Pupil size and pupil change correlate with distinct cortical neurochemical systems across the adult lifespan

Die menschliche Pupille tut weit mehr, als sich lediglich an die Helligkeit eines Raumes anzupassen. Während sie sich bei grellem Licht zusammenzieht und in der Dunkelheit weitet, um das Sehvermögen zu regulieren, reagiert sie auch auf den internen Zustand des Geistes. Wenn eine Person überrascht ist, sich konzentriert oder geistig engagiert ist, weiten sich ihre Pupillen oft, oder werden größer, selbst wenn das Licht konstant bleibt. Seit Jahrzehnten vermuten Wissenschaftler, dass diese spontanen Veränderungen ein Fenster zum „Locus coeruleus“ des Gehirns sind – einer winzigen, tief liegenden Ansammlung von Nervenzellen, die als primäre Quelle des Norepinephrins fungiert, einem chemischen Botenstoff, der entscheidend für Wachsamkeit und Aufmerksamkeit ist. Da diese Hirnregion schwer direkt bildlich darzustellen ist, hofften Forscher lange Zeit, dass die Messung der Pupille als zuverlässiger, nicht-invasiver Stellvertreter für deren Aktivität dienen könnte. Da sich jedoch mit dem Alter die Biologie des Gehirns verändert, blieb die Zuverlässigkeit dieser Verbindung unklar. Falls die Verbindung zwischen der Pupille und dem Wachsamkeitssystem des Gehirns mit dem Alter schwächer wird oder sich verschiebt, könnte die Verwendung von Pupillenmessungen zur Untersuchung des alternden Gehirns zu irreführenden Schlussfolgerungen führen.

Um dies zu untersuchen, brachte ein Forscherteam der Cornell University 89 Erwachsene im Alter von 19 bis 78 Jahren zusammen, die innerhalb eines Magnetresonanztomographen eine visuelle Aufgabe ausführten. Die Teilnehmer beobachteten einen Bildschirm, auf dem in zufälligen Intervallen Kreise unterschiedlicher Größe und Helligkeit erschienen. Die meisten Kreise waren Standardformen, aber gelegentlich erschien ein größerer Kreis, bekannt als „Oddball“, der den Teilnehmer dazu veranlasste, eine Taste zu drücken. Die Forscher zeichneten die Pupillengröße der Teilnehmer kontinuierlich mit sehr hoher Geschwindigkeit auf und scannten gleichzeitig deren Gehirne, um den Blutfluss zu messen, der als Stellvertreter für die neuronale Aktivität dient. Sie waren besonders daran interessiert, ob die Größe der Pupille und die Geschwindigkeit ihrer Veränderung mit der Aktivität im noradrenergen System des Gehirns verknüpft sind und ob diese Verbindungen über die gesamte Lebensspanje des Erwachsenenalters hinweg bestehen bleiben.

Die Studie ergab, dass das Verhalten der Pupille kein einzelnes, einheitliches Signal ist, sondern zwei verschiedene Arten von Informationen trägt, die auf unterschiedlichen Zeitachsen operieren und mit verschiedenen Teilen des Gehirns verbunden sind. Die Forscher fanden heraus, dass die reine Größe der Pupille in einem bestimmten Muster mit der Gehirnaktivität korreliert, während die schnelle Veränderung der Pupillengröße – wie schnell sie sich ausdehnt oder zusammenzieht – mit einem völlig anderen Muster der Gehirnaktivität korreliert. Diese beiden Signale treten nicht nur gleichzeitig auf; sie sind an unterschiedliche chemische Systeme innerhalb des Gehirns gebunden. Die schnellen Veränderungen der Pupillengröße waren stark mit Hirnarealen verknüpht, die reich an dem Norepinephrin-Transporter sind, dem Protein, das den Wachsamkeitsstoff des Gehirns verwaltet. Dies bestätigt, dass die Pupille, wenn sie sich plötzlich weitet oder verengt, tatsächlich die Aktivität des Wachsamkeitssystems des Gehirns verfolgt. Im Gegensatz dazu war die stetige Größe der Pupille mit Hirnarealen verbunden, die dicht mit Opioid- und Cannabinoid-Rezeptoren besetzt sind, was darauf hindeutet, dass die Basisgröße der Pupille einen anderen, langsamer wirkenden chemischen Zustand widerspiegelt, der möglicherweise eher mit Schmerzregulation oder Stimmung als mit unmittelbarer Wachsamkeit zusammenhängt.

