Eine Störung im Supercomputer

Dein Gehirn ist der fortschrittlichste Supercomputer der Welt. Doch bei der Huntington-Krankheit (HD) beginnt ein Kernprozessor dieses Computers zu versagen. Mithilfe fortschrittlicher Bildgebungstechniken hat eine Forschungsgruppe an der UCLA genau untersucht, um die spezifischen Schaltkreise zu identifizieren und zu visualisieren, die in den am stärksten von HD betroffenen Hirnregionen verrücktspielen – und wie die Krankheit sie anders aussehen lässt. Sie fanden heraus, dass die spezifischen Schaltkreise einer zentralen Hirnregion (des Striatums), die bei HD betroffen sind, sogenannte mittelgroße Stachelneuronen, weniger verbunden und weniger stachelig sind, als sie sein sollten.

Der komplexeste Computer der Welt

Der komplexeste Computer der Welt besteht nicht aus Mikrochips – er sitzt direkt in deinem Kopf. Obwohl die schnellsten Supercomputer das menschliche Gehirn in Bezug auf die reine Rechenleistung übertreffen, kann nichts die außergewöhnliche Flexibilität und Effizienz deines Gehirns erreichen.

Nur um dir eine grobe Vorstellung zu geben: Der derzeit leistungsstärkste Supercomputer, „El Capitan“ in Kalifornien, stopft modernste Ausrüstung auf die Fläche von zwei Tennisplätzen und verbraucht die Energie einer Kleinstadt. Das Gehirn ist nur etwa so groß wie eine Grapefruit und läuft mit der Energie einer schwachen Glühbirne, erreicht aber auf wundersame Weise die gleiche Rechenkapazität. Ganz zu schweigen davon, dass El Capitan nicht tanzen, singen, einen Ball fangen oder unzählige andere erstaunliche Dinge tun kann, die dein Gehirn kann!

Es lohnt sich eindeutig zu verstehen, wie dieser unglaubliche Computer in deinem Kopf funktioniert und auch, wie er bei HD Fehlfunktionen aufweist. Welcher Teil dieses Computers ist also bei HD betroffen, und wie können wir verstehen, was schiefläuft? Eine hochmoderne Forschungsgruppe an der UCLA hat einige innovative Ansätze angewendet, um diese Fragen zu beantworten.

Eine zentrale Computerfehlfunktion bei HD

Das Gehirn ist nicht ganz wie ein Computer aus Mikrochips, aber es gibt einige Ähnlichkeiten. Zum einen verarbeitet das Gehirn Informationen über Ein- und Ausgaben. Diese Verarbeitung geschieht mithilfe spezialisierter Zellen, den Neuronen, die ein bisschen wie Schaltkreise in einem Mikrochip funktionieren. Und wie ein Computer ist das Gehirn in verschiedene Teile gegliedert, die unterschiedliche Dinge verarbeiten.

Das Gehirn hat unglaubliche 86 Milliarden Neuronen und ebenso viele unterstützende Zellen, was zusammen ungefähr so viele Zellen sind, wie es Sterne in der Milchstraßengalaxie gibt. Das Ausmaß dessen, was dein Gehirn mit all diesen Gehirnzellen leisten kann, ist wirklich erstaunlich. El Capitan kommt dem nicht annähernd nahe.

Einer der wichtigsten Teile unseres erstaunlichen Computers ist eine zentrale Hirnregion, die als Striatum bezeichnet wird und sich weiter in den Nucleus caudatus und das Putamen unterteilt.

Du kannst dir das Striatum wie den Hauptbahnhof für viele Gehirnprozesse vorstellen – ein Ort, an dem viele Schaltkreise zusammenlaufen. Das Striatum ist eine der am stärksten von HD betroffenen Hirnregionen, weshalb die Symptome von HD so vielfältig sein können, einschließlich unkontrollierter Bewegungen, Stimmungsproblemen und Denkschwierigkeiten. Um HD zu verstehen, musst du also das Striatum verstehen.

Eine spezielle Art von Schaltkreis ist bei HD betroffen

Einige Teile des Gehirns haben Dutzende und Aberdutzende verschiedener Arten von Neuronen, aber glücklicherweise sind die im Striatum gefundenen Neuronen nicht so vielfältig wie in anderen Teilen des Gehirns. Das macht das Striatum etwas leichter verständlich.

Du kannst dir das Striatum wie einen Verarbeitungskluster in deinem Computer vorstellen, mit vielen Schaltkreisen, die einander ähneln. Diese Schaltkreise im Striatum werden mittelgroße Stachelneuronen genannt, und sie stellen die meisten der dort gefundenen Neuronen dar. „Mittelgroßes Stachelneuron“ mag wie ein erfundener Name klingen, aber so nennen Wissenschaftler sie wirklich, wegen ihres Aussehens! Sie sind mittelgroß und sehr stachelig. Du hast sie vielleicht auch als MSNs abgekürzt gesehen.

Warum sind mittelgroße Stachelneuronen so stachelig? Das liegt daran, dass jedes mittelgroße Stachelneuron Signale von vielen anderen Neuronen im Gehirn empfängt, und jeder dieser Eingänge erfolgt über einen kleinen Stachel, der aus dem mittelgroßen Stachelneuron herausragt. Mittelgroße Stachelneuronen haben viele Eingänge, deshalb haben sie viele Stacheln. Es ist der Hauptbahnhof für das Gehirn, erinnerst du dich?

