Mit Licht kann man Nerven im Gehirn von Mäusen an- und ausschalten und testen, ob sie Emotionen wie Angst oder Freude steuern. So will man Schaltkreise finden, die auch bei uns Gefühle lenken.
Da wir an Mäusen forschen, geht es bei uns nicht um Emotionen wie Liebe und Glücklichsein“, sagt Wulf Haubensak. „Doch wir erforschen die Grundfrage, wie emotionale Zustände im Gehirn zustande kommen.“ Das klappt bei Mäusen gut, denn auch die freuen sich, wenn sie belohnt werden (positive Emotion). Das Belohnungssystem ist eine der Fragen, die Haubensak und sein Team am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) in der Wiener Dr.-Bohr-Gasse angehen, dazu gehört auch die Frage, wie Sucht (nach Belohnung) entsteht.
Das zweite wichtige System bestimmt negative emotionale Zustände wie Angst und Furcht. Beides kann man durch die Pawlowsche Konditionierung erkunden: Wenn man ein Signal, z.B. einen Ton, mit einem leichten Elektroschock (ähnlich einem elektrischen Weidezaun) verbindet, lernt die Maus diesen Zusammenhang und fürchtet sich vor dem Tonsignal. Freude erzeugt man bei den Tieren, genauso wie bei uns, indem man ein Signal mit einer Belohnung assoziiert, also einem Leckerli. Dann läuft den Mäusen schon beim Klingeln des Tons das Wasser im Mund zusammen.
„Wir vereinfachen die Welt der Emotionen, die auch bei Menschen bekannt sind – je nach Kulturkreis sind das unterschiedlich viele, meistens zehn emotionale Zustände –, auf zwei: negativer Furcht- und positiver Belohnungszustand. Bisher ist unklar, ob es für jede einzelne Emotion einen eigenen Bereich oder Schaltkreis im Gehirn gibt, oder ob wir mit ein paar Grundsystemen ausgestattet sind, die je nach Emotion unterschiedlich stark reagieren“, sagt Haubensak. Dann wäre es die spezielle Mischung der Grundemotionen, die das ausmachen, was wir als Freude, Angst, Zorn, Leid, Überraschung, Scham, Schuld oder was auch immer empfinden.
Haubensak hat zur Erforschung dieser Fragen nun einen ERC-Starting Grant des Europäischen Forschungsrates bekommen (ca. 1,5 Mio. Euro über fünf Jahre). „Aus Sicht der Psychologie sind viele dieser Fragen schon bearbeitet, doch in der Neurowissenschaft wurde noch nicht komplett gezeigt, wie gegensätzliche Emotionen im Gehirn verschaltet sind“, sagt er.
Kartierung des Gehirns. Dass Freude und Weinen nahe beieinanderliegen, wissen nicht nur Psychologen, sondern wir alle. Auch die Systeme für Angst und für Belohnung sind eng verzahnt. „Doch was genau im Gehirn abläuft, weiß man nicht.“ Das ist es, was ihn als Forscher antreibt: „Die Erkundung des ,mentalen Ichs‘. Hm, das klingt so nach Freud: Sagen wir besser, wir wollen das ,mentale Selbst‘ verstehen, den Geist oder ,the mind‘“, sagt Haubensak.
„Seit etwa 200 Jahren ist klar, dass der Geist oder die Seele im Gehirn sitzen und nicht im Herz: Seither fragen wir uns, wie das funktioniert.“ Früher konnte man nur anhand von neurologischen Störungen oder Ausfällen einer Gehirnregion erkennen, wofür diese verantwortlich ist: Menschen mit Verletzungen der mandelförmigen Hirnstruktur Amygdala (Mandelkerne) verloren ihre Angst, Rhesusaffen mit Störungen im Temporallappen hatten plötzlich weder Angst noch Freude, sie waren „emotional indifferent“. Es folgten sogenannte „chirurgische Experimente“ an Tieren, die zeigten, welche Region für welches Verhalten zuständig ist. Weiters zeigten Elektroden in den Nervenzellen (Elektrophysiologie) und Magnetresonanzdaten, welche Neuronen bei welchen Emotionen aktiv sind. „Durch pharmakologische Studien wurde dieses Wissen noch verfeinert: Nun haben wir eine grobe Kartierung des Gehirns und seiner Zentren“, sagt Haubensak.
„Dass das limbische System, zu dem die Mandelkerne, Temporallappen und der präfrontale Kortex gehören, das Emotionszentrum ist, ist nun bekannt“, sagt Haubensak. „Es verbindet Umweltsignale mit emotionalen Zuständen und löst so bestimmte Verhaltensweisen aus.“ Emotionen entstehen quasi an der Schnittstelle von Sensorik und Motorik. „Obwohl man weiß, wie wichtig die limbischen Strukturen, z.B. die Amygdala, sind, welche Psychopharmaka auf dortige Rezeptoren wirken und welche psychiatrischen Störungen dort ihren Ursprung haben, ist bisher noch unbekannt, wie die Neuronengruppen untereinander verschaltet sind.“ Wäre unser Gehirn ein Computer, wüsste man, welche Speicherchips oder CPUs es auf dem Motherboard gibt und wie die miteinander verkabelt sind. Doch was in den einzelnen Elementen passiert, ist noch eine „Blackbox“.
