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Studie könnte zum besseren Verständnis von Hirnerkrankungen beitragen

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Neurowissenschaftler entdecken bislang unbekannte Funktion von Cannabinoid-Rezeptor
Studie könnte zum besseren Verständnis von Hirnerkrankungen beitragen

Berlin, 02.05.2016 Im Gehirn herrscht ein sensibles Zusammenspiel von Signalstoffen und zellulärer Aktivität. Wissenschaftler der Charité – Universitätsmedizin Berlin und des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) haben in diesem Orchester einen weiteren Akteur identifiziert: In einer Laborstudie stellten sie fest, dass der sogenannte Cannabinoid-Rezeptor Typ 2 die Informationsverarbeitung innerhalb des Hippocampus beeinflusst. Dieses Hirnareal ist maßgeblich an der Bildung von Langzeit-Erinnerungen beteiligt. Die Erkenntnisse könnten zu einem besseren Verständnis der Krankheitsmechanismen von Schizophrenie und Alzheimer beitragen, sie sind im aktuellen im Fachjournal Neuron* veröffentlicht.

Der Cannabinoid-Rezeptor Typ 2, auch CB2-Rezeptor genannt, ist ein spezielles Membranprotein, über das eine Zelle chemische Signale empfangen kann. Dadurch wird ihre Aktivität gesteuert. „Dieser Rezeptor galt bisher vor allem als Teil des Immunsystems, ohne Funktion in Nervenzellen. Unsere Studie zeigt nun, dass er auch für die Signalverarbeitung des Gehirns eine wichtige Rolle spielt“, erläutert Prof. Dr. Dietmar Schmitz, Direktor des Neurowissenschaftlichen Forschungszentrums an der Charité (NWFZ) und Berliner Standortsprecher des DZNE. Neben Berliner Fachkollegen haben sich an der aktuellen Studie auch Wissenschaftler der Universität Bonn und des US-amerikanischen National Institute on Drug Abuse beteiligt.

Wie die Forscher im Tiermodell nachweisen konnten, hebt der CB2-Rezeptor die Erregungsschwelle von Nervenzellen des Hippocampus. „Die Arbeitsweise des Gehirns beruht darauf, dass Nervenimpulse auf nachgeschaltete Zellen in manchen Situationen erregend, in anderen Fällen unterdrückend wirken“, sagt Dr. Vanessa Stempel, Erstautorin der aktuellen Veröffentlichung. „Der CB2-Rezeptor wirkt wie eine Stellschraube, mit der solche Kommunikationsprozesse justiert werden“, so die Wissenschaftlerin weiter, die inzwischen im britischen Cambridge forscht.

Der CB2-Rezeptor zählt zum endogenen Cannabinoid-Systems (ECS). Diese Familie aus Rezeptoren und Botenstoffen kommt bei vielen Lebewesen vor, so auch beim Menschen. Es handelt sich um ein biochemisches Regelsystem, das an der Steuerung zahlreicher physiologischer Vorgänge beteiligt ist. Sein Name basiert auf der bereits länger bekannten Tatsache, dass Wirkstoffe der Cannabispflanze an Rezeptoren des ECS ankoppeln. Bislang sind zwei Sorten solcher Rezeptoren bekannt. Der CB2-Rezeptor hat keine psychoaktive Wirkung. Die durch Einnahme von Cannabis aufgelösten Rauscheffekte werden daher dem Cannabinoid-Rezeptor Typ 1 zugeschrieben.

Die Ergebnisse der aktuellen Studie könnten zum besseren Verständnis von Krankheitsmechanismen beitragen und einen Ansatzpunkt für neuartige Medikamente aufzeigen. „Bei Schizophrenie, Depression, Alzheimer und anderen neuropsychiatrischen Erkrankungen ist die Hirnaktivität gestört. Pharmaka, die an den CB2-Rezeptor binden, könnten die Aktivität der Hirnzellen möglicherweise beeinflussen und somit Bestandteil einer Therapie sein“, resümiert Prof. Schmitz.

*A. Vanessa Stempel, Alexander Stumpf, Hai-Ying Zhang, Tugba Özdogan, Ulrike Pannasch, Anne-Kathrin Theis, David-Marian Otte, Alexandra Wojtalla, Ildikó Rácz, Alexey Ponomarenko, Zheng-Xiong Xi, Andreas Zimmer, Dietmar Schmitz. Cannabinoid type 2 receptors mediate a cell type-specific plasticity in the hippocampus. April 2016, Neuron. doi: 10.1016/j.neuron.2016.03.034.
http://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(16)30025-3

Hirnstimulation zur Behandlung von Parkinson

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Geschlossener Regelkreis, geringere Nebenwirkung

