Ein Hirngewebeschnitt einer Maus zeigt acht Wochen nach der Verletzung Veränderungen (Frankowski et al., Nat Comm., 2022) Wir wissen, dass sich das Gehirn nach einer traumatischen Verletzung verändert, und jetzt haben wir Karten von Mäusen, die zeigen, wie diese Veränderung aussieht.
Ein Team von Wissenschaftlern hat Verbindungen zwischen Nervenzellen im gesamten Gehirn von Mäusen untersucht und gezeigt, dass entfernte Teile des Gehirns nach einer Kopfverletzung getrennt werden.
Die atemberaubenden Visualisierungen der gehirnweiten Konnektivität könnten Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie eine traumatische Hirnverletzung (TBI) die gegenseitige Kommunikation zwischen verschiedenen Zellen und Gehirnregionen verändert, zunächst bei Mäusen und dann beim Menschen.
„Wir wissen seit langem, dass sich die Kommunikation zwischen verschiedenen Gehirnzellen nach einer Verletzung sehr dramatisch verändern kann“, sagt Der Neurowissenschaftler und Studienautor Robert Hunt von der University of California, Irvine (UCI), der das Projekt vor einem Jahrzehnt ins Auge gefasst hatte.
„Aber wir konnten bisher nicht sehen, was im gesamten Gehirn passiert.“
Es gibt immer noch so viel, was wir nicht vollständig verstehen traumatische Hirnverletzungen , was dazu führen kann, dass Menschen mit lebenslangen Behinderungen sich wie ein Schatten ihres früheren Selbst fühlen und für die Familie kaum wiederzuerkennen sind.
Ein Schädel-Hirn-Trauma entsteht, wenn ein Schlag auf den Kopf – oft durch einen Sturz, einen Autounfall, einen Sportunfall oder einen körperlichen Angriff – das Gehirn im Schädel herumwirbelt und dauerhafte Schäden verursacht.
Wiederholte Kopftraumata führten zu einer schweren Erkrankung, die als chronisch traumatische Enzephalopathie bekannt ist gut dokumentiert bei Profisportlern. Aber auch „leichte“ Kopfstöße, sogenannte Gehirnerschütterungen, können dazu führen Jahre später manifestieren sich Schäden , zeigen aktuelle Forschungsergebnisse.
Normalerweise sind keine zwei Kopfverletzungen gleich, was ihre Untersuchung schwierig macht, obwohl es häufige Symptome gibt: Gedächtnisprobleme, Kommunikationsschwierigkeiten, Aufmerksamkeitsdefizite, Depression und emotionale Instabilität, um nur einige zu nennen.
Allerdings ist die Verknüpfung von Verhaltens-, Emotions- und Gehirnfunktionsänderungen mit Veränderungen in bestimmten Gehirnzellen oder größeren neuronalen Netzwerken eine der wichtigen Aufgaben, die anstehen, da die Forscher hoffen, besser zu verstehen, wie Hirnschäden entstehen und ob ihr Ausbruch verhindert werden könnte.
In dieser Studie entwickelten Hunt und das Team unter der Leitung seines Neurowissenschaftlerkollegen und UCI-Forschers Jan Frankowski einige neue und verbesserte Techniken, um Verbindungen zwischen Nervenzellen im gesamten Gehirn in einem Mausmodell abzubilden, das TBI mithilfe einer beeindruckenden Reihe von laserbeleuchteten Objekten nachbildet fluoreszierende Etiketten.
Zu diesem Zeitpunkt war iDISCO gut etabliert und wir haben die Clearing-Protokolle geändert, um eine starke Immunmarkierung im gesamten verletzten Gehirn zu erreichen, ohne das Gehirn wie üblich in zwei Hemisphären aufzuteilen pic.twitter.com/5qborRCuNN
– Robert Hunt 🔥 (@hunt_lab) 14. Juni 2022
Von besonderem Interesse war eine Gruppe von Neuronen namens Somatostatin-Interneuronen, die den Ein- und Ausgang lokaler Schaltkreise im Gehirn steuern und zu den anfälligsten für den Zelltod nach einer Hirnverletzung gehören.
Der Trick bestand darin, ganze Mäusegehirne mit Chemikalien zu infundieren, um die vollständig intakten, geleeartigen Organe transparent zu machen und sie abzubilden, bevor das Gewebe zur weiteren Untersuchung unter dem Mikroskop in dünne Schnitte geschnitten wurde.
