Mäuse und der Sinn fürs Coole
Mäuse zeigen uns, dass für die Wahrnehmung von Temperatur und Berührung dieselbe Hirnregion zuständig ist.
Wie fühlen sich ein Gegenstand oder eine Oberfläche an? Und wie kühl ist das? Beide Reize werden in derselben Hirnregion verarbeitet, wie Wissenschaftler des MDC und der Charité – Universitätsmedizin Berlin nun zeigen konnten. Die in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience veröffentlichte Studie macht deutlich, wie wir kleine Temperaturänderungen wahrnehmen, und sie liefert ein Modell zur Erklärung der als Weber-Effekt bezeichneten Sinnestäuschung.
Temperatur wird durch Nervenenden in der Haut wahrgenommen, die Informationen an das Gehirn senden, damit wir auf unsere Umgebung reagieren können. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass eine leichte Erwärmung oder Abkühlung anders empfunden wird als der schmerzhafte Schock beim Berühren einer sehr heißen oder sehr kalten Oberfläche. Weniger gut erforscht ist der genaue Mechanismus der Temperaturwahrnehmung in der Haut, also welche Nervenfasern die Informationen an das Gehirn senden und welche Teile des Gehirns für die Verarbeitung zuständig sind. Dr. James Poulet und seine Forschergruppe hatten sich das Ziel gesetzt, die Schaltkreise zur Wahrnehmung von Abkühlung an Mäusen zu untersuchen.
Poulets Forschung konzentriert sich auf die Großhirnrinde und ihre Rolle bei der Sinneswahrnehmung. „Mäuse sind ideal für diese Studien“, erläutert er, „weil ihre genetischen Eigenschaften gut erforscht sind und ihr Verhalten sich einfach beobachten lässt.“ Anders als menschliche Probanden können Mäuse uns jedoch nicht mitteilen, wenn sie einen Temperaturunterschied wahrnehmen. Zur Erforschung der Wahrnehmung an Mäusen ist daher die rasche Messung der unmittelbaren Reaktion auf einen Reiz erforderlich. In der Vergangenheit wurden in der Forschung indirekte Anzeichen der Temperaturwahrnehmung über die Haut herangezogen, z. B. das bevorzugte Aufsuchen der Mäuse von warmen Bodenbereichen. Poulet und seine Arbeitsgruppe haben diese Methode verfeinert, indem sie Mäuse darauf trainierten, unmittelbar auf Temperaturänderungen zu reagieren: Bei einer kühlen Empfindung an der Vorderpfote sollten sie diese ablecken. Die Mäuse konnten Abkühlungen wahrnehmen, die nur zwei Grad unter Hauttemperatur lagen, was der menschlichen Wahrnehmung sehr ähnlich ist.
Um herauszufinden, mit welcher Hirnregion die Mäuse Abkühlung wahrnehmen, bedienten sich die Forscher eines optischen Messverfahrens (Intrinsic Optical Imaging). Sie fanden heraus, dass Abkühlung den primären somatosensorischen Cortex aktiviert, eine Hirnregion, die interessanterweise auch durch taktile Stimulation angeregt wird – Berührung und Temperatur aktivieren also dieselben Hirnbereiche. Zur Bestätigung nahmen die Forscher Messungen an einzelnen Nervenzellen vor: diese reagierten ebenfalls auf Tast- und Temperaturreize. „Eine bedeutende Entdeckung“, so Poulet. „Sie beweist, dass nicht einfach dieselbe Hirnregion zugleich auf Temperatur und Tastreize reagiert, sondern auch die einzelnen Nervenzellen Signale für beides empfangen können.“
Die Überlappung von Tast- und Temperaturempfinden ist nicht ganz überraschend – die Verbindung lässt sich mit einer Sinnestäuschung demonstrieren, die als Weber-Effekt bekannt ist. Als Experiment für zu Hause: einfach zwei 50-Cent-Münzen nehmen und eine in die Hosentasche stecken, die andere ein bis zwei Minuten in den Kühlschrank legen. Nun einen Freund bitten, mit geschlossenen Augen und ausgestreckten Händen zu beurteilen, welche Münze schwerer ist. Gemäß dem Weber-Effekt fühlt sich die kalte Münze schwerer an als die warme, auch wenn sie tatsächlich dasselbe Gewicht haben.
