Zuletzt aktualisiert am 25. November 2022 um 15:43
Superstarke Neuronen mit vielen Verbindungen zum Gehirnstamm
Einige Teile des Körpers – zum Beispiel unsere Hände und Lippen – können wesentlich mehr empfinden als andere Regionen. Das macht sie zu wichtigen Werkzeugen, mit denen wir die komplizierten Details der Welt erkennen und manipulieren können.
Unser Überleben hängt von diesen Fähigkeiten ab. Außerdem erlauben uns diese Sinneswahrnehmungen, unsere Umgebung sicher zu navigieren und neue Situationen schnell zu verstehen und darauf zu reagieren. Deshalb überrascht es nicht, dass unser Gehirn besonders sensiblen Hautoberflächen für feine, diskriminierende Berührungen extrem viel Raum einräumt. Die sensorischen Neuronen dieser Hautflächen sammeln ständig detaillierte Informationen.
Doch wie ist es möglich, dass manche Hautstellen so außergewöhnlich empfindsam werden? Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der Harvard Medical School hat jetzt einen bisher unbekannten Mechanismus enthüllt. Sie wurde Mitte Oktober im Wissenschaftsmagazin Cell veröffentlicht und erklärt, was der höheren Empfindlichkeit bestimmter Hautregionen zugrunde liegen könnte.
Die an Mäusen durchgeführte Studie zeigt, dass sich die Überrepräsentation empfindlicher Hautoberflächen im Gehirn in der frühen Adoleszenz entwickelt. Offensichtlich beginnt sie im Hirnstamm, dem ältesten Teil des Gehirns. Doch die sensorischen Neuronen der Haut tragen wesentlich dazu bei.
Sie bevölkern die empfindlicheren Teile der Haut und sind dafür zuständig, Informationen an den Hirnstamm weiterzuleiten. Dafür bilden sie mehr und stärkere Verbindungen zum Hirnstamm aus als Neuronen in weniger empfindlichen Teilen des Körpers.
Aus evolutionärer Sicht haben Säugetiere dramatisch unterschiedliche Körperformen, was sich in der Empfindlichkeit in verschiedenen Hautoberflächen niederschlägt. Menschen haben beispielsweise hochsensible Hände und Lippen, während Schweine mit hochsensiblen Schnauzen die Welt erkunden.
Daher glaubt Studienautor Dr. David Ginty, dass dieser Mechanismus bei verschiedenen Säugetieren die Empfindlichkeit in unterschiedlichen Bereichen entwickeln könnte. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse der neuen Studie eines Tages dazu beitragen, die Berührungsanomalien zu beleuchten, die bei bestimmten neurologischen Entwicklungsstörungen beim Menschen auftreten.
Wissenschaftler wissen seit langem, dass bestimmte Körperteile im Gehirn überrepräsentiert sind – wie die sensorische Karte des Gehirns, die den Homunkulus, darstellt. Dabei handelt es sich um eine schematische Darstellung der menschlichen Körperteile und der entsprechenden Bereiche im Gehirn, in denen Signale von diesen Körperteilen verarbeitet werden.
Die bekannte Illustration zeigt einen Menschen mit übergroßen Händen und Lippen. Bisher dachte man, dass die Überrepräsentation empfindlicher Hautregionen im Gehirn auf eine höhere Dichte von Neuronen in diesen Hautregionen zurückgeführt werden könnte. Frühere Arbeiten des Ginty-Labors an der Harvard Medical School zeigten, dass empfindliche Haut tatsächlich mehr Neuronen enthält als andere Hautpartien. Diese zusätzlichen Neuronen reichen jedoch nicht aus, um den zusätzlichen Gehirnraum zu rechtfertigen.
„Wir haben festgestellt, dass es im Vergleich zu unseren Erwartungen eine eher magere Anzahl von Neuronen gibt, die die empfindliche Haut innervieren“, sagte Studienautor Brendan Lehnert, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter im Ginty-Labor bei der Vorstellung der Studie. „Es hat einfach nicht gepasst“, fügte Ginty hinzu.
