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Wie Änderungen der Tageslänge das Gehirn und das nachfolgende Verhalten verändern

Zusammenfassung: Neuronen im suprachiasmatischen Kern koordinieren, um sich an unterschiedliche Längen des Tageslichts anzupassen, die sich auf Zell- und Netzwerkebene ändern. Die Neuronen veränderten sich in Mischung und Expression von Dopamin, was die Gehirnaktivität und in der Folge das tägliche Routineverhalten veränderte.

Quelle: UCSD

Jahreszeitliche Lichtveränderungen – längere Tage im Sommer, kürzere im Winter – werden seit langem mit menschlichem Verhalten in Verbindung gebracht und beeinflussen alles, von Schlaf- und Essgewohnheiten bis hin zu Gehirn- und Hormonaktivitäten.

Die saisonale affektive Störung (SAD) ist ein Paradebeispiel: Eine Art von Depression, die mit einer verminderten Exposition gegenüber natürlichem Sonnenlicht zusammenhängt, die typischerweise während der Wintermonate und häufiger in höheren Breiten auftritt, wenn die Tageslichtstunden am kürzesten sind.

Die Lichttherapie hat sich als wirksames Mittel zur Behandlung von SAD und Krankheiten wie nicht-saisonale schwere Depressionen, postpartale Depressionen und bipolare Störungen erwiesen, aber wie saisonale Änderungen der Tageslänge und Lichteinwirkung das Gehirn auf Zell- und Schaltkreisebene beeinflussen und verändern ließen die Wissenschaftler weitgehend im Dunkeln.

In einer neuen Studie, veröffentlicht am 2. September 2022, in Wissenschaftliche Fortschritteverwendeten Forscher der University of California San Diego School of Medicine ein Mausmodell, um einen Prozess zu beleuchten, bei dem betroffene Neuronen die Expression von Neurotransmittern als Reaktion auf Tagesreize umschalten und damit verbundene Verhaltensänderungen auslösen.

Die Arbeit wurde vom leitenden Studienautor Davide Dulcis, Ph.D., außerordentlicher Professor in der Abteilung für Psychiatrie an der UC San Diego School of Medicine und Mitglied des Center for Circadian Biology an der UC San Diego, geleitet.

Versteckt im Hypothalamus des menschlichen Gehirns befindet sich eine kleine Struktur namens Nucleus suprachiasmaticus (SCN), die jeweils aus etwa 20.000 Neuronen besteht. (Das durchschnittliche menschliche Gehirn enthält ungefähr 86 Milliarden Neuronen und weitere 85 Milliarden nicht-neuronale Zellen.)

Der SCN ist der Zeitmesser des Körpers, der die meisten zirkadianen Rhythmen reguliert – körperliche, geistige und Verhaltensänderungen, die einem 24-Stunden-Zyklus folgen und alles beeinflussen, vom Stoffwechsel und der Körpertemperatur bis hin zur Freisetzung von Hormonen.

Der SCN arbeitet auf der Grundlage von Eingaben spezialisierter lichtempfindlicher Zellen in der Netzhaut, die unserem Körper Änderungen des Lichts und der Tageslänge mitteilen.

In der neuen Studie beschreiben Dulcis und Kollegen, wie sich SCN-Neuronen miteinander koordinieren, um sich an unterschiedliche Tageslichtlängen anzupassen, die sich auf Zell- und Netzwerkebene ändern. Insbesondere fanden sie heraus, dass sich bei Mäusen, deren Gehirne ähnlich wie Menschen funktionieren, die Neuronen in Mischung und Expression wichtiger Neurotransmitter veränderten, was wiederum die Gehirnaktivität und das nachfolgende tägliche Verhalten veränderte.

In diesem Schema erzeugt Sonnenlicht neuronale Signale im Nucleus suprachiasmaticus, der Hauptuhr des Gehirns, die wiederum biologische Uhren koordiniert, die Funktionen im ganzen Körper und daraus resultierende Verhaltensweisen regulieren. Kredit: Nationales Institut für allgemeine medizinische Wissenschaften

Es wurde auch gezeigt, dass saisonale Änderungen der Lichtexposition die Anzahl der Neurotransmitter-exprimierenden Neuronen im Nucleus paraventricularis (PVN) verändern, einer Region des Gehirns, die eine wesentliche Rolle bei der Kontrolle von Stress, Stoffwechsel, Wachstum, Fortpflanzung, Immun- und anderen autonomen Funktionen spielt .

