Tiefe Hirnstimulation: So reagieren Zellen im menschlichen Gehirngewebe

Seit Jahrzehnten setzen Ärztinnen und Ärzte die Tiefe Hirnstimulation zur Behandlung der Parkinson-Krankheit und weiterer neurologischer Erkrankungen ein – trotzdem war bislang nicht vollständig geklärt, wie sie die Aktivität im menschlichen Gehirn verändert.

Hinweise kamen zwar aus Tierexperimenten und Computermodellen, doch direkt messen konnten Forschende bisher nicht, wie unterschiedliche Zelltypen des menschlichen Gehirns auf die Stimulation reagieren. Diese Arbeit kombiniert erstmals elektrische Ableitungen mit der Analyse der Genaktivität in lebendem menschlichem Hirngewebe.

Kurze elektrische Impulse veränderten lebende menschliche Gewebeschnitte auf eine Weise, die so zuvor noch nicht erfasst worden war. Die Effekte betrafen sowohl Neuronen als auch die stützenden Zelltypen des Gehirns.

Tiefe Hirnstimulation bleibt ein Rätsel

Der überwiegende Teil der Versuche fand an Scheiben menschlicher Grosshirnrinde in einer Schale statt – nicht im Gehirn eines lebenden Menschen – und die elektrischen Pulse wurden nur 15 Minuten lang gegeben.

In der Klinik ist diese Stimulation bereits Standard bei Bewegungsstörungen wie der Parkinson-Krankheit; zudem wird sie auf Zwangsstörungen, Depressionen und Gedächtnisfunktionen ausgeweitet. Welche Gehirnzellen in menschlichem Gewebe überhaupt auf Tiefe Hirnstimulation ansprechen, war zuvor jedoch nicht gemessen worden.

Geleitet wurde die Studie von Genevieve Konopka, Vorsitzende des Department of Neurobiology bei UCLA Health, und Bradley Lega, Neurochirurg am UT Southwestern Medical Center, gemeinsam mit Co-Autorinnen und Co-Autoren der Medical University of South Carolina und der UC Santa Cruz.

„Es ist noch nicht so weit, dass man es in die Klinik übersetzen kann, aber es ist ein guter erster Schritt“, sagte Konopka gegenüber Earth.com.

Hirngewebe auf Elektroden-Chips

Das Team erhielt Gewebeproben von zwölf Patientinnen und Patienten. Bei Epilepsie-Operationen wird der vordere Teil des Temporallappens als Ganzes entfernt; daraus wurde ein kleiner Block entnommen und unmittelbar in eiskalte Flüssigkeit gegeben.

Das entnommene Material stammte nicht aus der Region, in der die Anfälle ihren Ursprung hatten.

Innerhalb von zehn Minuten wurde in einer sterilen Werkbank ein etwa zuckerwürfelgrosses Stück in sehr dünne Scheiben geschnitten – rund 250 Mikrometer dick – und anschliessend in sauerstoffreicher Flüssigkeit erwärmt. Die Neuronen feuerten weiterhin spontan, was dem Team zeigte, dass das Gewebe lebendig blieb.

Jede Scheibe wurde danach auf einen Chip mit vielen Elektroden gelegt: erst ableiten, dann 15 Minuten lang kurze Impulsserien über die gesamte Scheibe geben, anschliessend erneut ableiten. Insgesamt wurde dieser Ablauf 37-mal durchgeführt.

Pyramidenneuronen reagierten am stärksten

Die Forschenden identifizierten 494 Neuronen und ordneten sie anhand der Form ihrer elektrischen Spikes sieben Gruppen zu. Nach der Stimulation feuerten alle Gruppen schneller. In vier der sieben Gruppen ist es nach Einschätzung des Teams unwahrscheinlich, dass die beobachtete Beschleunigung zufällig zustande kam.

Am deutlichsten reagierten breitspikige Zellen – grosse Pyramidenneuronen, die Signale aus der Grosshirnrinde heraus weiterleiten. Dagegen veränderten sich schmalspikige Zellen, also lokale Interneuronen, die Aktivität eher dämpfen, nur wenig.

Auch Neuronenpaare begannen, zeitlich enger aufeinander abgestimmt zu feuern – am stärksten zwischen zwei Pyramidenzellen. Das Team korrigierte dabei für die generelle Zunahme der Feuerrate; der Unterschied blieb dennoch bestehen.

Neuronale Assemblies wurden stabiler

Wenn mehrere Neuronen wiederholt innerhalb von ungefähr 25 Millisekunden gemeinsam feuern, sprechen Neurowissenschaftlerinnen und -wissenschaftler von einer „Assembly“.

Solche Assemblies wurden in lebenden menschlichen Gehirnen bereits gezählt – etwa in Aufzeichnungen von Personen, denen zur Epilepsiediagnostik Elektroden implantiert wurden –, jedoch noch nie in einem Gewebeschnitt.

In den Scheiben fand das Team 19 Assemblies.