Was die Forscher sahen, war verblüffend. Zwei Monate nach einer Verletzung des Hippocampus, einer Gehirnregion, die an Lernen und Gedächtnis beteiligt ist, hatten sich die neuronalen Schaltkreise im Gehirn der Mäuse neu konfiguriert.
Gefärbte Gewebeschnitte einer unverletzten und verletzten Hirnregion ( Frankowski et al., Nat Comm., 2022 )
Überlebende Somatostatin-Interneuronen im Hippocampus wurden zu „hypervernetzten Knotenpunkten“, reich an Nahbereichsverbindungen, aber von weitreichenden Eingaben getrennt; Dieselben Konnektivitätsveränderungen wurden auch in entfernten, nicht direkt verletzten Bereichen des Gehirns beobachtet.
„Es sieht so aus, als ob das gesamte Gehirn sorgfältig neu verkabelt wird, um den Schaden auszugleichen, unabhängig davon, ob die Region direkt verletzt wurde oder nicht.“ erklärt Alexa Tierno, Doktorandin der Neurowissenschaften an der UCI und Co-Erstautorin der Studie.
„Aber verschiedene Teile des Gehirns arbeiten wahrscheinlich nicht mehr ganz so gut zusammen wie vor der Verletzung.“
Bei ihren bildgebenden Untersuchungen fand das Team auch Anzeichen dafür, dass die Maschinerie, mit der Gehirnzellen Fernverbindungen herstellen, nach einer schweren Verletzung intakt blieb. Dies ist ein gutes Zeichen für die Genesung, denn laut Hunt deutet es darauf hin, dass es eine Möglichkeit geben könnte, das verletzte Gehirn dazu zu bringen, verlorene Verbindungen selbst zu reparieren.
Basierend auf früheren Arbeiten , transplantierten die Forscher neue Neuronen in die Gehirne der Tiere an der Verletzungsstelle und stellten fest, dass neu transplantierte Zellen in der Lage waren, sich mit bestehenden, verletzten Schaltkreisen zu verflechten und Eingaben aus dem gesamten Gehirn zu empfangen.
Also transplantierten wir SST-Interneuronen in den hirngeschädigten Hippocampus und kartierten ihre Verbindungen. Die neuen SST-Interneuronen erhielten entsprechende Verbindungen aus dem gesamten Gehirn und stellten so eine potenzielle Schaltkreisbasis für die Interneuron-Zelltherapie dar pic.twitter.com/MPATNJn6fv
– Robert Hunt 🔥 (@hunt_lab) 14. Juni 2022
„Einige Leute haben vorgeschlagen, dass eine [Gehirnzell-]Transplantation das Gehirn verjüngen könnte, indem unbekannte Substanzen freigesetzt werden, um die angeborene Regenerationsfähigkeit zu steigern.“ sagt Jagd. „Aber wir stellen fest, dass die neuen Neuronen wirklich fest im Gehirn verankert sind.“
Es ist jedoch nicht der einzige Ansatz. Andere Forschungen erwägen die Möglichkeit, dass die Stärkung bestehender Verbindungen durch Lernen dazu beitragen kann, die Gehirnfunktion nach einer Verletzung wiederherzustellen, und dies könnte auch der Fall sein Förderung des Wachstums neuer Gehirnzellen , ein Prozess, der sich mit zunehmendem Alter verlangsamt.
Da zellbasierte Therapien noch in weiter Ferne liegen, sagen die Forscher hinter dieser neuesten Studie, dass ihre nächsten Schritte darin bestehen werden, zu untersuchen, was mit anderen Zelltypen (sie haben nur einen untersucht) und in anderen Gehirnbereichen nach einer Verletzung passieren könnte.
Zu untersuchen, ob die bei Mäusen beobachteten hirnweiten Schaltkreisveränderungen auch bei Menschen nach einer traumatischen Hirnverletzung sichtbar sind und ob sie möglicherweise zu Behinderungen und Epilepsie beitragen, wird später ein weiterer echter Test sein.
„Wenn wir verstehen, welche Arten von Plastizität nach einer Verletzung vorhanden sind, können wir das verletzte Gehirn mit einem sehr hohen Maß an Präzision wieder aufbauen.“ sagt Jagd. „Allerdings ist es sehr wichtig, dass wir diesem Ziel schrittweise näher kommen, und das braucht Zeit.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.