High-frequency oscillations arise through distinct mechanisms in models of α- synucleinopathy and channelopathy-induced epilepsy

Stellen Sie sich vor, Ihr Gehirn sei eine geschäftige Stadt, in der Milliarden winziger Boten (Neuronen) ständig chatten und elektrische Signale senden, um Ihre Gedanken, Erinnerungen und Bewegungen am Laufen zu halten. Normalerweise summt diese Stadt mit einem stetigen, rhythmischen Hintergrundgeräusch. Aber manchmal wird die Stadt ein wenig zu aufgeregt. In der Welt der Hirnforschung hören Wissenschaftler seit Jahrzehnten auf diese elektrischen Signale und suchen nach spezifischen „Fehlern“, die uns etwas sagen könnten, wenn etwas nicht stimmt. Einer der interessantesten Fehler, die sie gefunden haben, sind sogenannte Hochfrequenz-Oszillationen (HFOs). Betrachten Sie dies als winzige, superschnelle Ausbrüche von statischem Rauschen oder ein hochfrequentes Quietschen im Radiosignal des Gehirns.

Lange Zeit achteten Ärzte und Forscher nur auf diese Quietschen, wenn sie sie bei Menschen mit Epilepsie sahen, einer Erkrankung, bei der die elektrische Aktivität des Gehirns außer Kontrolle gerät und Krampfanfälle auslöst. Sie stellten fest, dass diese schnellen Ausbrüche oft kurz vor oder während eines Anfalls auftreten und wie eine Warnungsflare wirken. Doch vor kur Jahren bemerkten Wissenschaftler etwas Seltsames: Dieselben schnellen Ausbrüche tauchen auch bei Menschen mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Lewy-Körper-Demenz (DLB) auf, selbst wenn diese Menschen keine epileptischen Anfälle haben. Dies hat eine große Frage aufgeworfen: Sind diese Gehirn-„Quietschen“ nur ein Zeichen eines allgemeinen elektrischen Sturms, oder entstehen sie durch unterschiedliche Ursachen in verschiedenen Krankheiten? Wenn wir herausfinden können, wie sie erzeugt werden, könnten wir einen neuen Weg finden, diese Krankheiten frühzeitig zu erkennen, vielleicht sogar noch bevor der Gedächtnisverlust oder die Verwirrung beginnt.

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Die zwei verschiedenen „Statik“-Probleme des Gehirns

In dieser Studie beschlossen Forscher des UCLA, Detektivarbeit bei zwei sehr unterschiedlichen Arten von „Gehirnstädten“ zu leisten, die für ihre elektrischen Probleme bekannt waren. Sie wollten sehen, ob das „Rauschen“ (die HFOs) in beiden Städten gleich klang oder ob das Geräusch aus unterschiedlichen Quellen kam.

Die zwei Verdächtigen:

1. Die „Kanal“-Stadt (Kcna1-/- Mäuse): Stellen Sie sich eine Stadt vor, in der die Türen, die Strom hinein- und hinauslassen, kaputt sind. Diese Mäuse haben einen genetischen Fehler, der eine bestimmte Art von Tür (einen Kaliumkanal) in ihren Gehirnzellen beschädigt. Da die Türen klemmt, wird das Gehirn zu erregt, was zu Epilepsie führt. Das ist wie eine Stadt mit einem defekten Ampelsystem, das ständig Stau verursacht.
2. Die „Protein“-Stadt (A53T Mäuse): Stellen Sie sich eine Stadt vor, in der die Müllabfuhr (Proteine) den Müll an den falschen Orten ablädt. Diese Mäuse tragen eine Mutation, die dazu führt, dass sich ein Protein namens Alpha-Synuclein zusammenklumpt, was geschieht bei Lewy-Körper-Demenz (DLB). Dieser Müllanstau stört die Kommunikation der Gehirnzellen untereinander und führt schließlich zu Demenz. Das ist wie eine Stadt, in der die Straßen mit Trümmern verstopft sind, was den Verkehr verlangsamt und Unfälle verursacht.

Die Untersuchung:
Die Wissenschaftler platzierten winzige Mikrofone (Elektroden) auf der Oberfläche der Gehirne beider Mäusegruppen. Sie hörten 24 Stunden lang in das Radio des Gehirns hinein und zeichneten alles auf, während die Mäuse wach waren, im Tiefschlaf lagen oder träumten. Sie suchten gezielt nach diesen hochfrequenten Quietschen im Bereich von 250–500 Hz (einer Frequenz, die so hoch ist wie eine Pfeife für Hunde im Gehirn).

