Wie Veränderungen der Tageslänge das Gehirn und das daraus resultierende Verhalten verändern
Forscher beleuchten die Rolle von Schlüsselneuronen, die ihre Funktion als Reaktion auf jahreszeitlich bedingte Veränderungen der Lichtexposition ändern
Die jahreszeitlich bedingten Veränderungen des Lichts - längere Tage im Sommer, kürzere im Winter - werden seit langem mit dem menschlichen Verhalten in Verbindung gebracht und beeinflussen alles, vom Schlaf- und Essverhalten bis hin zur Gehirn- und Hormonaktivität. Die saisonal abhängige Depression (SAD) ist ein gutes Beispiel dafür: Eine Art von Depression, die mit einer verminderten Exposition gegenüber natürlichem Sonnenlicht zusammenhängt und typischerweise in den Wintermonaten und häufiger in höheren Breitengraden auftritt, wenn die Tageslichtstunden am kürzesten sind.
Symbolbild
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In diesem Schema steuert das Sonnenlicht die neuronalen Signale im suprachiasmatischen Nukleus, der Hauptuhr des Gehirns, die wiederum die biologischen Uhren koordiniert, die die Funktionen des gesamten Körpers und die daraus resultierenden Verhaltensweisen steuern.
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Die Therapie mit hellem Licht hat sich als wirksames Mittel zur Behandlung von SAD sowie von Krankheiten wie nicht saisonalen schweren Depressionen, postpartalen Depressionen und bipolaren Störungen erwiesen, aber wie sich die jahreszeitlichen Veränderungen der Tageslänge und der Lichtexposition auf das Gehirn auf zellulärer Ebene und auf der Ebene der Schaltkreise auswirken und es verändern, war den Wissenschaftlern bisher weitgehend unbekannt.
In einer neuen Studie, die am 2. September 2022 in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, haben Forscher der University of California San Diego School of Medicine ein Mausmodell verwendet, um einen Prozess zu beleuchten, bei dem betroffene Neuronen die Expression von Neurotransmittern als Reaktion auf Stimuli der Tageslänge umschalten und damit verbundene Verhaltensänderungen auslösen.
Die Arbeit wurde von Davide Dulcis, PhD, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Psychiatrie an der UC San Diego School of Medicine und Mitglied des Zentrums für zirkadiane Biologie an der UC San Diego, geleitet.
Im Hypothalamus des menschlichen Gehirns befindet sich eine kleine Struktur, der so genannte suprachiasmatische Nukleus (SCN), der aus etwa 20 000 Neuronen besteht. (Das durchschnittliche menschliche Gehirn enthält etwa 86 Milliarden Neuronen und weitere 85 Milliarden nicht-neuronale Zellen).
Der SCN ist der Zeitmesser des Körpers und reguliert die meisten zirkadianen Rhythmen - körperliche, geistige und Verhaltensänderungen, die einem 24-Stunden-Zyklus folgen und sich auf alles auswirken, vom Stoffwechsel über die Körpertemperatur bis hin zur Ausschüttung von Hormonen. Der SCN arbeitet auf der Grundlage von Informationen, die von spezialisierten lichtempfindlichen Zellen in der Netzhaut stammen, die unserem Körper Veränderungen des Lichts und der Tageslänge mitteilen.
In der neuen Studie beschreiben Dulcis und Kollegen, wie sich die Neuronen des SCN untereinander abstimmen, um sich an unterschiedliche Tageslichtlängen anzupassen, wobei sie sich auf zellulärer und Netzwerkebene verändern. Insbesondere fanden sie heraus, dass sich bei Mäusen, deren Gehirn ähnlich wie das des Menschen funktioniert, die Neuronen in ihrer Zusammensetzung und in der Expression wichtiger Neurotransmitter veränderten, was wiederum die Gehirnaktivität und das anschließende tägliche Verhalten veränderte.
Saisonale Veränderungen der Lichtexposition verändern nachweislich auch die Anzahl der Neurotransmitter-exprimierenden Neuronen im paraventrikulären Nukleus (PVN), einer Hirnregion, die eine wesentliche Rolle bei der Kontrolle von Stress, Stoffwechsel, Wachstum, Fortpflanzung, Immunsystem und anderen autonomen Funktionen spielt.
"Die beeindruckendste neue Erkenntnis dieser Studie ist, dass wir herausgefunden haben, wie wir die Aktivität bestimmter SCN-Neuronen künstlich manipulieren und die Dopamin-Expression im hypothalamischen PVN-Netzwerk erfolgreich induzieren können", so Dulcis.
"Wir haben neue molekulare Anpassungen des SCN-PVN-Netzwerks an die Tageslänge aufgedeckt, die die Funktion des Hypothalamus und das tägliche Verhalten beeinflussen", fügte Erstautorin Alexandra Porcu, PhD, hinzu, die in Dulcis' Labor arbeitet. "Die multisynaptische Neurotransmitterumschaltung, die wir in dieser Studie gezeigt haben, könnte die anatomisch-funktionelle Verbindung darstellen, die die jahreszeitlichen Veränderungen der Stimmung und die Auswirkungen der Lichttherapie vermittelt."
Die Autoren vermuten, dass ihre Ergebnisse einen neuen Mechanismus darstellen, der erklärt, wie sich das Gehirn an die jahreszeitlichen Veränderungen der Lichtexposition anpasst. Und da die Anpassung in Neuronen stattfindet, die sich ausschließlich im SCN befinden, stellt dieser ein vielversprechendes Ziel für neue Behandlungen von Störungen dar, die mit jahreszeitlich bedingten Veränderungen der Lichtexposition in Zusammenhang stehen.
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