Um diesen Widerspruch zu untersuchen, führten die Forscher eine Reihe von Experimenten an Mäusen durch, bei denen das Gehirn und die Neuronen abgebildet wurden, während Neuronen auf unterschiedliche Weise stimuliert wurden. Zunächst untersuchten sie, wie unterschiedliche Hautregionen während der gesamten Entwicklung im Gehirn dargestellt werden.
Zu Beginn der Entwicklung wurde die empfindliche, haarlose Haut an der Pfote einer Maus proportional zur Dichte der sensorischen Neuronen dargestellt. Zwischen der Adoleszenz und dem Erwachsenenalter wurde diese empfindliche Haut im Gehirn zunehmend überrepräsentiert, obwohl die Dichte der Neuronen stabil blieb – eine Verschiebung, die bei weniger empfindlicher, behaarter Pfotenhaut nicht zu beobachten war.
„Dies hat uns sofort gesagt, dass etwas mehr passiert als nur die Dichte der Innervation von Nervenzellen in der Haut, um diese Überrepräsentation im Gehirn zu erklären“, sagte Ginty.
„Es war wirklich unerwartet, Veränderungen über diese postnatalen Entwicklungszeitpunkte hinwegzusehen“, fügte Lehnert hinzu. „Dies könnte nur eine von vielen Veränderungen in der postnatalen Entwicklung sein, die wichtig sind, um die taktile Welt um uns herum darzustellen und die Fähigkeit zu erlangen, Objekte in der Welt durch die sensorische motorische Schleife zu manipulieren, für die Berührung ein so besonderer Teil ist.“
Als Nächstes stellte das Team fest, dass der Hirnstamm, die Region an der Basis des Gehirns, die Informationen weiterleitet. Diese Tatsache führte die Forscher zu dem Schluss: Die Überrepräsentation empfindlicher Haut muss aus den Verbindungen zwischen sensorischen Neuronen und Neuronen des Hirnstamms entstehen.
Anschließend verglichen die Wissenschaftler die Verbindungen zwischen sensorischen Neuronen und Hirnstamm-Neuronen für verschiedene Arten von Pfotenhaut. Sie fanden heraus, dass diese Verbindungen zwischen Neuronen bei empfindlicher, haarloser Haut stärker und zahlreicher waren als bei weniger empfindlicher, behaarter Haut.
Daraus schloss das Team, dass die Stärke und Anzahl der Verbindungen zwischen Neuronen eine Schlüsselrolle bei der Überrepräsentation empfindlicher Haut im Gehirn spielen. Selbst wenn sensorische Neuronen in empfindlicher Haut nicht stimuliert wurden, entwickelten Mäuse immer noch eine erweiterte Darstellung im Gehirn – was darauf hindeutet, dass der Hauttyp diese Veränderungen des Gehirns verursacht und nicht die Stimulation durch Berührung im Laufe der Zeit.
Als nächstes wollen die Forscher untersuchen, wie verschiedene Hautregionen den Neuronen, die sie innervieren, mitteilen, dass sie unterschiedliche Eigenschaften annehmen, beispielsweise mehr und stärkere Verbindungen bilden, wenn sie empfindliche Haut innervieren. „Was sind die Signale?“, fragte Ginty. „Das ist eine große, große mechanistische Frage.“
Beim Menschen gibt es eine weit verbreitete Klasse von neuronalen Entwicklungsstörungen, die als Entwicklungskoordinationsstörungen bezeichnet werden. Sie beeinflussen die Verbindung zwischen Berührungsrezeptoren und dem Gehirn. Eine weitere Aufklärung des Zusammenspiels zwischen Neuronen und Gehirn könnte Aufschlüsse über diese Erkrankungen liefern.
Quelle:
Lehnert, Brendan P. and Santiago, Celine and Huey, Erica L. and Emanuel, Alan J. and Renauld, Sophia and Africawala, Nusrat and Alkislar, Ilayda and Zheng, Yang and Bai, Ling and Koutsioumpa, Charalampia and Hong, Jennifer T. and Magee, Alexandra R. and Harvey, Christopher D. and Ginty, David D., Mechanoreceptor Synapses in the Brainstem Shape the Central Representation of Touch. http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.3787905 (https://ssrn.com/abstract=3787905)
