Spezielle Nerven für Mond- und Sonnenlicht

Mit einem Fluoreszenzmarker sichtbar gemachte Neuronen im Auge von Mäusen. (Foto: Elliott Milner and Michael Do, Boston Children's Hospital)

Vom Schummerlicht bis zum grellen Sonnenschein – für die Einstellung der inneren Uhr erfasst der Körper die Intensität der Beleuchtung in der Umwelt. Das geschieht auf eine überraschende Weise, zeigt nun eine Studie. Unterschiedliche Nervenzellen im Auge sind demnach auf die Messung bestimmter Bereiche der Lichtintensität spezialisiert: Einige der lichtempfindlichen Neuronen messen die Stärke des Tageslichts und andere die von schwächerer Beleuchtung – beispielsweise nachts.

Es ist bereits bekannt, dass es in den Augen der Säugetiere spezielle Nervenzellen gibt, die keine Bildinformationen erfassen, sondern für die Wahrnehmung von Lichtintensitäten zuständig sind. Informationen, die diese sogenannten Retinalen Ganglienzellen (M1- Neuronen) an das Gehirn senden, spielen für die Einstellung der inneren Uhr eine wichtige Rolle. Dieses System steuert körperliche Aktivitätsmuster - es sorgt etwa für Hormonausschüttungen und damit letztlich auch für das Schlafverhalten von Lebewesen einschließlich des Menschen.

Lichtabhängige Nervenaktivität im Blick

Der Erforschung dieser M1-Fotorezeptoren widmen sich die Neurobiologen um Elliott Milner vom Boston Children's Hospital. Sie führen dazu Untersuchungen an genetisch veränderten Mäusen durch, deren M1-Neuronen im Auge durch eine Fluoreszenz-Markierung sichtbar werden. So konnten die Forscher im Rahmen ihrer aktuellen Studie gezielt erfassen, wie diese Nervenzellen auf verschiedene Lichtintensitäten reagieren.

Zunächst vermuteten sie, diese Zellen würden bei zunehmender Helligkeit schlicht immer stärkere Nervenimpulse an das Gehirn senden. Doch zu ihrer Überraschung stellte sich das System als deutlich komplexer heraus: Obwohl die M1-Zellen alle gleich aussehen, unterscheiden sie sich in ihrer Zuständigkeit. Sie sind darauf abgestimmt, auf unterschiedliche Lichtniveaus zu reagieren, zeichnete sich bei der Untersuchung ihrer Reaktionen ab.

Letztlich bedeutet das: Offenbar bekommt das Gehirn nicht nur durch die Signalstärke der M1-Neuronen Informationen über die Lichtverhältnisse, sondern auch darüber, welche Versionen der Fotorezeptoren Impulse senden. "Einige Zellen sind in der Dämmerung aktiv und andere beim Tageslicht. Gemeinsam decken sie die breite Palette von Lichtintensitäten in der Umwelt ab", sagt Milner.

Ein Energiesparsystem?

Die Neurobiologen haben auch Einblicke gewonnen, warum die für Schummerlicht zuständigen Zellen bei einer bestimmten Helligkeit zu schweigen beginnen. Wie sie erklären, fängt zunächst ein Protein namens Melanopsin in den Dämmerlicht-M1-Zellen immer mehr Photonen des Lichts ein, wenn die Helligkeit ansteigt. Dies führt zu einer zunehmenden Erregung der Nervenzellen, wodurch sie verstärkt Impulse an das Gehirn senden. Ab einem bestimmten Niveau kommt es dann allerdings zu einem sogenannten Depolarisationsblock, berichten die Forscher: Wenn die Spannung zu groß wird, verlieren die Zellen ihre Fähigkeit, Impulse abzugeben. Interessanterweise ist dieser Effekt von Störungen wie Epilepsie bekannt. "Die Erregung wird so stark, dass die Zelle nicht mithalten kann und schließlich schweigt", sagt Co-Autor Michael Do. Wie sich zeigt, nutzen die M1-Zellen diesen Effekt offenbar gezielt für ihre Arbeitsteilung.

Die Forscher haben auch eine Erklärung dafür, warum sich dieses überraschend wirkende System entwickelt haben könnte: Es spart Energie. "Impulse abzugeben, ist für die Nervenzellen energetisch kostspielig. Weil bei diesem System einige Zellen zum Schweigen gebracht werden, bietet es Informationsvermittlung zu niedrigen Energiekosten", sagt Do. Der Erforschung dieses spannenden Konzepts wollen sich Do und seine Kollegen nun auch weiterhin widmen.

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