Was sie fanden:
Beide Gruppen von Mäusen wiesen mehr dieser hochfrequenten Quietschen auf als normale, gesunde Mäuse. Das „Rauschen“ war also in der „Kanal“-Stadt und in der „Protein“-Stadt definitiv vorhanden. Doch als die Forscher näher herangingen, um das Geräusch des Rauschens zu vergleichen, stellten sie fest, dass die beiden Städte das Geräusch auf völlig unterschiedliche Weise erzeugten.

• Lautstärke und Intensität: Die „Protein“-Stadt (A53T Mäuse) war viel lauter. Sie hatte viel mehr dieser hochfrequenten Ausbrüche als die „Kanal“-Stadt. Tatsächlich waren die Ausbrüche in der Protein-Stadt so häufig, dass sie sogar noch häufiger waren als die Ausbrüche der Kanal-Stadt.
• Tonhöhe und Dauer: Das „Rauschen“ in der Protein-Stadt war nicht nur lauter, sondern auch höher gepitcht und dauerte länger an. Die Ausbrüche bei den A53T-Mäusen hatten eine höhere Frequenz und dehnten sich über einen längeren Zeitraum aus als die kürzeren, tieferen Ausbrüche der Kcna1-/- Mäuse.
• Wann es passiert: Dies war der wichtigste Hinweis. In der „Protein“-Stadt trat das lauteste Rauschen auf, wenn sich die Mäuse im Tiefschlaf (Nicht-REM-Schlaf) befanden. Dies ist dieselbe Zeit, in der auch andere Anzeichen von Gehirnproblemen (wie „interiktale Spikes“, die wie kleine elektrische Funken sind) am häufigsten vorkamen. In der „Kanal“-Stadt hingegen trat das Rauschen die ganze Zeit auf, unabhängig davon, ob die Mäuse wach oder schlafend waren.

Die große Enthüllung:
Die Forscher erkannten, dass, obwohl beide Arten von Mäusen diese hochfrequenten Ausbrüche hatten, diese nicht vom selben Ort kamen oder von derselben Maschine erzeugt wurden.

• Bei den Kanal-Mäusen schienen die Ausbrüche eine direkte Folge der kaputten Türen zu sein, die zu viel Elektrizität durchfließen lassen.
• Bei den Protein-Mäusen schienen die Ausbrüche durch den unordentlichen Müll (Proteinansammlungen) verursacht zu werden, der die Kommunikation zwischen den Zellen stört, wobei speziell ein anderes Protein namens Tau involviert ist.

Die Studie legt nahe, dass diese zwei unterschiedlichen Krankheiten ihr eigenes einzigartiges „Signatur“-Geräusch des Gehirns erzeugen. Die Tatsache, dass die Protein-Mäuse mehr Rauschen hatten und dass dies hauptsächlich während des Tiefschlafs geschah, deutet darauf hin, dass der Mechanismus, der das Rauschen in der Demenz verursacht, sich von dem Mechanismus in der genetischen Epilepsie unterscheidet.

Was das bedeutet:
Die Autoren sagen vorsichtig, dass sie das ganze Rätsel noch nicht gelöst haben. Sie haben nicht bewiesen, wie genau die Proteine das Rauschen verursachen, sondern nur, dass das Rauschen existiert und im Vergleich zur Epilepsie in diesem Modell der Demenz anders aussieht. Dies ist jedoch ein riesiger Schritt nach vorn. Es deutet darauf hin, dass diese hochfrequenten Ausbrüche ein neues „Ohr“ für Ärzte sein könnten, um zuzuhören. Wenn wir lernen können, das spezifische „Geräusch“ von Demenz gegenüber dem „Geräusch“ von Epilepsie zu erkennen, könnten wir diese Krankheiten viel früher entdecken, vielleicht sogar noch bevor ein Patient anfängt, seine Schlüssel zu vergessen oder einen Anfall zu erleiden. Es ist so, als würde man erkennen, dass zwei verschiedene Stürme aus der Ferne ähnlich aussehen können, aber wenn man genau auf den Wind hört, kann man genau bestimmen, welcher Sturm im Anmarsch ist, und sich entsprechend vorbereiten.