Unser Tastsinn und das Temperaturempfinden sind untrennbar miteinander verknüpft. Das legt nahe, dass unser Gehirn Tastsinn und Temperaturwahrnehmung zusammenbringt. Es erscheint daher logisch, dass dieselben Nervenzellen im somatosensorischen Cortex beide Empfindungen erkennen.
Bevor der sensorische Cortex einen Temperaturreiz wahrnimmt, muss dieser durch Proteine in den Nervenzellen der Haut ermittelt werden, beginnend mit einem Signal, das dann über das Rückenmark ins Gehirn geleitet wird. Zur Untersuchung dieser Vorgänge arbeitete die Forschergruppe um Poulet mit anderen Neurowissenschaftlern am MDC zusammen.
Das entscheidende Rezeptorprotein für Abkühlung heißt TRPM8. Dieser Rezeptor wird zum Beispiel durch Menthol überlistet, Kühle zu signalisieren, wenn man Pfefferminz-Kaugummi kaut oder sich mit Mentholsalbe einreibt. Menthol kühlt nicht wirklich die Haut, es aktiviert lediglich TRPM8, was dann als kühle Temperatur wahrgenommen wird.
Die Forscher fanden heraus, dass genetisch modifizierte Mäuse, denen das Rezeptorprotein für Kälte fehlte, nicht lernen konnten, als Reaktion auf einen Kältereiz die Vorderpfote zu lecken. „Dies ist der direkte Nachweis dafür, dass dieses Protein zur Kältewahrnehmung nötig ist“, erklärt Poulet.
Um zu messen, welche Nervenfasern das Signal von der Haut zum Gehirn leiten, verglich die ebenfalls am MDC forschende Laborgruppe um Gary Lewin Wildtyp-Mäuse mit Mäusen, denen das Protein TRPM8 fehlte. Das Ergebnis war, dass die C‑Nervenfasern, seit längerem für die Schmerzrezeption bekannt, bei natürlichen Mäusen auf Kältereize reagierten. Bei den genetisch manipulierten Mäusen zeigten diese Fasern keine Reaktion.
Gemeinsam liefern die Ergebnisse dieser beiden Experimente wichtige Erkenntnisse zur Temperaturwahrnehmung. Sie zeigen, dass für die Empfindung von Abkühlung TRPM8 nötig ist und dass Kältereize durch die C‑Fasern übertragen werden, die bereits für ihre Rolle bei der Schmerzempfindung bekannt sind. Im Gehirn wird der Kältereiz durch den somatosensorischen Cortex wahrgenommen, der auch auf Berührung reagiert.
„Das Zusammenfügen sensorischer Wahrnehmungen zu einem kohärenten Bild von der Welt um uns gehört zu den wichtigsten Aufgaben des Cortex”, so Poulet. Die Entdeckung, dass ein und dieselben Nervenzellen im somatosensorischen Cortex verschiedene Sinnesreize wahrnehmen können, ist ein Schritt hin zum Verständnis, wie unser Gehirn Sinneseindrücke zusammensetzt.
Beitragsbild: Eine Mäusepfote von ganz nah besehen. Foto: J. Poulet, MDC
Highlight Reference:
Quelle: Milenkovic N, Zhao WJ, Walcher J, Albert T, Siemens J, Lewin GR, Poulet JFA. A somatosensory circuit for cooling perception in mice. Nature Neuroscience 17(11): 1560 – 6 (November 2014). doi:10.1038/nn.3828
Weitere Information
- Pressemeittleung Charité: Wie erzeugt unser Gehirn Temperatur-Empfindungen?
