Die Steuerung des Gehirns durch die Nase ist ein faszinierendes und vielversprechendes Forschungsfeld, das sich mit der direkten Verbindung zwischen der Nase und dem Gehirn befasst. Diese Verbindung ermöglicht es, Medikamente und andere Substanzen direkt ins Gehirn zu transportieren, was neue Möglichkeiten für die Behandlung von neurologischen und psychischen Erkrankungen eröffnet. Zudem spielt der Geruchssinn eine wichtige Rolle bei der Wahrnehmung von Gefahren und der Auslösung von Erinnerungen und Emotionen.
Botulinumtoxin (Botox) und seine Auswirkungen auf das Gehirn
Botulinumtoxin (BTX), besser bekannt als Botox, ist nicht nur ein Mittel gegen Falten, sondern kann auch zur Behandlung von Depressionen und Borderline-Erkrankungen eingesetzt werden. Professor Dr. Tillmann Krüger und PD Dr. Marc Axel Wollmer haben herausgefunden, dass BTX die Amygdala, eine Region im Schläfenlappen des Gehirns, beeinflusst, die für die Verarbeitung von Ängsten zuständig ist.
Negative Stimmungen manifestieren sich im Gesicht in der Glabellarregion, dem Bereich der unteren mittleren Stirn. Durch die Injektion von BTX in diese Region werden die Muskeln zwischen den Augenbrauen gelähmt, was zu einer Reduktion der Intensität der Emotionen führt. Diese Rückkoppelung wird in der Wissenschaft als Facial-Feedback-Theorie diskutiert.
Frühere Studien von Professor Krüger und seinem Team haben bereits gezeigt, dass eine BTX-Injektion in die Glabellarregion einen positiven Einfluss auf Stimmung und Gemütserregung hat und depressive Symptome deutlich verbessert. Die Behandlung hat den Vorteil, dass die lähmende Wirkung drei oder mehr Monate anhält und die Injektionen nur in diesen zeitlichen Abständen wiederholt werden müssen.
MRT-Untersuchungen bei Borderline-Patientinnen, die mit BTX behandelt wurden, zeigten, dass BTX das emotionale Dauerfeuer im Mandelkern drosselt, was die hochgradige innere Anspannung der Betroffenen reduziert. Eine Vergleichsgruppe, die mit Akupunktur behandelt wurde, zeigte zwar auch verbesserte klinische Symptome, jedoch keine neuronalen Effekte in der MRT-Untersuchung.
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Eine Datenbank-Studie, an der Professor Krüger und Professor Wollmer beteiligt waren, ergab, dass BTX auch Angststörungen mildern kann, wenn es in die Kopfmuskeln, in die Muskeln der oberen und unteren Gliedmaßen sowie in die Nackenmuskeln gespritzt wird.
Die Rolle der Nase bei der Erkennung von Gefahren
Die Nase spielt eine wichtige Rolle bei der Erkennung von Gefahren. Forscher der Saar-Universität haben einen Mechanismus entschlüsselt, der beim "Wittern" von Gefahren eine zentrale Rolle spielt: Mäuse können feinste Konzentrationen Schwefelwasserstoff riechen.
Schwefelwasserstoff (H2S) entsteht dort, wo Bakterien keinen Sauerstoff verstoffwechseln können. Das Team um Professor Frank Zufall hat an Mäusen untersucht, ob es einen speziellen Mechanismus gibt, solche Gefahren über die Nase wahrzunehmen und daraufhin Abwehrmechanismen zu aktivieren. Die Forscher identifizierten Sinneszellen in der Nase von Mäusen, die auf eine steigende Schwefelwasserstoff-Konzentration reagieren und die in der Folge eine Stressreaktion auslösen.
Gelangen Schwefelwasserstoffmoleküle an die so genannten "Typ-B-Zellen" in der Mausnase, wird der Ort der H2S-Produktion als abstoßend und wenig attraktiv empfunden und im Gehirn abgespeichert. Mäuse lernen damit, diesen Ort auch in Zukunft zu vermeiden. Diese Überlebensstrategie wird begleitet von so genanntem "self-grooming behaviour" und der Freisetzung von Stresshormonen.
Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass der Detektor tatsächlich in den Typ-B-Zellen sitzt. "Nun stellt sich die Frage, ob es diesen Mechanismus auch beim Menschen gibt", blickt Frank Zufall in die Zukunft. "Wir wissen, dass manche Menschen auch in der Lage sind, H2S bei niedrigsten Konzentrationen zu riechen. Aber wie das genau funktioniert, wissen wir nicht."
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Vagusnervstimulation: Potenzial und Anwendungen
Die Stimulation des Vagusnervs liegt im Trend und hat großes Potenzial. Der Vagusnerv leitet wichtige Informationen von Organen und Systemen an das Gehirn und den Hirnstamm weiter. Bei bestimmten Symptomen oder Erkrankungen kann es daher sinnvoll sein, diese Verbindung entweder zu verstärken oder zu hemmen.
Der Vagusnerv ist einer von zwölf Hirnnerven und verbindet unter anderem den Verdauungstrakt, die Lunge und das Herz mit dem Gehirn. Über den Vagusnerv erhält das Gehirn Informationen über den Zustand der Organe und hilft uns, schnell das passende Verhalten auszuwählen.
Die Aktivierung des Vagusnervs soll von der Grundidee her bei der Entspannung helfen und den Parasympathikus aktivieren. Wie die Vagusnervstimulation wirkt, hängt allerdings vom gesundheitlichen Zustand und der Situation ab.
Am Uniklinikum Tübingen wird die Vagusnervstimulation in Studien erforscht und dafür eine elektronische Stimulation über das Ohr genutzt. Derzeit geht man aufgrund der Studienlage davon aus, dass diese professionelle Vagusnervstimulation Personen helfen kann, die unter Antriebslosigkeit, Depressionen, Epilepsie oder auch Störungen im Stoffwechsel oder der Verdauung leiden. Zudem könnte die Stimulation bei Trägheit oder Fatigue helfen.
Nachweislich entspannend wirken zum Beispiel kontrollierte Atemübungen wie tiefes Atmen oder progressive Muskelentspannung. Wenn die Übungen zusätzlich mit einer Vagusnervstimulation gekoppelt werden, ist die Wirkung besonders gut.
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Im Internet werden freiverkäufliche Systeme mit großen Versprechen beworben, allerdings gibt es keine nennenswerten Studien zur Wirksamkeit vieler Geräte. Für Studien werden deswegen zertifizierte Geräte eingesetzt, die nachweislich den Hirnstamm stimulieren können. Bei Herz- oder Kreislaufproblemen oder in der Schwangerschaft sollten alle Geräte nicht ohne ärztliche Rücksprache angewendet werden.
Gehirnsteuerung durch nicht-invasive Methoden
Den Wissenschaftlern um Carsten Mehring vom Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience bzw. der Universität Freiburg ist es erstmals gelungen, auch mit nicht-invasiven Methoden spezifische Signale der Bewegungssteuerung direkt aus dem motorischen Cortex auszulesen. In einem nächsten Schritt führen die Forscher nun Versuche mit gesunden Probanden durch, bei denen dieser neue Ansatz zur Ansteuerung eines Computer mit Hilfe nicht-invasiver Gehirnsignale umgesetzt werden soll.
Die Bedeutung der Synapsen für die Signalübertragung im Gehirn
Die etwa 100 Milliarden Nervenzellen unseres Gehirns sind erstaunliche Wunderwerke der Biologie. Die Anzahl der zwischen Nervenzellen ausgetauschten Signale variiert aktivitätsabhängig in vielen Hirnbereichen von nur einigen wenigen bis zu über 100 pro Sekunde. Einige Nervenzellen können sogar weit über 1000 Signale pro Sekunde übertragen - und das oft ausdauernd über längere Zeiträume.