Entscheidend war, dass die Forscher untersuchten, wie diese Verbindungen bestehen bleiben, wenn Menschen älter werden. Die Forscher fanden heraus, dass die Beziehung zwischen schnellen Pupillenveränderungen und dem Wachsamkeitssystem des Gehirns ein Leben lang signifikant bleibt, sich aber bei älteren Erwachsenen leicht abschwächt. Konkret nahm die Anzahl der Hirnareale, die eine starke Verbindung zu Pupillenveränderungen zeigten, bei den ältesten Teilnehmern ab, und die Stärke der Verbindung zum Norepinephrin-System war bei älteren Erwachsenen niedriger als bei jüngeren. Die Verbindung zwischen der stetigen Pupillengröße und den opioidbezogenen Hirnarealen änderte sich jedoch mit dem Alter überhaupt nicht; sie blieb bei einem 70-Jährigen genauso stark wie bei einem 20-Jährigen. Diese Unterscheidung ist wichtig, da sie darauf hindeutet, dass das Wachsamkeitssystem des Gehirns mit dem Alter zwar etwas weniger synchron mit den Pupillenbewegungen wird, andere Aspekte der Hirnchemie, die in der Pupille widergespiegelt werden, jedoch stabil bleiben.

Die Forscher untersuchten auch direkt die für die Wachsamkeit verantwortliche Hirnregion, den Locus coeruleus, stellten jedoch fest, dass das Signal aus dieser winzigen Struktur zu schwach war, um bei einzelnen Teilnehmern mit Standard-Scanning-Techniken zuverlässig gemessen werden zu können. Anstatt aufzugeben, kartierten sie den Einfluss der Pupille über das gesamte Gehirn. Sie entdeckten, dass die schnellen Veränderungen der Pupillengröße am stärksten mit einem weitreichenden Netzwerk von Hirnregionen assoziiert waren, die an Aufmerksamkeit und sensorischer Verarbeitung beteiligt sind und sich vom Hinterhaupt bis zum Hirnstamm erstrecken. Dieses weit verbreitete Muster, statt eines einzelnen punktförmigen Signals, ist das, was die Pupille scheinbar verfolgt. Die Studie schloss auch die Idee aus, dass diese Gehirn-Pupillen-Verbindungen lediglich durch Veränderungen der Herzfrequenz oder der Atmung verursacht wurden, da die Forscher diese Faktoren sorgfältig aus ihren Daten entfernten und die Muster bestehen blieben.

Letztendlich klärt die Arbeit, dass die Pupille ein komplexes Instrument ist, das zwei verschiedene Geschichten erzählt. Eine Geschichte handelt von der Geschwindigkeit der Veränderung, welche das Wachsamkeitssystem des Gehirns verfolgt und eine moderate Abnahme in seiner Koordination mit dem Alter zeigt. Die andere Geschichte handelt vom Grundzustand, welcher ein anderes chemisches System verfolgt und über das ganze Leben hinweg konsistent bleibt. Dies bedeutet, dass, wenn Wissenschaftler die Pupillenmessung verwenden wollen, um das alternde Gehirn zu verstehen, sie vorsichtig sein müssen, zwischen der Größe der Pupille und der Geschwindigkeit ihres Wechsels zu unterscheiden. Durch die Trennung dieser beiden Signale können Forscher besser verstehen, welche Teile des Gehirns altern und welche gleich bleiben, was einen präziseren Weg bietet, um die Gesundheit des Gehirns ohne invasive Eingriffe zu überwachen. Die Ergebnisse legen nahe, dass, während die Wachsamkeitsmechanik des Gehirns ihre Koordination mit dem Auge im Alter möglicherweise verlangsamt, die grundlegende chemische Landschaft des Gehirns durch diese subtilen, messbaren Verschiebungen in der Pupille weiterhin zugänglich bleibt.