Hormonzyklen prägen die Struktur und Funktion wichtiger Gedächtnisregionen im Gehirn

Hormonspiegel schwanken wie die Gezeiten und steigen und fallen nach sorgfältig abgestimmten Zyklen. Diese Hormone beeinflussen nicht nur den Körper, sondern können auch ins Gehirn gelangen und das Verhalten unserer Neuronen und kognitiven Prozesse beeinflussen. Kürzlich haben Forscher der UC Santa Barbara mit modernen Lasermikroskopietechniken beobachtet, wie Schwankungen der Eierstockhormone sowohl die Struktur als auch die Funktion von Neuronen im Hippocampus von Mäusen beeinflussen, einer Gehirnregion, die für die Gedächtnisbildung und das räumliche Lernen bei Säugetieren entscheidend ist. Sie fanden heraus, dass Hormonschwankungen während des Östruszyklus der Maus, einem 4-tägigen Zyklus analog zum 28-tägigen Menstruationszyklus des Menschen, die Form und das Verhalten der Neuronen im Hippocampus stark beeinflussen.

Erkenntnisse über die Rolle der Sexualhormone für die Plastizität des Gehirns und das Gedächtnis

„Wir wissen seit einiger Zeit, dass Eierstockhormone, insbesondere Östradiol – eine Form von Östrogen – wichtige Auswirkungen auf die Struktur und Funktion von Neuronen haben“, sagte der Neurowissenschaftler Michael Goard von der UCSB, leitender Autor einer in der Fachzeitschrift Neuron veröffentlichten Studie. In den 1990er Jahren wurden Ex-vivo-Experimente mit weiblichem Nagetierhirngewebe durchgeführt, das in verschiedenen Phasen des Östruszyklus entnommen wurde. Sie fanden heraus, dass während der „Proöstrus“-Phase – wenn der Östradiolspiegel seinen Höhepunkt erreicht – Neuronen im Hippocampus dazu neigen, mehr dendritische Dornen zu bilden, kleine Auswüchse, die aus den Dendriten der Neuronen herausragen und als primäre Verbindungsstelle zwischen Neuronen dienen.

„Bislang war kaum bekannt, wie sich der Östruszyklus auf die Neuronen lebender Mäuse auswirkt“, so Nora Wolcott, Hauptautorin der Studie. Dank moderner Mikroskopietechniken konnte das Team um Goard nun die Struktur und Aktivität von Neuronen über mehrere Östruszyklen hinweg messen und so Erkenntnisse über die Rolle der Sexualhormone für die Plastizität des Gehirns und das Gedächtnis gewinnen.

Das Auf und Ab dendritischer Dornen und ihr Einfluss auf die Funktion der Gehirnzellen

Der Hippocampus ist eine tief im Gehirn von Säugetieren gelegene Hirnregion, die in erster Linie mit Gedächtnis und Lernen in Verbindung gebracht wird. Patienten mit Läsionen im Hippocampus sind nicht in der Lage, neue Informationen zu lernen oder neue episodische Erinnerungen zu bilden. Der Hippocampus ist außerdem reich an Rezeptoren für Sexualhormone wie Östrogen und Progesteron, was darauf hindeutet, dass Sexualhormone nicht nur die Fortpflanzung beeinflussen, sondern auch kognitive Funktionen wie das Gedächtnis.

Anknüpfend an frühere Studien setzten die Forscher die Zwei-Photonen-Laserscanning-Mikroskopie ein und verfolgten die Bildung und den Abbau dieser dendritischen Dornen bei Mäusen über mehrere vier Tage dauernde Östruszyklen. Sie beobachteten während des Proöstrus viele neue Dornen, die dann im Laufe des Zyklus bis zur Ovulation wieder abgebaut wurden. Dies waren keine subtilen Veränderungen – die Dichte der Dornen unterschied sich über den Zyklus hinweg um 20 bis 30%, was Tausenden von synaptischen Verbindungen für jedes Neuron entspricht.

Wie beeinflusst das Auf und Ab der Dornen die Funktion der Gehirnzellen? Um dies zu eruieren, untersuchten die Wissenschaftler das Aktionspotenzial – das „Feuern“ der Neuronen – und wie sich der Impuls durch die Neuronen ausbreitet. Normalerweise empfangen die Dendriten das Signal, das zum Zellkörper und dann zum Axon weitergeleitet wird. „Das Signal wandert jedoch auch zurück durch die Dendriten, wo die Nervenzelle normalerweise Informationen empfängt“, so Goard. Dieses zurückwandernde Signal spielt vermutlich eine Rolle beim Lernen und bei der Gedächtniskonsolidierung. Die Forscher fanden heraus, dass das zurückwandernde Signal während des Östradiol-Spitzenwerts weiter in die Dendriten zurückwanderte, was ihrer Meinung nach Auswirkungen auf die Plastizität haben könnte – also die Fähigkeit des Gehirns, neue neuronale Verbindungen zu bilden. Was sind nun die funktionellen Konsequenzen der erhöhten Dichte der dendritischen Dornen und der Rückkopplung? Eine Antwort liegt in den „Ortszellen“ oder Neuronen im Hippocampus, die feuern, wenn sich das Tier an einem bestimmten Ort in seiner Umgebung befindet – sie helfen beim Aufbau mentaler Karten und unterstützen das räumliche Lernen und die Navigation.

Verständnis der Beziehung zwischen hormonellen Schwankungen und dem Gehirn ebnet den Weg für eine personalisierte Medizin

Um die Fähigkeit der Tiere zu testen, neue Orte zu lernen und sich daran zu erinnern, ließen die Forscher sie verschiedene Umgebungen erkunden, während sie die Aktivität der Neuronen im Hippocampus maßen. Sie fanden heraus, dass Platzzellen während der Proöstrusphase – der Phase mit hohem Östradiolspiegel – am zuverlässigsten auf vertraute Orte reagierten und am variabelsten waren, wenn der Östradiolspiegel am niedrigsten war. Diese Erkenntnisse aus Versuchen an Mäusen haben auch wichtige Auswirkungen auf den Menschen. Tatsächlich hat die Co-Autorin Emily Jacobs in ihrem Labor herausgefunden, dass endokrine Rhythmen im Menstruationszyklus mit strukturellen Veränderungen im menschlichen Hippocampus zusammenhängen.

Hormonschwankungen werden zwar typischerweise mit weiblichen Säugetieren in Verbindung gebracht, aber auch Männer erleben Hormonschwankungen, von denen viele auf ähnliche Rezeptoren wirken. Beispielsweise kann Testosteron durch Aromatisierung in Östrogen umgewandelt werden, wo es auf Östrogenrezeptoren im Hippocampus wirkt. Dies deutet darauf hin, dass hormonell bedingte Plastizität ein weit verbreitetes Phänomen ist, und unterstreicht die Bedeutung der Berücksichtigung endokriner Faktoren in der neurowissenschaftlichen Forschung. Das Verständnis der Beziehung zwischen hormonellen Schwankungen und dem Gehirn vertieft nicht nur unser grundlegendes Verständnis der Gehirnbiologie, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für eine personalisierte Medizin, die nicht nur auf den Einzelnen, sondern auch auf die Phase des Hormonzyklus zugeschnitten ist. Die Erkenntnis, dass sich das Gehirn als Reaktion auf natürlich zyklisch auftretende Hormone physisch verändert, stellt laut den Forschern unser Verständnis der Kognition von Säugetieren infrage.