Nervenzellen kommunizieren miteinander an spezialisierten Zell-Zell-Kontakten, sogenannten Synapsen. Wird eine sendende Nervenzelle erregt, schüttet sie Neurotransmitter aus. Diese Signalmoleküle binden an Rezeptoren auf der Zellmembran von empfangenden Nervenzellen und beeinflussen so deren Aktivitätszustand.
Hauptakteure in diesem Prozess sind synaptische Vesikel, kleine von einer Membran umhüllte Bläschen, die mit Neurotransmitter-Molekülen beladen sind und diese durch Verschmelzung mit der Zellmembran freisetzen. Um auch bei hochfrequenter und langanhaltender Reizung dauerhaft Neurotransmitter freisetzen zu können, müssen Nervenzellen permanent neue schnell freisetzbare Vesikel zur Verfügung stellen.
Die Arbeitsgruppe von Holger Taschenberger hat bereits vor über 20 Jahren einen Eiweißbaustein entdeckt, der für die Vesikelbereitstellung an Synapsen verantwortlich ist: Munc13. Die neue Studie zeigt, dass dieses Protein durch dieselben intrazellulären Signale stimuliert wird, die auch die eigentliche Freisetzung von Neurotransmittern steuern.
Die elektrische Reizung von Nervenzellen führt zum Einstrom von Kalziumionen, die an der Synapse die Fusion der mit Neurotransmittern beladen Vesikel auslösen. Ist eine Nervenzelle kontinuierlich aktiv, wirkt sich ihr erhöhter intrazellulärer Kalziumspiegel auch auf die Munc13-Proteine aus. Munc13-Proteine binden bei erhöhtem Kalziumspiegel an die Zellmembran, was die Rate, mit der neue schnell freisetzbare Vesikel bereitgestellt werden, beschleunigt.
Der Geruchssinn: Mehr als nur ein "niederer" Sinn
Gerüche beeinflussen unsere Gefühle und Erinnerungen massiv. Der Mensch ist eben doch ein Nasentier. Riechen, das bedeutet Genießen und Ekeln, Lieben und Hassen, Erinnern und Vergessen.
Mit der Nase spüren wir Menschen, Städte, Jahreszeiten. Mit der Nase erkennen wir Brandgeruch und verdorbene Wurst. Zwar sind einfache Geschmacksempfindungen wie süß und sauer, salzig und bitter auch ohne den Riechsinn möglich, denn sie werden über eigene Nerven von der Zunge vermittelt, aber das komplexe Geschmacksmuster unseres Essens erkennt nur die Nase.
Das molekulare Prinzip des Riechens reicht bis an die Wurzeln des Lebens zurück. Bereits bei Fadenwürmern finden sich einige Hundert Gene mit den Informationen für besondere Eiweiße: die olfaktorischen Rezeptoren. Wie Signalantennen sitzen sie auf speziellen Nervenzellen in der Riechschleimhaut und dienen dazu, unterschiedliche Duftmoleküle zu orten.
Bei Säugern finden sich gleich mehr als 1000 Gene, die jeweils die Information für einen Riechrezeptor in sich tragen - das sind weit mehr Erbguteinheiten als für jede andere Körperfunktion.
In einem besonderen, im Dach der Nase gelegenen Teil der Nasenschleimhaut - dem so genannten Riech-epithel - finden sich viele Millionen spezialisierte Nervenzellen. In jeder ist nur ein einziges Gen der rund 350 Riech-Gene aktiv. Sie tragen darum nur einen einzigen Geruchsantennen-Typ auf ihrer Oberfläche. Trotzdem kann unser Riechsystem viele Tausend Düfte analysieren.
Die Welt der Gerüche entsteht erst dann, wenn das Gehirn die Rezeptorsignale interpretiert. Von der Riechschleimhaut im Dach der Nase gelangen die Signale über feine Nervenfäden direkt ins Schädelinnere und erreichen im "Bulbus olfactorius" die erste Station des Großhirns. Dann pflanzen sich die Erregungsimpulse einerseits zur Großhirnrinde fort, wo Gerüche Eingang in die bewusste Wahrnehmung finden. Andererseits fließen sie weiter zum so genannten Limbischen System, das Düfte mit Gefühlen verbindet.
