchmesser nach. „Die Pupillen zeigen uns genau, wie aktiv die Orexin-Neuronen im Hypothalamus sind“, sagt Burdakov.

Damit erhalten nicht nur Hirnforschende eine neue Messmöglichkeit für die Orexin-Aktivität. Auch in der Medizin ergeben sich dadurch neue Ansatzpunkte. Schon länger bekannt ist der Zusammenhang zwischen einer Störung der Orexin-Regulation und der Narkolepsie, der Schlafkrankheit. Dazu kommen neuerdings aber auch beobachtete Zusammenhänge mit weiteren neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer, Schlaganfällen und dem angeborenen Prader-Willi-Syndrom. Bei letzterem führt eine Fehlfunktion des Zwischenhirns, zu dem auch der Hypothalamus gehört, zu schweren körperlichen, kognitiven und Stoffwechsel-Symptomen.

Allen vier Krankheitsbildern gemeinsam ist das Auftreten einer Schlafstörung. Über Untersuchungen der Pupillengröße könnte künftig der Orexin-Einfluss auf diese Krankheiten genauer erforscht und vielleicht auch die Diagnose vereinfacht und verbessert werden, vermutet Burdakov. Um Narkolepsie zu diagnostizieren, ist heute noch ein chirurgischer Eingriff in Form einer Wirbelkanalpunktion notwendig.

Augengesundheit

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Das Bewusstsein im Gleichgewicht

Als Neurowissenschaftler sieht Grujic seine Entdeckung aber vor allem als Schlüssel zu einem besseren Verständnis der Regulation von zentralen Funktionen unseres Bewusstseins. „Das Gleichgewicht zwischen aufmerksamer Konzentration auf Bekanntes und dem forschenden Umherschweifen der Gedanken ist zentral für unsere Fähigkeit, uns an neue Situationen anzupassen“, erklärt der ETH-Forscher. Die Häufigkeit und Vielfalt der heute diagnostizierten Aufmerksamkeitsstörungen zeigten, wie diffizil die Steuerung dieses Gleichgewichts sei.

Spezielle Neuronen für einzelne Steuer-Aufgaben

Die Forschungsgruppe von Burdakov bestimmte innerhalb der Orexin-Neuronen Untergruppen, die in unterschiedliche neurale Funktionen und damit in unterschiedliche Komponenten dieses Gleichgewichts involviert sind. Dafür haben die Wissenschaftler die Reaktion einzelner Orexin-Neuronen von Mäusen mithilfe einer speziellen Form der Fluoreszenzmikroskopie verfolgt, und mit der Veränderung der Pupillenweite verglichen. Mit der so genannten Zwei-Photonen-Mikroskopie lassen sich die Aktivitäten einzelner Zellen im Inneren des Gehirns beobachten.

So fanden die Forschenden unter anderem Neuronen, deren Aktivität positiv mit der Pupillengröße und damit mit dem Erregungszustand der Maus korrelierte und solche, deren Aktivität negativ korrelierte. Dazu kamen Zellen, die sowohl die Pupillengröße beeinflussten als auch auf Belohnungen reagierten, während andere nur mit einem der zwei Faktoren in Beziehung standen.

Übergeordnete Steuerung unseres Bewusstseins

Diese Identifikation von spezialisierten Untergruppen innerhalb der Orexin-Neuronen liefert einen ersten Einblick in die Art und Weise, wie diese für unser Bewusstsein zentralen Funktionen im Gehirn verdrahtet sind. Orexin ist mit seinem Einfluss auf viele unterschiedliche Verhaltenszustände – von der Aufmerksamkeit über den Schlaf-Wach-Zustand bis hin zur Belohnung, dem Appetit und dem Energieverbrauch – zudem ein guter Kandidat für deren übergeordnete Steuerung, wie Grujic sagt.

Die Ergebnisse der ETH-Wissenschaftler haben die Tür zu vielen weiteren Forschungsfragen aufgestoßen, etwa zur Identifikation von weiteren Neuronen-Untergruppen oder zu deren Zusammenspiel untereinander und mit den Serotonin- und Noradrenalin-Systemen. Die Forschenden gehen davon aus, dass die Beantwortung dieser Fragen nicht nur zu einem wesentlich detaillierteren Verständnis der Steuerung unserer Vitalfunktionen führen wird. In der Folge dürften auch die Diagnostik und Therapie der Aufmerksamkeits- und Schlafstörungen und der mit ihnen zusammenhängenden Krankheiten profitieren. Und das sind, wie die Beispiele Alzheimer und Schlaganfälle nahelegen, mehr als man auf den ersten Blick meinen könnte.

Originalpublikation: Grujic, N., Tesmer, A., Bracey, E. et al. Control and coding of pupil size by hypothalamic orexin neurons, Nat Neurosci 26, 1160–1164 (2023); DOI: 0.1038/s41593-023-01365-w

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