Wissenschaftler können dem Gehirn beim Verstummen in Echtzeit zusehen – und das ist bedeutsamer als es klingt
Ein neuer Fluoreszenzsensor ermöglicht es erstmals, die Ausschüttung von GABA – dem wichtigsten Bremssignal des Gehirns – bei frei beweglichen Tieren zu verfolgen. Der technische Fortschritt hat unmittelbare Bedeutung für das Verständnis des alternden Gehirns und seiner Fehlfunktionen.
Das Gehirn ist nicht nur ein Organ der Aktivität. Für jedes Neuron, das ein Signal abfeuert, werden andere dazu angehalten, langsamer zu werden oder ganz innezuhalten. Die chemische Substanz, die den größten Teil dieser Bremsarbeit leistet, ist GABA, Gamma-Aminobuttersäure, der wichtigste hemmende Neurotransmitter des Gehirns. GABA hält neuronale Schaltkreise im Gleichgewicht und verhindert jene unkontrollierte Überaktivierung, wie sie etwa bei Epilepsie auftritt. Störungen im GABA-System stehen in Verbindung mit Angststörungen, Schlafproblemen und – für die Altersforschung besonders relevant – dem schleichenden kognitiven Abbau, der mit dem Älterwerden einhergeht.
Eine in eLife veröffentlichte Studie stellt einen Fluoreszenzsensor vor, der es erstmals ermöglicht, die GABA-Ausschüttung bei Tieren zu messen, die sich frei bewegen, laufen, schlafen oder ihre Umgebung erkunden. Diese Besonderheit ist folgenreicher, als sie auf den ersten Blick erscheint. Bisherige Methoden zur Messung von Neurotransmittern im Gehirn setzten voraus, dass die Tiere narkotisiert oder körperlich fixiert waren. Unter normalen Bedingungen funktioniert das Gehirn jedoch nicht so. Der neue Sensor ist darauf ausgelegt, unter natürlichen Verhaltensbedingungen zu arbeiten.
Das alternde Gehirn und seine versagenden Bremsen
Mit zunehmendem Alter verändert sich die GABA-Signalübertragung. Studien an Menschen und Tiermodellen zeigen, dass die Hemmfunktion in älteren Gehirnen nachlässt und das Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung verschoben wird. Diese Verschiebung ist mit schlechterer Schlafqualität, eingeschränktem Lern- und Erinnerungsvermögen sowie einer erhöhten Anfälligkeit für neurodegenerative Prozesse verbunden. Bei der Alzheimer-Krankheit treten Funktionsstörungen in GABA-Schaltkreisen offenbar früh auf – möglicherweise noch bevor sich die Amyloid-Plaques ansammeln, die die Erkrankung pathologisch definieren.
Diese Veränderungen in einem lebenden, sich verhaltenden Tier zu verfolgen war bislang außerordentlich schwierig. Der neue Sensor ändert das. Forschende können nun präzise messen, wann, wo und in welcher Menge GABA während bestimmter Verhaltensweisen – Schlaf, Stress, Lernen – freigesetzt wird, und diese Muster zwischen jungen und alten Tieren vergleichen. Solche Echtzeit-Daten mit direktem Verhaltensbezug waren bisher schlicht nicht verfügbar.
Fragen, die der Sensor erst möglich macht
Der Sensor erlaubt nicht nur die Überprüfung bereits bestehender Annahmen, sondern eröffnet auch grundlegend neue Fragestellungen. Was passiert mit den GABA-Mustern in den frühesten Stadien der Neurodegeneration, noch bevor Symptome auftreten? Könnten Veränderungen in der hemmenden Signalübertragung als früher Biomarker für die Gehirnalterung dienen? Und wenn GABA-Defizite zum kognitiven Abbau beitragen – gibt es einen Weg, das Gleichgewicht wiederherzustellen, etwa durch Pharmakologie, Verhaltensinterventionen oder nicht-invasive Hirnstimulation?
Das sind Fragen, noch keine Antworten. Doch der Sensor gibt Forschenden ein Fenster in eine Dimension der Gehirnfunktion, die bislang weitgehend unsichtbar war. Ob die Erkenntnisse, die dort gewonnen werden, letztlich in klinische Anwendungen bei altersbedingtem kognitivem Abbau münden, bleibt abzuwarten.