Signalstoffe mit großer Wirkung

Was wir täglich erleben oder lernen, wird in den mehr als 86 Milliarden Nervenzellen im Gehirn verteilt und gespeichert. Lernen und Erinnern sind lebenslange Prozesse, die im Gehirn stattfinden. Sind diese beeinträchtigt, kann dies zu problematischen kognitiven oder psychologischen Störungen führen. Oft gibt es dafür jedoch noch keine zufriedenstellenden Behandlungsmöglichkeiten. Um das zu ändern, gilt es also, Lern- und Gedächtnisprozesse besser zu verstehen.

Es ist bekannt, dass Motivation und Angst starken Einfluss auf das Lern- und Gedächtnisvermögen haben. Dabei gehen Motivation und Angst mit einer Veränderung von vielen Signalstoffen im Gehirn einher. Hier setzt die Forschung von Ass. Prof. Dr. Sarah Melzer von der Abteilung für Neuronale Zellbiologie der MedUni Wien an.

„Ziel unserer Forschung ist es, auf einer Seite die genauen Mechanismen von lebenswichtigen Lernprozessen herauszufinden, auf der anderen Seite aber auch zu verstehen, wie es zu psychologisch belastenden negativen Erinnerungen kommen kann“, erklärt die Neurowissenschafterin. Eine Reihe von Signalstoffen im Gehirn erlaubt es Nervenzellen miteinander zu kommunizieren und die Verarbeitung von neuen Eindrücken zu beeinflussen.

„Eine spezielle Klasse dieser Signalstoffe sind die sogenannten Neuropeptide. Sie bilden die Klasse mit der höchsten Diversität an Wirkungsweisen und Funktionen. Wir versuchen aufzudecken, welche Neuropeptide für die Lern- und Erinnerungsprozesse wichtig sind, und auf welche Weise diese wirken“, so Melzer.

Signalstoffe im Gehirn

Neuropeptide sind Signalmoleküle, die als Botenstoffe zwischen Neuronen und anderen Zelltypen im Gehirn dienen. Bislang sind mehr als 100 verschiedene Neuropeptide bekannt, von denen jedoch nur eine Minderheit gründlich untersucht wurde. Die Forschungsgruppe um Sarah Melzer versucht nun, neue Funktionen von Neuropeptiden bei der Regulierung von Emotionen und Kognition zu entdecken.

Das Gehirn reagiert auf Umweltveränderungen und Sinneseindrücke mithilfe neuronaler Schaltkreise. Physiologische und emotionale Zustände wie Stress und Freude können die Funktion solcher Schaltkreise stark beeinflussen und damit Sinneseindrücke und deren Abspeicherung im Gedächtnis verändern. Ein wichtiger neuronaler Prozess, der solchen Adaptionen zugrunde liegt, ist Neuromodulation – also die Beeinflussung des Gehirns.

Neuromodulatoren sind Moleküle oder Peptide, also die sogenannten Neuropeptide, die häufig von Nervenzellen ausgeschüttet werden und schon in kleinen Mengen den Zustand ganzer neuronaler Schaltkreise im Gehirn modulieren können.

Neues aufdecken

Einige Neuropeptide werden beispielsweise in stressvollen bis hin zu traumatischen Situationen ausgeschüttet und können infolgedessen die Verarbeitung von Sinneseindrücken oder kognitiven Prozessen beeinflussen. Andere Neuropeptide werden wiederum in besonders positiven Situationen ausgeschüttet und verstärken z. B. die positiven Erinnerungen. Melzer: „Für die meisten Neuropeptide sind die genauen Wirkungsmechanismen und deren Effekte auf das Lernen und Gedächtnis jedoch noch nicht im Detail erforscht. Wir hoffen, einige neuen Prinzipien aufdecken zu können.“

Mit neuen Techniken

Die Forschungsgruppe versucht zu verstehen, wie Neuropeptide neuronale Netzwerke modulieren, die an der Bildung und dem Abruf von positiven und negativen Assoziationserinnerungen beteiligt sind. Einschlägige Verhaltenstests werden in Kombination mit genetischen und optischen Instrumenten eingesetzt, um die zugrunde liegenden molekularen Pfade aufzudecken und die Netzwerkberechnungen zu visualisieren, die zur Verarbeitung relevanter sensorischer und affektiver Informationen beitragen.

Bei diesem vom WWTF geförderten Projekt kommen neue Techniken zum Einsatz, die es ermöglichen, die molekularen Effekte der Neuropeptide innerhalb der Nervenzellen im Detail sichtbar zu machen. Dazu erklärt Melzer: „Um die Funktionen der Neuropeptide zu prüfen, benutzen wir CRISPR-Cas9 Technologie, mit deren Hilfe wir einzelne Bausteine der neuropeptidergen Signalwege gezielt ,herausschneiden‘ können, und somit die kausalen Zusammenhänge zwischen den molekularen Mechanismen und den kognitiven Leistungen erforschen können.“

Neue Entdeckungen

Die Erforschung der Funktionen von Neuropeptiden ist von großem klinisch/therapeutischem Interesse, da viele Bausteine der neuropeptidergen Signalwege gezielt mit Peptid-Analoga erreicht werden könnten. „Wir hoffen daher auf viele Entdeckung von neuen und überraschenden Wirkungsweisen im Gehirn, die das Verständnis von kognitiven Leistungen und psychischen Belastungen und ihre Behandlung voranbringen könnten“ so Melzer.