Was beim Übergang in die Bewusstlosigkeit im Gehirn geschieht

Forscher nutzen Propofol, um die Wechselwirkungen zwischen Thalamus und Cortex aufzudecken, die dem Bewusstsein zugrundeliegen

10.09.2024 In den Operationssälen und auf den Intensivstationen von Krankenhäusern ist Propofol das Medikament der Wahl, das häufig eingesetzt wird, um Patienten zu beruhigen oder sie für invasive Eingriffe vollständig bewusstlos zu machen.

Propofol wirkt schnell und wird von den meisten Patienten gut vertragen, wenn es von einem Anästhesisten verabreicht wird. Aber was passiert im Gehirn, wenn Patienten sediert werden, und was sagt das über das Bewusstsein selbst aus?

Forscher der University of Michigan, die das Wesen des Bewusstseins erforschen, haben das Medikament erfolgreich eingesetzt, um die komplizierte Gehirnstruktur zu identifizieren, die hinter der Bewusstlosigkeit steht, und damit einen noch nie dagewesenen Einblick in Gehirnstrukturen gewährt, die bisher nur schwer zu untersuchen waren.

Die Studie

Bei gesunden Probanden zeichneten sie mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) Veränderungen der Gehirnarchitektur vor, während und nach der Propofol-Sedierung auf. Auf diese Weise konnten sie den Blutfluss in den Hirnregionen überwachen, während die Studienteilnehmer in einen bewusstlosen Zustand eintraten und diesen wieder verließen.

Im Ausgangszustand, so Studienautor Dr. Zirui Huang, weist der Thalamus ein ausgewogenes Aktivitätsniveau auf, und zwar sowohl bei spezifischen Kernen (Cluster von Gehirnzellen), die sensorische Informationen an genau definierte Bereiche der Hirnrinde senden – bekannt als unimodale Verarbeitung – als auch bei unspezifischen Kernen, die Informationen diffuser über eine höhere Schicht der Hirnrinde senden – bekannt als transmodale Verarbeitung.

Das Team fand heraus, dass der Thalamus unter tiefer Sedierung eine drastische Verringerung der Aktivität in Clustern von Gehirnzellen zeigte, die für die transmodale Verarbeitung verantwortlich sind, was zu einem dominanten unimodalen Muster führte. Dies deutet darauf hin, dass sensorische Inputs zwar noch empfangen werden, aber keine Integration dieser Inputs stattfindet.

Übergang in einen bewusstlosen Zustand

Als Nächstes entdeckten sie die spezifischen Zelltypen, die beim Übergang in einen bewusstlosen Zustand eine Rolle spielen, und ihre Beziehung zur Veränderung der thalamischen Verarbeitung. Der Thalamus enthält mindestens zwei verschiedene Zelltypen, so Huang: Kernzellen und Matrixzellen.

„Wir haben jetzt überzeugende Belege dafür, dass die weit verbreiteten Verbindungen der thalamischen Matrixzellen mit dem Cortex höherer Ordnung für das Bewusstsein entscheidend sind“, sagt Studienautor Dr. Anthony G. Hudetz, Professor für Anästhesiologie an der U-M und derzeitiger Direktor des Center for Consciousness Science.

Wenn man sich vorstellt, dass die Hirnrinde wie eine Zwiebel geschichtet ist, verbinden sich die Kernzellen mit den unteren Schichten, während die Matrixzellen mit den höheren Schichten in einer mehr verstreuten Weise verbunden sind. Durch die Messung von mRNA-Expressionssignaturen – wie Erkennungsmarken für die Zellen – konnten sie feststellen, dass eine Störung der Aktivität von Matrixzellen eine größere Rolle beim Übergang zur Bewusstlosigkeit spielt als Kernzellen. Eine weitere Überraschung war, dass GABA, ein wichtiger hemmender Transmitter im Gehirn, von dem man normalerweise annimmt, dass er eine Schlüsselrolle bei der Wirkung von Propofol spielt, offenbar keine so herausragende Rolle spielte wie erwartet.

„Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Bewusstseinsverlust während einer tiefen Sedierung in erster Linie mit der funktionellen Störung von Matrixzellen verbunden ist, die im gesamten Thalamus verteilt sind“, so Huang.

© Psylex.de – Quellenangabe: Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-51837-1

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