Mittelgroße Stachelneuronen sind eindeutig sehr wichtig, aber wir wissen nicht genau, wie sie individuell mit dem Rest des Gehirns verbunden sind, nur dass sie viele Eingänge haben. Es sind mittelgroße Stachelneuronen, die bei HD besonders anfällig sind, was nach Ansicht von Wissenschaftlern dazu führt, dass das Striatum Fehlfunktionen aufweist und die Symptome von HD verursacht.

Die Schaltkreise in drei Dimensionen kartieren

Überraschenderweise wurde sehr wenig darüber geforscht, wie mittelgroße Stachelneuronen aussehen, abgesehen davon, dass sie stachelig sind. Sehen sie alle gleich aus? Wie sehen sie aus, wenn sie bei HD geschädigt sind? Eine renommierte Forschungsgruppe an der UCLA unter der Leitung von Dr. X. William Yang beschloss, zu kartieren, wie mittelgroße Stachelneuronen im Gehirn aussehen und was mit ihnen bei HD passiert.

Dazu markierte die Gruppe mittelgroße Stachelneuronen, sodass sie unter dem Mikroskop leuchten, und markierte auch jeden Stachel – sogenannte dendritische Dornen oder einfach Dendriten. Sie konnten diese Markierung nicht in menschlichen Gehirnen durchführen, also taten sie dies stattdessen in Mäusegehirnen, die ebenfalls ein Striatum haben. Nach der Markierung der mittelgroßen Stachelneuronen und ihrer Stacheln (Dendriten) schnitten sie das Striatum in Scheiben und machten detaillierte Bilder von jeder Scheibe, um zu sehen, wie die mittelgroßen Stachelneuronen aussahen.

Das ist so, als würde man eine dichte Wackelpuddingform mit kleinen Früchten darin aufschneiden, damit man die Früchte leichter sehen kann. Dies ermöglichte den Forschern, zu sehen, wie die mittelgroßen Stachelneuronen in drei Dimensionen innerhalb jeder Scheibe aussahen. Bemerkenswerterweise ist dies das erste Mal, dass jemand mittelgroße Stachelneuronen auf diese Weise betrachtet hat! Was haben sie also gesehen?

Nicht alle Schaltkreise sehen gleich aus

Das Striatum ist tatsächlich in weitere Verarbeitungskluster unterteilt, obwohl sie alle mittelgroße Stachelneuronen haben, die bei HD betroffen sind. Die Forscher beschlossen daher, zu beurteilen, wie mittelgroße Stachelneuronen in diesen verschiedenen Klustern aussehen.

Sie maßen alle Arten von Variablen über die mittelgroßen Stachelneuronen, wie viele Stacheln sie haben, wie lang sie sind und wie häufig sich Stacheln in kleinere Stacheln verzweigen. Das ist ein bisschen so, als würde man die Schaltkreise in einem bestimmten Teil eines Computers betrachten und untersuchen, wie lang jeder der Schaltkreise ist und wohin sie führen.

Interessanterweise sehen mittelgroße Stachelneuronen in verschiedenen Teilen des Striatums etwas anders aus. In einigen Teilen des Striatums sind die Stacheln länger als in anderen, in anderen Teilen sind sie kürzer. In einigen Teilen des Striatums sind die Stacheln zahlreicher, und in einigen Teilen sind sie stärker verzweigt. Es ist klar, dass bei der Verschaltung dieser mittelgroßen Stachelneuronen im Striatum viel mehr vor sich geht, als wir bisher wussten.

Bei HD weniger Schaltkreisverbindungen als erwartet

Mittelgroße Stachelneuronen des Striatums sind bei HD besonders anfällig und beginnen sehr früh in der Krankheit, Fehlfunktionen aufzuweisen und zu verschwinden. Was beobachteten die Wissenschaftler also über die Form und das Aussehen dieser verschiedenen mittelgroßen Stachelneuronenschaltkreise bei HD?

Um dies zu untersuchen, führten sie die gleiche Markierung, Gehirnschnitt- und Mikroskopbildgebung durch, diesmal jedoch bei einer Maus, die HD mit einer erweiterten CAG-Wiederholung modelliert. Interessanterweise waren mittelgroße Stachelneuronen in den HD-Mäusen weniger komplex und hatten weniger Verzweigungen.

Dies deutet darauf hin, dass es bei HD möglicherweise weniger Schaltkreisverbindungen geben könnte, als zwischen mittelgroßen Stachelneuronen und dem Rest des Gehirns sein sollten. Mit anderen Worten, die Fehlfunktion des Striatums bei HD könnte mit einer geringeren Konnektivität zum Rest des Gehirns zusammenhängen, wie ein Verarbeitungskern, der die Verbindungen zum Rest des Computers verliert.

Zu verstehen, wie Neuronen, die bei HD betroffen sind, ihre Verbindungen zum Rest des Gehirns verlieren, ist von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie man sie reparieren oder von vornherein daran hindern kann, Fehlfunktionen aufzuweisen. Mit weiteren Studien wie diesen können wir in Zukunft bessere Wege entwickeln, um die Ursachen von HD zu verfolgen und zu behandeln.

Zusammenfassung

• Dein Gehirn ist der komplexeste Computer der Welt
• HD führt dazu, dass ein bestimmter Teil dieses Computers, das Striatum, Fehlfunktionen aufweist
• Spezifische Schaltkreise im Striatum, sogenannte mittelgroße Stachelneuronen, scheinen bei HD verloren zu gehen
• Die Forschung deutet darauf hin, dass mittelgroße Stachelneuronen in verschiedenen Teilen des Striatums leicht unterschiedliche Erscheinungsbilder und Verbindungen aufweisen
• Mittelgroße Stachelneuronen scheinen bei HD weniger komplex zu sein und haben weniger Verbindungen