Luftverschmutzung und Stress verändern die Gehirnentwicklung und das Sozialverhalten von männlichen Mäusen

"Ich war schwanger, gestresst und arbeitete in der Nähe von Flugzeugen", erinnert sich Block. "Ich bin jeden Tag an den Abgasen von Flugzeugtreibstoff vorbeigelaufen. Und mein Kind entwickelte schließlich eine neurologische Entwicklungsstörung, einen Hydrocephalus."

Blocks Tochter gedeiht heute prächtig, ebenso wie Block, die jetzt Dr. Block heißt, nachdem sie an der Duke University in den Labors der Psychologie- und Neurowissenschaftsprofessorin Staci Bilbo, PhD, und des Zellbiologieprofessors Cagla Eroglu, PhD, ihren Doktortitel erworben hat. Blocks neue Veröffentlichung in der Ausgabe vom^2. August der Zeitschrift Cell Reports liefert jedoch überzeugende Beweise dafür, dass ihr Sohn, wenn er schwanger gewesen wäre, möglicherweise mit Autismus geboren worden wäre.

Luftverschmutzung, wie z. B. die Abgase von Dieselmotoren in Lastwagen, wird mit einem erhöhten Auftreten von neurologischen Entwicklungsstörungen wie Schizophrenie und Autismus in Verbindung gebracht. Während 99 % der Menschen auf der ganzen Welt in Städten mit ungesunder Luft leben, wird nur bei einem von 44 Kindern Autismus diagnostiziert (und zwar bei viermal mehr Jungen als Mädchen).

Warum erkranken dann nicht alle Menschen an Autismus?

"Umweltgifte sind für manche Menschen schlimmer als für andere, und es sind immer die am meisten gefährdeten Bevölkerungsgruppen, die betroffen sind", so Bilbo. Im Fall von Autismus und Luftverschmutzung glaubt Bilbo, dass das fehlende Bindeglied mütterlicher Stress ist, der aus Armut und unsicherer Wohnsituation resultiert.

"Es ist nicht so, dass wohlhabende Menschen nicht gestresst wären", sagte Bilbo. "Aber es ist etwas anderes, wenn man sich Sorgen machen muss, wo man wohnen wird und ob man in seinem Haus sicher ist.

Obwohl es überzeugende Daten von Menschen gibt, die Bilbos Behauptung stützen, ist es unmöglich (und unethisch), diese Ideen direkt an schwangeren Frauen zu testen, um den biologischen Mechanismus aufzudecken, durch den Luftverschmutzung und Stress die Gehirne der sich entwickelnden Kinder umprogrammieren können.

Um diese Lücke zu schließen, setzten Block und ihr Team schwangere Mäuse den schlechten Wohn- und Luftqualitätsbedingungen aus, denen viele Menschen tagtäglich ausgesetzt sind, und untersuchten, wie es ihren Nachkommen erging.

Als Ersatz für die Luftverschmutzung wurden die Mäusemütter Dieselabgaspartikeln ausgesetzt, dem unsichtbaren, aber schädlichen Schadstoff, den Sattelschlepper und Baumaschinen regelmäßig ausstoßen. Gegen Ende ihrer Schwangerschaft wurde den Mäusemüttern ein weiterer Stressfaktor zugemutet: unzureichende Unterbringung. Trächtigen Mäusen wurde weniger Baumaterial als üblich zur Verfügung gestellt, mit dem sie ihre Nester für ihre Jungen bauen konnten.

Trotz alledem waren gestresste Mäuse-Mütter immer noch hervorragende Eltern - sie säugten und pflegten ihre Welpen genauso wie diejenigen, die von pränatalen Stressfaktoren verschont blieben. Doch während ihre Töchter wie erwartet aufwuchsen, verstanden ihre Söhne soziale Signale während ihres gesamten Lebens falsch. Als Teenager hingen Männchen, die von stress- und smogbelasteten Müttern geboren wurden, lieber mit einer gelben Gummiente herum als mit einer Maus in der Nähe (Mäuse bevorzugen in der Regel die Gesellschaft eines ihrer Artgenossen gegenüber einem Badespielzeug).

Als Nächstes taten Block und ihr Team, was jeder ausgewiesene Neurowissenschaftler tun würde: Sie untersuchten, ob die Gehirne schon früh neu verdrahtet worden waren, was zu schüchterneren männlichen Teenagern führte. Das Forschungsteam fragte sich insbesondere, ob die männlichen Gehirne nicht schon früh in der Entwicklung die notwendige Verfeinerung erhalten haben.