"Nose-to-Brain"-Ansatz für die Behandlung von ZNS-Erkrankungen
Medizinische Wirkstoffe möglichst nahe am Ort der Erkrankung platzieren: Was theoretisch völlig einleuchtend klingt, ist leider in der Praxis gar nicht so einfach, besonders beim Gehirn.
Im Januar 2017 wurde das EU-geförderte Verbundprojekt »N2B-patch« ins Leben gerufen, in dem es sich ein internationales Konsortium aus elf Partnern unter Koordination des Fraunhofer IGB zur Aufgabe gemacht hatte, eine effizientere, alternative Möglichkeit zur Therapie der Multiplen Sklerose zu erforschen.
Das internationale Konsortium hat die Machbarkeit eines nasalen Verabreichungssystems für Biopharmazeutika über die Riechschleimhaut, die Regio olfactoria gezeigt. Im Gegensatz zu einer Behandlung per Nasenspray, das über das respiratorische Epithel wirkt, oder einer intravenösen Injektion direkt in die Blutbahn, könnte dieser innovative »Nose-to-Brain«-Ansatz einem Wirkstoff ermöglichen, den Weg über das Blut zu umgehen und direkt ins Gehirn zu gelangen.
Dieses ist nur durch das gelochte Siebbein und wenige zusätzliche Zellschichten von der Nasenhöhle getrennt, sodass die Arzneimittel diese Barriere einfach durchdringen und das ZNS auf kurzer Distanz direkt erreichen können.
Das in Zusammenarbeit mit der Beiter GmbH & Co. KG entwickelte und mittels in-vivo-Modellen getestete System ist in der Anwendung so schonend, dass das Riechen in keinster Weise beeinträchtigt wird und auch keine Krankheitskeime in die Nase gelangen können. Zudem wurden generell keine Auswirkungen auf das nasale Mikrobiom beobachtet.
Mit dem neuen System könnte es möglich sein, den Wirkstoff in einen Zeitraum von bis zu zwei Wochen kontinuierlich und zuverlässig an das Gehirn zu verabreichen. Da das System für den Patienten gut verträglich ist, ist eine wiederholte Anwendung möglich, und es könnte somit auch zur Langzeitbehandlung oder sogar für eine lebenslange Behandlung geeignet sein.
Direkte Verbindung zwischen Nase und Gehirn
Zwischen Nase und Gehirn gibt es offenbar einen direkten Verbindungsweg. Über den gelangen bestimmte Makromoleküle, so genannte Neuropeptide, ins Hirn, wenn sie in Form von Nasenspray verabreicht werden. Aus der Nase jedoch wandern die Substanzen, die vom Abwehrsystem der Nasenschleimhaut nicht als körperfremd erkannt werden, vermutlich durch Diffusion direkt in die Gehirnflüssigkeit.
Coronavirus und der Verlust des Geruchssinns
Geruchs- und Geschmacksverlust ist das typischste Anzeichen für eine Infektion mit SARS-CoV-2. Darüber hinaus sind neurologische Symptome wie Kopfschmerzen, Abgeschlagenheit, Schwindel und Übelkeit bis hin zu Krampfanfällen möglich und dann meist ein schlechtes Zeichen für den weiteren Verlauf.
Den Wissenschaftlern gelangen die ersten elektronenmikroskopischen Aufnahmen intakter Coronaviruspartikel in der Riechschleimhaut. Sie hatten dazu Gewebeproben von Menschen untersucht, die infolge einer SARS-CoV-2-Infektion gestorben waren. Die Forscher konnten das Virus in verschiedenen neuroanatomischen Strukturen nachweisen, die Auge, Mund und Nase mit dem Hirnstamm verbinden.
"Auf Basis dieser Daten gehen wir davon aus, dass SARS-CoV-2 die Riechschleimhaut als Eintrittspforte ins Gehirn benutzen kann", so Seniorautor Professor Dr. Frank Heppner. Von dort aus nutze das Virus offenbar neuroanatomische Verbindungen wie beispielsweise den Riechnerv, um das Gehirn zu erreichen.