Sub-lethal imidacloprid exposure leads to presynaptic and postsynaptic alterations

Stellen Sie sich das Nervensystem wie eine geschäftige Stadt vor, in der Milliarden winziger Boten entlang von Straßen sausen, um wichtige Pakete auszuliefern. Diese Pakete sind chemische Signale, und die „Straßen“ sind Verbindungen zwischen Gehirnzellen, den sogenannten Synapsen. Um die Stadt am Laufen zu halten, müssen die Boten genau wissen, wo sie ihre Fracht abliefern und wie sie neue Aufträge entgegennehmen. Manchmal wird die Stadt ein wenig unordentlich, und das Gehirn muss diese Verbindungen aufräumen oder neu aufbauen, um gesund zu bleiben. Dieser Prozess wird Neuroplastizität genannt, und so lernen, erinnern und passen wir uns an.

Stellen Sie sich nun vor, ein hinterlistiger Eindringling schleicht sich in diese Stadt. Dieser Eindringling ist eine Art Pestizid namens Imidacloprid, das dazu entwickelt wurde, Schädlinge daran zu hindern, Nutzpflanzen zu fressen. Es bleibt jedoch nicht nur auf den Feldern; es kann in die Luft, das Wasser und den Boden driften und versehentlich andere Tiere wie Honigbienen und winzige Regenwürmer besuchen. Wissenschaftler sind besorgt, weil selbst eine winzige, nicht tödliche Menge dieses Chemikalie das „Verkehrskontrollsystem“ des Gehirns durcheinanderbringen, die Boten verwirren und die Straßen beschädigen könnte. Wenn die Verdrahtung des Gehirns durcheinandergerät, könnten Tiere vergessen, wie man Nahrung findet, sich verlaufen oder einfach aufhören, ordnungsgemäß zu funktionieren. Diese Studie stellt eine einfache, aber entscheidende Frage: Verändert eine kleine Menge dieses Pestizids – also die Menge, die wir tatsächlich in der Natur finden könnten – die physische Struktur des Gehirns bei Tieren, die eigentlich nicht sein Zielobjekt sind?

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Das Bienengehirn: Ein schrumpfendes Viertel

Um dies herauszufinden, beschlossen die Forscher, zwei sehr unterschiedliche Tiere zu untersuchen: die Honigbiene, eine Meisterin der Navigation mit einem komplexen Gehirn, und den Nematodenfadenwurm (C. elegans), einen winzigen Bodenbewohner mit einem viel einfacheren Nervensystem. Sie wollten sehen, was passiert, wenn diese Tiere „sublethalen“ Dosen von Imidacloprid ausgesetzt werden – also Mengen, die sie nicht sofort töten, aber dennoch Probleme verursachen könnten.

Zuerst wandten sie ihre Aufmerksamkeit den Honigbienen zu. Honigbienen haben einen speziellen Teil ihres Gehirns, den sogenannten Mushroom Body (Pilzkörper), der wie die zentrale Bibliothek für Lernen und Gedächtnis der Stadt ist. In dieser Bibliothek gibt es winzige Cluster von Verbindungen, die Microglomeruli genannt werden. Man kann sich diese Microglomeruli als kleine Kreisverkehre vorstellen, an denen eingehende Signale (von den Antennen der Biene) auf die internen Prozesszellen des Gehirns treffen.

Die Wissenschaftler züchteten junge Bienen in Käfigen und fütterten sie mit Zuckerwasser. Einige erhielten einfaches Zuckerwasser (die Kontrollgruppe), während andere Zuckerwasser erhielten, das mit winzigen Mengen Imidacloprid gemischt war: entweder 10 Parts per Billion (ppb) oder 20 ppb. Dies sind Konzentrationen, die tatsächlich im Nektar und Pollen echter Blumen gefunden wurden. Nach sieben Tagen untersuchten sie das Innere der Bienengehirne.

Das Ergebnis war eindeutig: Die Bienen, die das Pestizid getrunken hatten, besaßen weniger dieser winzigen Kreisverkehre. Insbesondere die Gruppe, die die höhere Dosis (20 ppb) erhielt, wies eine signifikant geringere Dichte an Microglomeruli auf als die Bienen, die einfaches Zuckerwasser oder die niedrige Dosis erhalten hatten. Es ist, als hätte das Pestizid dazu geführt, dass die Bibliothek einige ihrer wichtigsten Treffpunkte verloren hat. Die Bienen starben nicht und schienen auch nicht gelähmt zu sein, aber die physische Verdrahtung ihres Gehirns hatte sich verändert. Die Studie legt nahe, dass selbst eine kleine, nicht tödliche Dosis dazu führen kann, dass das Gehirn diese kritischen Verbindungspunkte verliert.

