Mysterium Wärmeempfinden Von kalten Füßen und heißen Pfoten – wie das Gehirn Temperatur erkennt

Der Mensch ist ein wandelnder Temperatursensor. Schon Änderungen von nur einem Grad können wir über Nervenzellen in der Haut wahrnehmen. Dass es dabei nicht, wie lange angenommen, reine Wärme- und reine Kälterezeptoren gibt, legt nun eine Studie von Forschern des MCD nahe, in welcher die Pfoten von Mäusen auf ihr Wärmeempfinden untersucht wurden.

Berlin – Ob die Hand an der Teetasse oder der Fuß auf dem Fliesenboden: Nervenzellen in unserer Haut geben uns ein schnelles Feedback über die Temperatur. Neurowissenschaftler des Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) haben nun bei der Analyse des Wärmeempfindens von Mäusen eine überraschende Entdeckung gemacht: Die Kälterezeptoren in der Haut scheinen beim Wärmeempfinden eine entscheidende Rolle zu spielen.

„Wenn wir eine Tasse Kaffee mit den Händen greifen und augenblicklich deren Wärme spüren, geschieht dies nicht nur unter Beteiligung von Nervenzellen, die durch Wärme aktiviert werden, sondern auch durch solche, die durch Wärme deaktiviert werden“, sagt Ricardo Paricio-Montesinos, Co-Erstautor und Neurowissenschaftler am MDC. „Ohne diesen zweiten Nervenzellentyp würden wir entweder viel länger brauchen, bis wir die Wärme spüren, oder wir würden die Wärme überhaupt nicht wahrnehmen. Das haben unsere Daten aus Versuchen mit Mäusen ergeben.“

Wahrnehmung von 1 °C Unterschied

Schon seit Ende des 18. Jahrhunderts ging die Neurowissenschaft davon aus, dass spezielle Signalwege oder „Labeled Lines“ entweder nur Wärmereize oder nur Kältereize von der Haut zum Gehirn weiterleiten. Obwohl bei Menschen und Primaten einiges dafür sprach, konnte aber kein stichhaltiger Nachweis erbracht werden.

Zusammen mit seinem Team am MDC untersuchte Professor Gary Lewin deshalb die Fähigkeit von Mäusen, leichte Temperaturveränderungen wahrzunehmen. In verschiedenen Verhaltensstudien entdeckten die Forscher, dass Mäuse ein ähnlich gut entwickeltes Temperaturempfinden haben wie Menschen. So begannen die Versuchstiere, bei einer Erwärmung ihrer Tatzen um 1 °C und bei einer Abkühlung um 0,5 °C an einem Wasserspender zu lecken. „Erstmals konnten wir beweisen, dass Mäuse Wärme und Kälte grundsätzlich genauso wahrnehmen wie wir“, berichtet Forschungsgruppenleiter Lewin. „Die Schwellenwerte sind mit denen des Menschen identisch.“

Regulation der Zellmembran

Temperatursensor von Zellen in neuem Licht

Ohne Kälterezeptor kein Wärmeempfinden

In weiteren Versuchen blockierten die Forscher gezielt jene neuronalen Signalwege, die bisher mit dem Wärmeempfinden in Verbindung gebracht wurden.Trotz ausgeschalteter „Wärmeneuronen“ begannen die Mäuse aber bei einer Temperaturerhöhung um 2 °C am Wasserspender zu lecken. Die Wahrnehmung war also reduziert, aber nicht völlig ausgeschaltet. Daraus lässt sich schließen, dass diese untersuchten Signalwege für das Wärmeempfinden zwar hilfreich, jedoch nicht zwingend erforderlich sind. Anders fiel das Testergebnis aus, als die Forscher die mit Abkühlung assoziierten Signalwege durch Ausschalten des Gens trmp8 blockierten. Dann nahmen die Mäuse nämlich überhaupt keine Wärme mehr wahr.

Bei näherer Analyse der Nervenzellen in der Vorderpfote fielen den Forschern zwei Dinge auf: Erstens gab es keine Nervenzellen, die ausschließlich auf Erwärmung reagierten. Stattdessen sendeten die meisten Nervenzellen ein elektrisches Signal infolge von Temperaturreizen im Allgemeinen sowie infolge von stumpfen Druckreizen. „Woran erkennt dann das Nervensystem, ob die Nervenzelle durch Wärme, Kälte oder mechanischer Einwirkung aktiviert wurde“, fragt Lewin. Die Antwort liegt in der zweiten Entdeckung, die das Team gemacht hat: einer Gruppe von Nervenzellen, die bei einer Normaltemperatur in der Vorderpfote von 27 °C ständig Signale sendet. Sie sind aber indirekt Kältesensoren, denn wenn die Temperatur steigt, fahren diese Zellen ihre Aktivität herunter. Und genau hier liegt der Schlüssel zur Antwort.

Aktivitätsmuster signalisiert Temperatur im Gehirn

Das Team geht davon aus, dass die Maus Wärme erkennen kann, weil eine andere Gruppe von Nervenzellen ihre Aktivität erhöht, während die Nervenzellen für Kälte ihre Aktivität verringern. Daraus folgen zwei Signale in entgegengesetzter Richtung, die ein Muster erzeugen, das dem Gehirn „Wärme“ vermittelt. Anders ist es bei einer Abkühlung: Hier ist die Aktivität bei allen Nervenzellen erhöht, sodass ein gleich gerichtetes Muster entsteht. „Durch den Einsatz zweier Gruppen von Nervenzellen kann die Maus viel leichter eindeutig feststellen, ob die Temperatur steigt oder sinkt“, fasst Lewin zusammen.

Als die Signalwege für Abkühlung blockiert wurden, blieben die Kältezellen still und sendeten keine Signale an das Gehirn. Aufgrund des nun ausbleibenden entgegengesetzten Signalmusters konnten die Mäuse keine Wärme wahrnehmen, so die Schlussfolgerung der Forscher.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Sinneswahrnehmung der Maus Rückschlüsse auf den Menschen zulässt. Schließlich verfügt der Mensch über dieselben Rezeptoren und Nerven, die Informationen von der Haut zum Rückenmark und zum Gehirn weiterleiten. Um ein identisches Muster beim Menschen nachzuweisen und herauszufinden, wo und ob die Signale im Gehirn oder Rückenmark verglichen werden, sind weitere Studien erforderlich.

Originalpublikation: Ricardo Paricio-Montesinos et al.: The sensory coding of warm perception, Neuron (2020); DOI: 10.1016/j.neuron.2020.02.035

* L. Petersen, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC), 13125 Berlin

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