Drei Arten von Zellen helfen dem Gehirn, Tag und Nacht zu unterscheiden

Drei Arten von Zellen helfen dem Gehirn, Tag und Nacht zu unterscheiden

Salk-Forscher identifizieren lichtempfindliche Zellen im Menschen, die offenbar dabei helfen, gesunde Tag-Nacht-Zyklen zu etablieren

LA JOLLA – Helles Licht in der Nacht unterbricht den normalen Tag-Nacht-Zyklus des Körpers, den sogenannten zirkadianen Rhythmus, und kann Schlaflosigkeit auslösen. Tatsächlich spielen zirkadiane Rhythmen eine wichtige Rolle für die Gesundheit. Gestörte Tag-Nacht-Zyklen werden sogar mit einem erhöhten Auftreten von Krankheiten wie Krebs, Herzerkrankungen, Fettleibigkeit, depressiven Störungen und Typ-2-Diabetes bei Menschen, die Nachtschichten arbeiten, in Verbindung gebracht. Daher könnte das Verständnis, wie menschliche Augen Licht wahrnehmen, zu „intelligenten“ Lichtern führen, die Depressionen vorbeugen, den Schlaf in der Nacht fördern und einen gesunden Tagesrhythmus aufrechterhalten können.

Kurz und Forschung In einer am 5. Dezember 2019 veröffentlichten Studie berichten Forscher des Salk Institute über die Entdeckung von drei Zelltypen im Auge, die Licht erkennen und den zirkadianen Rhythmus des Gehirns an unser Umgebungslicht anpassen. Die Studie stellt die erste direkte Untersuchung der Lichtreaktionen dieser Zellen, sogenannte intrinsisch lichtempfindliche retinale Ganglienzellen (ipRGCs), beim Menschen dar – und die Auswirkungen auf die Gesundheit sind erheblich.

„Wir sind größtenteils zu einer in Innenräumen lebenden Spezies geworden und sind dem natürlichen Kreislauf von Tageslicht am Tag und nahezu völliger Dunkelheit in der Nacht entzogen“, sagt Salk-Professor Satchidananda-Panda, leitender Autor des Artikels. „Wenn wir verstehen, wie ipRGCs auf die Qualität, Quantität, Dauer und Reihenfolge des Lichts reagieren, können wir eine bessere Beleuchtung für Intensivstationen für Neugeborene, Intensivstationen, Kindertagesstätten, Schulen, Fabriken, Büros, Krankenhäuser, Altersheime und sogar die Raumstation entwerfen.“

Dieses neue Verständnis von ipRGCs könnte auch zukünftige Forschungen zur Entwicklung therapeutischer Beleuchtung vorantreiben, die Depressionen, Schlaflosigkeit, Aufmerksamkeitsdefizit- und Hyperaktivitätsstörung (ADHS), Migräneschmerzen und sogar Schlafprobleme bei Patienten mit Alzheimer-Krankheit behandeln können.

„Es wird auch eine Reihe von Möglichkeiten eröffnen, neue Medikamente auszuprobieren oder an bestimmten Krankheiten zu arbeiten, die spezifisch für den Menschen sind“, sagt Ludovic Mure, Postdoktorand im Panda-Labor und Erstautor der neuen Studie.

Während ipRGCs bereits zuvor in der Netzhaut von Mäusen identifiziert wurden, wurde über diese Zellen beim Menschen noch nie berichtet. Für die neue Studie verwendete das Salk-Team eine neue Methode, die von den Studienmitautoren Anne Hanneken vom Scripps Research Institute und Frans Vinberg vom John A. Moran Eye Center der University of Utah entwickelt wurde, um Netzhautproben nach dem Tod der Spender gesund und funktionsfähig zu halten . Anschließend platzierten die Forscher diese Proben auf einem Elektrodengitter, um zu untersuchen, wie sie auf Licht reagierten.