Nach der Stimulation war das gemeinsame Feuern innerhalb jeder Assembly ausgeprägter, und die stärksten Ereignisse traten häufiger auf. Bei elf der 19 Assemblies nahm diese Verstärkung in den Minuten danach weiter zu.

Zudem wechselten Neuronen nach der Stimulation etwa doppelt so oft hinein und wieder heraus aus Assemblies. Viele beteiligte Zellen lagen gebündelt um Kortexschicht 4, etwa 1.500 Mikrometer unter der Oberfläche.

Gene wurden in bestimmten Zellen angeschaltet

Zusätzlich fror das Team stimulierte und nicht stimulierte Scheiben von sechs der Patientinnen und Patienten ein und analysierte die Genaktivität in 50.067 Zellkernen.

Besonders auffällig waren Pyramidenneuronen in Schicht 4: Bei ihnen änderten sich Hunderte Gene, und nahezu alle waren hochreguliert.

Unter den aktivierten Genen waren FOS und EGR1, die innerhalb von Minuten nach neuronaler Aktivität anspringen, sowie BDNF, das den Aufbau von Synapsen unterstützt. Interneuronen zeigten dagegen nur sehr wenige Genänderungen.

Anschliessend überprüfte das Team die Befunde in lebenden Menschen. Bei acht weiteren Patientinnen und Patienten wurden während einer Operation vier Minuten lang Ströme im präfrontalen Kortex angelegt, um Sprache und Bewegung zu kartieren; das Gewebe wurde innerhalb von 15 Minuten eingefroren. In beiden Situationen – im Schnitt und im OP-Kontext – schalteten Pyramidenneuronen in den Schichten 3 und 5 viele der gleichen Gene hoch.

Konopka erklärte, das Team habe deutlich mehr aktivitätsbezogene Gene gefunden als bislang bekannt gewesen sei, und führte das auf das verwendete Material zurück.

„Ich glaube, das lag daran, dass wir intaktes menschliches Hirngewebe mit allen vorhandenen Zelltypen nutzen konnten, statt einer vereinfachten Zellkultur mit nur einem Zelltyp“, sagte sie.

Stützzellen reagierten unerwartet

Im Kortex gibt es neben Neuronen weitere Zelltypen. Astrozyten versorgen Synapsen, Mikroglia räumen Zelltrümmer ab, und Oligodendrozyten umhüllen Nervenfasern mit Myelin – einer fettreichen Schicht, die die Signalweiterleitung beschleunigt.

Nach der Stimulation zeigten all diese Zelltypen Genveränderungen. Am stärksten reagierten Oligodendrozyten, ihre Vorläuferzellen sowie Astrozyten. Bei den acht operierten Patientinnen und Patienten veränderten Oligodendrozyten mehr Gene als jede andere Stützzelle – und nahezu alle wurden herunterreguliert.

Auf die Frage von Earth.com, was sie an den Stützzellen am meisten überrascht habe, nannte Konopka die Oligodendrozyten.

„Ich war überrascht, dass Oligodendrozyten und ihre Vorläufer so robust reagierten“, sagte sie. „In der Literatur gab es Hypothesen, dass Astrozyten möglicherweise eine Rolle spielen, aber Oligodendrozyten wurden nicht so häufig diskutiert.“

Die Studie testete nur kurze Stimulation

In der klinischen Anwendung läuft Tiefe Hirnstimulation über Jahre. In dieser Studie dauerte die Stimulation dagegen 15 Minuten, und die Aufzeichnungen endeten bereits 10 bis 15 Minuten nach dem letzten Impuls – zu kurz, um beurteilen zu können, ob die Effekte anhalten.

„Wir müssen verstehen, wie diese Veränderungen über die Zeit hinweg bestehen bleiben oder auch nicht, weil Tiefe Hirnstimulation üblicherweise ein langfristiger Ansatz ist und unser Stimulationsparadigma sehr kurzfristig war“, schrieb Konopka in Antworten an Earth.com.

Das untersuchte Gewebe stammte aus dem Temporallappen und dem präfrontalen Kortex, also aus Bereichen nahe der Gehirnoberfläche. Die Behandlung der Parkinson-Krankheit zielt dagegen auf deutlich tiefer liegende Regionen, die in dieser Arbeit nicht untersucht wurden.

Ausserdem verwendete das Team nur eine einzige Einstellung für die Pulse: Die Ladung orientierte sich an einem klinischen Gerät und wurde so gewählt, dass keine bleibenden Gewebeveränderungen ausgelöst werden sollten. Andere Frequenzen, Intensitäten und Muster wurden nicht getestet.

Bislang hat niemand beobachtet, dass eine menschliche neuronale Assembly über einen Tag oder eine Woche hinweg dieselben Neuronen beibehält. Konopkas Team will kultivierte Gewebeschnitte über längere Zeiträume stimulieren und prüfen, welche Effekte bestehen bleiben.

Die vollständige Studie erschien in der Fachzeitschrift Nature.