Um in diese Blackbox Licht zu bringen, verkabelt das Team um Haubensak nun Mäuse im Keller des Vienna Biocenters. Die Mäuse stört es kaum, wenn sie eine Kanüle im Gehirn haben – ähnlich wie ein Venflon oder eine Drainage, die Patienten ständig am Körper tragen. Diese Kanüle bringt wortwörtlich Licht in das Gehirn der Mäuse. Die junge Methode der „Optogenetik“ macht es möglich, dass Lichtimpulse einzelne Nervenzellen bzw. bestimmte Gruppen von Nervenzellen wie mit einer Fernsteuerung anschalten (blaues Licht) und abschalten (rotes Licht). Der Laser steht außerhalb der Versuchsarena, ein Lichtkabel verbindet diesen mit dem Inneren des Mäusekopfs. Videokameras beobachten, was das Tier macht, und je nach Verhaltensänderung bei an- oder ausgeschalteten Neuronen kann man erkennen, ob die Maus weniger ängstlich war (Furchtstudien) oder sich in einem Abschnitt des Versuchsraumes wohler fühlte (Belohnungsstudien).
Die Optogenetik wird durch Algen-Gene ermöglicht, die bei Licht aktiv oder nicht aktiv sind – Mäuse mit den eingebauten Algen-Genen werden hier in Wien gezüchtet. Doch um zu wissen, welche Neuronen innerhalb der Mandelkerne zur gleichen Gruppe gehören (die man an- und abschalten will), muss man die Schaltkreise im Gehirn genauestens kartieren.
Leuchtende Neuronen. Auch das klappt mit neuen Methoden: Modifizierte (nicht ansteckende) Viren können in die Maus eingeschleust werden. „Ein Virus, wie z.B. Tollwut, kommt ja beim Menschen auch vom Bein, wo einen der Hund beißt, bis in das Gehirn: Das Virus wandert über die Nervenzellen, springt über Synapsen, bis es dort ist, wo es hinwill“, erklärt Haubensak. Die genetisch veränderten Viren haben den Baustein für Leuchtproteine in ihrer DNA verankert, daher hinterlassen sie auf ihrem Weg durch das Mäusehirn in jeder Zelle fluoreszierende Proteine: So entdecken Forscher mit modernen Mikroskopen quasi eine Leuchtspur in den Gehirnzellen, die genau anzeigt, welche Nervenzellen wie verschaltet und verbunden sind.
Daher spricht der Neurowissenschaftler gern von Schaltkreisen, die erkennen lassen, welche Zellgruppen innerhalb der Mandelkerne für Furcht, welche für Erregung zuständig sind. Haubensak hat auf diese Weise in den USA (als Assistent bei David Anderson am California Institute of Technology) einen Schaltkreismechanismus entdeckt, der als „Türwächter“ den Ausgang des limbischen Systems bewacht und so Angstantworten steuert. Dieser Mechanismus könnte erklären, wie Psychopharmaka, die gegen Panikattacken helfen, im Hirn arbeiten: „Diese Angstlöser aktivieren die Türwächter der Mandelkerne, die so eine Panikreaktion blockieren“, sagt Haubensak.
Ähnliche Karten von Schaltkreisen und Verbindungen der Gehirnzellen suchen die Neurowissenschaftler nun am IMP – mit der Hoffnung, Emotionen besser zu verstehen. Weiters soll die Wirkweise von bereits verwendeten Psychopharmaka aufgeklärt und der Weg für neue Arzneien geebnet werden: „Wenn man den Schaltkreis genau kennt, könnte man die Medikamente so anpassen, dass sie nur diese Zellen betreffen und keine anderen: Das würde zu weniger Nebenwirkungen bei Psychopharmaka führen.“
Das Schlagwort dazu heißt „Schaltkreis-Therapeutika“: Sie versuchen, einen Schaltkreis, der bei Störungen aus dem Ruder gelaufen ist, wieder in Balance zu bringen. „Man kann davon ausgehen, dass emotionale Störungen wie Depressionen, Suchterkrankungen und vieles mehr in unserer reizüberfluteten Leistungsgesellschaft nicht abnehmen werden, die Entwicklung der letzten Jahre zeigt eher das Gegenteil“, so Haubensak.
ERC-Grants
Der Europäische Forschungsrat (ERC)hat heuer wieder über 500 „Starting Grants“ (aus mehr als 4700 Einreichungen) vergeben. Neun
davon gingen nach Österreich, einer davon an Wulf Haubensak (IMP). Dieser Grant ist mit bis zu zwei Millionen Euro für bis zu fünf Jahre dotiert.
Unter den weiteren ERC-Grantees des Jahres finden sich bereits bekannte Jungwissenschaftler wie die Wolfs- und Hundeforscherin Friederike Range (Vet-Med-Uni Wien), der Energieforscher Anthony Patt (IIASA in Laxenburg), die Ägyptologin Julia Budka (ÖAW), der Lipid-Forscher Erik Reimhult oder der Immunologe Kaan Boztug (CeMM).
("Die Presse", Print-Ausgabe, 30.09.2012)