„Das beeindruckendste neue Ergebnis dieser Studie ist, dass wir entdeckt haben, wie man die Aktivität spezifischer SCN-Neuronen künstlich manipuliert und erfolgreich die Dopamin-Expression innerhalb des hypothalamischen PVN-Netzwerks induziert“, sagte Dulcis.

„Wir haben neue molekulare Anpassungen des SCN-PVN-Netzwerks als Reaktion auf die Tageslänge bei der Anpassung der hypothalamischen Funktion und des täglichen Verhaltens aufgedeckt“, fügte die Erstautorin Alexandra Porca, Ph.D., ein Mitglied des Dulcis-Labors, hinzu.

„Das multisynaptische Neurotransmitter-Switching, das wir in dieser Studie gezeigt haben, könnte die anatomische/funktionelle Verbindung darstellen, die die saisonalen Stimmungsschwankungen und die Wirkung der Lichttherapie vermittelt.“

Die Autoren schlagen vor, dass ihre Ergebnisse einen neuartigen Mechanismus liefern, der erklärt, wie sich das Gehirn an saisonale Änderungen der Lichteinwirkung anpasst. Und da die Anpassung in Neuronen stattfindet, die ausschließlich im SCN lokalisiert sind, stellt letzteres ein vielversprechendes Ziel für neue Behandlungen von Erkrankungen dar, die mit saisonalen Änderungen der Lichtexposition einhergehen.

Über diese Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung

Autor: Scott LaFee
Quelle: UCSD
Kontakt: Scott La Fee – UCSD
Bild: Das Bild wird dem National Institute of General Medical Sciences zugeschrieben

Siehe auch

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Originalforschung: Uneingeschränkter Zugang.
Saisonale Änderungen der Tageslänge induzieren multisynaptische Neurotransmitterumschaltungen, um die Aktivität und das Verhalten des hypothalamischen Netzwerks zu regulieren“ von Alessandra Porcu et al. Wissenschaftliche Fortschritte


Abstrakt

Saisonale Änderungen der Tageslänge induzieren multisynaptische Neurotransmitterumschaltungen, um die Aktivität und das Verhalten des hypothalamischen Netzwerks zu regulieren

Jahreszeitliche Änderungen der Tageslänge (Photoperiode) beeinflussen zahlreiche physiologische Funktionen. Die Achse Nucleus suprachiasmaticus (SCN) – Nucleus paraventricularis (PVN) spielt eine Schlüsselrolle bei der Verarbeitung photoperiodenbezogener Informationen.

Bei Menschen und Tiermodellen wurden saisonale Schwankungen der SCN- und PVN-Neurotransmitterexpression beobachtet. Die molekularen Mechanismen, durch die das SCN-PVN-Netzwerk auf eine veränderte Photoperiode reagiert, sind jedoch unbekannt.

Hier zeigen wir bei Mäusen, dass Neuromedin S (NMS) und vasoaktive intestinale Polypeptid (VIP)-Neuronen im SCN photoperiodeninduzierte Neurotransmitter-Plastizität aufweisen.

Die In-vivo-Aufzeichnung der Kalziumdynamik zeigte, dass NMS-Neuronen die Aktivität des PVN-Netzwerks als Reaktion auf eine winterliche Photoperiode verändern. Eine chronische Manipulation von NMS-Neuronen reicht aus, um einen Neurotransmitterwechsel in PVN-Neuronen zu induzieren und beeinflusst die lokomotorische Aktivität.

Unsere Ergebnisse zeigen bisher nicht identifizierte molekulare Anpassungen des SCN-PVN-Netzwerks als Reaktion auf Saisonalität und die Rolle von NMS-Neuronen bei der Anpassung der Hypothalamusfunktion an die Tageslänge über einen koordinierten multisynaptischen Neurotransmitterwechsel, der das Verhalten beeinflusst.

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