Zu Beginn des Lebens werden alle Tiere mit einem Übermaß an Gehirnzellenverbindungen, den so genannten Synapsen, geboren, die im Laufe des Heranwachsens reduziert werden müssen. Die Synapsen, die zu erfolgreichen Aufgaben wie dem Aufheben eines Glases führen, werden beibehalten und verstärkt, während die Verbindungen, die zu Fehlversuchen führen, entfernt werden.

Gestresste Mütter, die Dieselabgase eingeatmet hatten, brachten Männchen zur Welt, die als Kleinkinder die geplante Synapsenrasur im anterioren cingulären Kortex (ACC) verpassten, einer Gehirnregion, die für die Wahrnehmung und Produktion sozialer Signale wichtig ist. Der Überschuss an Synapsen in dieser Region bei Männern schien ihre schüchternen sozialen Tendenzen als Teenager zu erklären, aber es blieb die Frage offen, wie ein doppelter Schlag von Smog und Stress während der Trächtigkeit die typische Gehirnformung stoppt.

Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, untersuchten Block und ihr Team das Immunsystem, insbesondere die Mikroglia genannten Immunzellen im Gehirn.

Mikroglia sind nicht nur auf der Suche nach Bakterien und Viren, sondern auch nach schwachen oder abgestorbenen Synapsen, die sie bereitwillig aufschlürfen, um das Gehirn aufzuräumen. Block schloss daraus, dass, wenn es mehr Synapsen als üblich gibt, vielleicht auch weniger Mikroglia in den Gehirnen der betroffenen Männer vorhanden sind.

Zu ihrer Überraschung stellte Block fest, dass männliche Jugendliche von gestressten Müttern genauso viele Mikroglia im ACC hatten wie ihre Altersgenossen von nicht gestressten Müttern. Smog und Wohnstress führen jedoch dazu, dass die Mikroglia weniger von dem Protein haben, das ihren Appetit auf Synapsen anregt, was wahrscheinlich die beobachtete Überwucherung erklärt.

Im Erwachsenenalter kehrte sich alles um. Männliche Kinder von Müttern, die Smog und Stress ausgesetzt waren, hatten nun weniger Synapsen in ihrem ACC und waren geselliger als ihre nicht exponierten Altersgenossen. Diese atypische Tendenz, eher kontaktfreudig als zurückhaltend zu sein, spiegelt das Verhalten und die Gehirnaktivität von Mäusen mit Autismus-verknüpften Genen wider, die kürzlich von Blocks Mitarbeiter und Co-Autor, dem Duke-Professor für Neurobiologie und Psychiater Kafui Dzirasa, MD, PhD, beschrieben wurden.

Fälschlicherweise wird oft angenommen, dass Menschen mit Autismus weniger sozial sind, aber Block sagte: "Wenn Sie eine Person mit Autismus getroffen haben, dann haben Sie eine Person mit Autismus getroffen".

Dzirasa fügt hinzu, dass viele seiner Patienten mit Autismus bei den Standard-Labortests, die für die Diagnose von Mäusen verwendet werden, durchfallen würden, wodurch Nagetiere im Wesentlichen als autismusähnlich eingestuft werden, wenn sie eine geringere Neigung zu sozialen Kontakten haben. Stattdessen sagen Dzirasa und Block, dass es sich bei Menschen mit Autismus eher um ein Missverständnis sozialer Signale und Konventionen handelt, als um eine angeborene Introvertiertheit.

Block und Bilbo vermuten, dass diese Arbeit einen klaren Mechanismus bei Mäusen liefert, der erklären könnte, warum eine hohe Luftverschmutzung die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass ein Kind Autismus entwickelt, nur wenn es in einer armen Gegend geboren wird. Sie könnte auch zu Medikamenten führen, die verhindern, dass Mikroglia durch Umweltstressoren manipuliert wird, da Dieselabgase und Wohnstress eine ähnliche Immunreaktion auslösen, wenn schwangere Frauen an Grippe erkranken.

Vorerst hoffen Bilbo und ihr Team, dass diese eindeutigen Beweise für die Auswirkungen von Stress und Luftverschmutzung während der Schwangerschaft die politischen Entscheidungsträger dazu veranlassen, sich für eine Gesetzgebung einzusetzen, die Initiativen für saubere Luft und soziale Dienste wie verbesserte und erweiterte Sozialwohnungen unterstützt.

"Man kann die mechanistischen Ergebnisse dieser Studie nicht ignorieren", sagte Bilbo. "Das passiert, und zwar auf diese Weise."