Mit zehn Fühlern dem Tiefschlaf auf der Spur: Dieses Mikroskop hat maßgeblich dazu beigetragen, die Wirkung der schlaftypischen langsamen Wellen zu entschlüsseln. Ausgestattet mit zehn Glaspipetten, die über Roboterarme nanometergenau ansteuerbar sind, kann es die elektrische Aktivität von ebenso vielen Nervenzellen im Gewebeverbund stimulieren und auslesen. © Charité / Franz Xaver Mittermaier

Für die Studie untersuchte das Forschungsteam intaktes Gewebe aus der Hirnrinde von 45 Patienten und Patientinnen, die sich an der Charité, dem Evangelischen Klinikum Bethel oder dem Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf einem neurochirurgischen Eingriff zur Behandlung einer Epilepsie oder eines Hirntumors unterzogen hatten. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen simulierten in dem Gewebe die Spannungsschwankungen, die für langsame Wellen im Tiefschlaf typisch sind, und maßen dann die Reaktion der Nervenzellen. Dazu verwendeten sie sehr feine Glaspipetten, die sie nanometergenau an einzelne Nervenzellen andockten. Um die Kommunikation mehrerer Neurone im Gewebeverbund "beobachten" zu können, setzten sie zehn "Pipettenfühler" gleichzeitig ein – eine für diese als Multipatch-Technik bezeichnete Methode besonders hohe Zahl.

Slow-Wave-Schlaf und Gedächtnisbildung

Das Forschungsteam fand mit dieser Methode heraus, dass die synaptischen Verbindungen zwischen den Neuronen der Hirnrinde zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt während der Spannungsschwankungen maximal verstärkt sind. "Die Synapsen arbeiten am effizientesten, direkt nachdem die Spannung von einem niedrigen Niveau auf ein hohes angestiegen ist", erläutert Franz Xaver Mittermaier, Wissenschaftler am Institut für Neurophysiologie der Charité und Erstautor der Studie. "Innerhalb dieses kurzen Zeitfensters ist die Hirnrinde quasi in einen Zustand der erhöhten Bereitschaft versetzt. Spielt das Gehirn eine Erinnerung genau jetzt ab, wird sie besonders effektiv ins Langzeitgedächtnis überführt. Der Slow-Wave-Schlaf unterstützt die Gedächtnisbildung also offenbar, indem er die Hirnrinde für viele kurze Zeiträume besonders aufnahmebereit macht." (Slow Waves, auch: "Slow Oscillations", sind langsame Erregungswellen im Tiefschlaf.)

Zehn „Pipettenfühler“ im Einsatz bei der Untersuchung einer Probe aus Hirngewebe. © Charité / Yangfan Pen

Möglicherweise lässt sich dieses Wissen nutzen, um die Gedächtnisleistung beispielsweise bei beginnender Vergesslichkeit im Alter zu verbessern. Forschungsgruppen weltweit arbeiten an Methoden, um mit subtilen Stromimpulsen – der transkraniellen Elektrostimulation – oder akustischen Signalen die langsamen Wellen im Schlaf zu beeinflussen. "Aktuell werden solche Stimulationen allerdings mühsam durch Ausprobieren optimiert", sagt Jörg Geiger. "Hier könnten unsere Erkenntnisse zum perfekten Timing helfen. Sie erlauben es erstmals, die Stimulationsmethoden zur Unterstützung des Gedächtnisses gezielt zu entwickeln."

Zur Studie

Bei einer operativen Behandlung von therapierefraktären Epilepsien oder Hirntumoren ist es in vielen Fällen medizinisch notwendig, kleine Fragmente der Hirnrinde zu entfernen. Das Gewebe kann in einer künstlichen Nährlösung bis zu zwei Tage außerhalb des Körpers überdauern, bevor es seine Aktivität einstellt, und in diesem Zeitraum für die Forschung genutzt werden. Voraussetzung für die Untersuchung dieses Gewebes in dieser Studie war die explizite Einwilligung der Patienten und Patientinnen. Die Arbeit ist entstanden in enger Zusammenarbeit zwischen den grundlagenwissenschaftlichen und den klinischen Bereichen der Charité sowie der Universitätsklinik für Neurochirurgie des Evangelischen Klinikums Bethel in Bielefeld und der Klinik für Neurochirurgie des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf.

Publikation:
Franz X. Mittermaier, Thilo Kalbhenn, Ran Xu, Julia Onken, Katharina Faust, Thomas Sauvigny, Ulrich W. Thomale, Angela M. Kaindl, Martin Holtkamp, Sabine Grosser, Pawel Fidzinski, Matthias Simon, Henrik Alle & Jörg R. P. Geiger: Membrane potential states gate synaptic consolidation in human neocortical tissue. Nat Commun 15, 10340 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53901-2

Quelle: Charité – Universitätsmedizin Berlin