Anpassungsfähige Stimulation könnte Patienten mit neurologischen Erkrankungen wie Parkinson deutlich entlasten

Gehirnaktivität

Ein Gerät zeichnet die Gehirnaktivität eines Patienten auf und passt dadurch die Stärke der Stimulation an dessen individuelle Bedürfnisse an. Quelle: Gunnar Grah/BrainLinks-Braintools

Könnten beim Einsatz tiefer Hirnstimulation zur Behandlung von Parkinson potenzielle Nebenwirkungen mithilfe eines so genannten geschlossenen Regelkreises vermieden werden, der sich individuell an die Symptome der Patientin oder des Patienten anpasst? Mit dieser Frage beschäftigen sich der Neurowissenschaftler Dr. Ioannis Vlachos und seine Kollegen Taskin Deniz, Prof. Dr. Arvind Kumar und Prof. Dr. Ad Aertsen in einer aktuellen Studie, die in der Fachzeitschrift „PLoS Computational Biology“ erschienen ist.

Der Ansatz der Wissenschaftler des Bernstein Centers Freiburg und des Exzellenzclusters BrainLinks-BrainTools an der Albert-Ludwigs-Universität könnte die Entwicklung neuer Methoden bei der Behandlung von Parkinson um einen entscheidenden Schritt voranbringen: „Es gibt derzeit nur zwei etablierte Therapieansätze bei dieser Erkrankung. Entweder man verabreicht Medikamente oder man wendet die Tiefenhirnstimulation an“, erklärt Vlachos. Bei der letzteren wird eine Elektrode in das Gehirn des Patienten implantiert, die kontinuierlich Stimulationssignale aussendet. Das bezeichnen Forscherinnen und Forscher als offenen Regelkreis. „Im Prinzip funktioniert diese Methode ähnlich wie ein Herzschrittmacher“, sagt Vlachos. Die Symptome von Parkinson sind jedoch nicht konstant. Den Freiburger Wissenschaftlern zufolge sei es deswegen nicht effizient, durchgehend mit demselben Signal zu stimulieren.

„Beim geschlossenen Regelkreis passt die Elektrode die Stimulation an die momentanen Symptome des Patienten an. Wir hoffen, damit mögliche Nebenwirkungen wie Gang- oder Sprachstörungen zu vermeiden, die bei der konventionellen Behandlung mit Tiefenhirnstimulation entstehen können“, erläutert Vlachos.

Bei dem neuen Ansatz wird die Gehirnaktivität aufgezeichnet und an ein neuroprothetisches Gerät übermittelt. Das Stimulationssignal kann dadurch kontinuierlich angepasst werden. Das Steuergerät überwacht pausenlos jene Gehirnaktivitäten, die eine Parkinson’sche Erkrankung auszeichnen. Die gewonnenen Daten bestimmen die Intensität der Stimulation. Ist eine stärkere Stimulation notwendig, sendet das Gerät stärkere Signale aus. Nimmt die Aktivität ab, wird auch das Signal schwächer. Sind die Gehirnaktivitäten normal, bleibt das Gerät inaktiv. „Dies sorgt darüber hinaus für eine längere Lebensdauer der Batterie sowie für größere Wartungsintervalle und erhöht so die Lebensqualität der Patienten“, berichtet der Forscher.

Auch bei der Behandlung anderer Erkrankungen des Gehirns wie Epilepsie oder Schizophrenie könnte der Ansatz Anwendung finden. Zudem halten die Forscher die Entwicklung von Methoden für möglich, die ohne Implantat auskommen, etwa die transkranielle Stimulation. Dabei wird das Gehirn von außen stimuliert, ohne dass es notwendig ist, ein Loch in den Schädel zu bohren und eine Elektrode in das Gehirn einzusetzen.

Die Methode könnte laut Vlachos auch neue Erkenntnisse zu grundsätzlichen neurowissenschaftlichen Fragen ermöglichen: „Wenn beispielsweise Tiere ihre Aufmerksamkeit auf einen bestimmten Reiz richten, erhöhen sich die Oszillationen in der Hirnaktivität. Mithilfe unseres Verfahrens können wir die Stärke dieser Schwingungen verändern und somit überprüfen, ob und wie die Aufmerksamkeit durch solche Oszillationen des Netzwerkes beeinflusst wird.“ Nachdem nun Computersimulationen erste Ergebnisse geliefert haben, planen die Forscher im nächsten Schritt, die Methode an Tiermodellen zu überprüfen, bevor sie auch beim Menschen zum Einsatz kommen kann.

Originalveröffentlichung:
Vlachos I, Deniz T, Aertsen A, Kumar A (2016) Recovery of dynamics and function in spiking neural networks by closed-loop control. In: PLoS Computational Biology, http://dx.doi.org/10.1101/030189.