Sie fanden heraus, dass eine kleine Gruppe von Zellen bereits nach einem 30-sekündigen Lichtimpuls zu feuern begann. Nachdem das Licht ausgeschaltet wurde, dauerte es mehrere Sekunden, bis einige dieser Zellen aufhörten zu feuern. Die Forscher testeten verschiedene Lichtfarben und stellten fest, dass diese „intrinsisch lichtempfindlichen“ Zellen am empfindlichsten auf blaues Licht reagierten – den Typ, der in beliebten kaltweißen LED-Leuchten und in vielen unserer Geräte wie Smartphones und Laptops verwendet wird.

Folgeexperimente ergaben drei verschiedene Arten von ipRGCs. Typ 1 reagierte relativ schnell auf Licht, das Ausschalten dauerte jedoch lange. Typ 2 brauchte länger zum Einschalten und auch sehr lange zum Ausschalten. Typ 3 reagierte nur, wenn das Licht sehr hell war, schaltete sich jedoch schneller ein und schaltete sich wieder aus, sobald das Licht verschwunden war. Wenn Forscher verstehen, wie die einzelnen ipRGC-Typen funktionieren, können sie möglicherweise besser Beleuchtung oder sogar Therapeutika entwickeln, die die Zellaktivität ein- oder ausschalten können.

Die neue Studie trägt tatsächlich dazu bei, ein Phänomen zu erklären, über das in früheren Studien an einigen Blinden berichtet wurde. Obwohl diese Menschen nicht sehen können, sind sie dennoch in der Lage, ihren Schlaf-Wach-Rhythmus und ihren Tagesrhythmus an einen Tag-Nacht-Zyklus anzupassen. Sie müssen also irgendwie Licht wahrnehmen.

Nun scheint es, dass ipRGCs die Zellen sind, die dafür verantwortlich sind, dieses Lichtsignal an das Gehirn zu senden, selbst bei Menschen, denen die Stäbchen- und Zapfenzellen fehlen, die zur Weiterleitung eines Bildes an das Gehirn erforderlich sind.

Es scheint auch, dass ipRGCs bei Menschen mit funktionsfähigen Stäbchen und Zapfen tatsächlich eng mit diesen anderen Sehzellen zusammenarbeiten. Die neue Studie legt nahe, dass ipRGCs ihr eigenes Licht empfindlich mit dem von den Stäbchen und Zapfen erfassten Licht kombinieren können, um Helligkeits- und Kontrastinformationen zu dem hinzuzufügen, was wir sehen.

„Dies verleiht der Entwicklung besserer Fernseher, Computermonitore und Smartphone-Bildschirme eine weitere Dimension, bei der eine Änderung des Anteils des blauen Lichts das Gehirn dazu verleiten kann, ein Bild als hell oder dunkel zu sehen“, sagt Panda.

Laut Panda wird der nächste Schritt dieser Forschung darin bestehen, die Nettoleistung dieser Zellen bei unterschiedlichen Lichtfarben, -intensitäten und -dauern zu untersuchen – zum Beispiel indem man vergleicht, wie sie auf kurze Lichtimpulse im Vergleich zu einer längeren Dauer von einigen Minuten reagieren. Das Team interessiert sich auch dafür, wie die Zellen auf Lichtsequenzen reagieren, etwa auf ein blaues Licht, das orange wird oder umgekehrt, was einen Teil der Lichtvielfalt nachahmen würde, die wir in der Natur im Morgen- und Abendlicht antreffen.

„Die Wiederholung dieser Experimente an Spender-Netzhautpräparaten verschiedener Altersstufen wird uns auch helfen zu verstehen, ob und inwieweit sich junge und ältere Personen in ihrer ipRGC-Funktion unterscheiden, was bei der Gestaltung von Innenbeleuchtung für eine bessere Tag-Nacht-Synchronisation im Allgemeinen und vielleicht sogar bei solchen Anwendungen hilfreich sein könnte.“ als Stimmungsverbesserung bei älteren Menschen und Patienten mit Demenz“, sagt Panda.

Weitere Autoren waren Frans Vinberg vom John A. Moran Eye Center der University of Utah und Anne Hanneken von Scripps Research.

Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health (Zuschüsse EY 016807 und EY026651), Zuschüssen philanthropischer Stiftungen sowie Stipendien der Fondation Fyssen und der Catharina Foundation finanziert.

DOI: 10.1126/science.aaz0898