Die Welt der Würmer: Ein kaputtes Liefer-System

Als Nächstes betrachtete das Team die Nematodenwürmer. Diese Würmer leben im Boden und sind daher Pestiziden ausgesetzt, die von Nutzpflanzen nach unten ausgewaschen werden. Im Gegensatz zu den Bienen konnten die Forscher spezielle „leuchtende“ Würmer verwenden, um genau zu sehen, was in den Synapsen geschah. Sie nutzten zwei Arten genetisch veränderter Würmer:

1. Die postsynaptischen Würmer: Diese hatten einen fluoreszierenden Marker auf ihrer „Empfängerseite“ (dem Teil, der das Signal auffängt).
2. Die präsynaptischen Würmer: Diese hatten einen Marker auf ihrer „Senderseite“ (dem Teil, der die Signale freisetzt).

Die Würmer wurden auf Platten unter bodenähnlichen Bedingungen gezüchtet, die Imidacloprid in Mengen enthielten, wie sie im Boden vorkommen: 0, 1 oder 10 Mikrogramm pro Milliliter. Nach drei Tagen (72 Stunden) maßen die Wissenschaftler die Helligkeit des Leuchtens in den Nervenringen der Würmer (ihren winzigen Gehirnzentren).

Die Ergebnisse hier waren frappierend. In den mit dem Pestizid ausgesetzten Würmern wurde das Leuchten bei beiden Arten von Würmern schwächer.

• Die Würmer mit den „Empfänger“-Markern zeigten weniger Licht, was bedeutete, dass sie weniger Rezeptoren hatten, um die Signale aufzufangen.
• Die Würmer mit den „Sender“-Markern zeigten ebenfalls weniger Licht, was bedeutete, dass sie weniger Transporter hatten, um die Signale auszusenden.

Dies ist eine große Sache, da Imidacloprid dafür bekannt ist, an die „Empfängerseite“ der Nervenzelle zu binden. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass, wenn die Empfängerseite gestört wird, sich auch die Senderseite verändert. Es ist, als würden die Briefkästen in einer Nachbarschaft verstopft; irgendwann kommen die Briefträger nicht mehr, weil es keinen Ort mehr gibt, an dem sie die Briefe zustellen können. Die Studie legt nahe, dass der Schaden an der Empfängerseite beginnt, aber dann rückwärts wirkt und auch die Senderseite beeinflusst.

Was das alles bedeutet

Die Arbeit behauptet nicht, dass diese Tiere sterben oder dass ihre Gehirne vollständig zerstört sind. Tatsächlich überprüften und bestätigten die Forscher, dass die Bienen und Würmer nicht an diesen Dosen starben und dass die Würmer sich noch bewegen konnten (obwohl einige sich anders bewegten). Dennoch wurde die physische Struktur ihrer Nervensysteme verändert.

Die wichtigste Erkenntnis ist, dass feldrelevante Dosen von Imidacloprid – Mengen, die tatsächlich in der Natur vorkommen – ausreichen, um die Architektur des Gehirns zu verändern. Bei Bienen schrumpfte die Anzahl der Lernzentren. Bei Würmern reduzierte es die Anzahl sowohl der Signalgeber als auch der Empfänger. Die Autoren vermuten, dass dies geschieht, weil das Pestizid das System überlastet, was dazu führt, dass das Gehirn versucht, diese Verbindungen zu „beschneiden“ oder zu entfernen – vielleicht als einen Abwehrmechanismus, der letztlich mehr Schaden anrichtet als Nutzen bringt.

Obwohl die Studie nicht exakt beweist, wie die Chemikalie diese Veränderung auslöst (es bleibt ein gewisses Mysterium, ob das Gehirn die Verbindungen aktiv entfernt oder ob sie einfach nur degradieren), deutet sie stark darauf an, dass die Bezeichnung „sublethal“ irreführend sein könnte. Nur weil ein Tier das Gift überlebt, bedeutet das noch lange nicht, dass sein Gehirn normal funktioniert. Die Verdrahtung wird ausgefranst, und für Tiere, die auf komplexe Navigation oder Bodenökologie angewiesen sind, könnte das ein Problem sein, das sich erst noch entwickeln muss.