Drei Artikel in derselben Ausgabe von „Science“ enthüllen: Emotionen werden nicht nur von Neuronen reguliert.

Das menschliche Gehirn ist ein riesiges Netzwerk, das aus Milliarden von Neuronen besteht. Sie tauschen Signale aus, indem sie sich gegenseitig hemmen oder anregen. Die entstehenden Aktivitätsmuster breiten sich im Gehirn mit einer Frequenz von bis zu 1.000 Mal pro Sekunde wie Wellen aus. Seit mehr als einem Jahrhundert wurde angenommen, dass es diese blendend komplizierte neuronale Kodierung allein ist, die Wahrnehmung, Denken, Emotionen und Verhalten sowie die damit verbundene Gesundheitslage bestimmt. Wenn man das Gehirn verstehen möchte, untersucht man die Neuronen – also betätigt man sich in der Neurowissenschaft.

Eine Reihe von Forschungsergebnissen aus mehreren Laboren, die kürzlich in drei Artikeln in der Zeitschrift „Science“ im Jahr 2025 veröffentlicht wurden, liefern bisher die stärksten Beweise dafür, dass es nicht ausreicht, nur auf die Neuronen zu fokussieren, um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert. Diese Experimente an Mäusen, Zebrabärblingen und Fliegen zeigen, dass eine Art von riesigen Gehirnzellen, die als Astrozyten bekannt sind, tatsächlich die Rolle eines „Aufsichtspersons“ spielen. Sie galten früher als einfache Stützzellen für die Neuronen, werden heute aber als Zellen angesehen, die helfen können, die Gehirnschaltkreise zu feinstellen und dadurch den gesamten Gehirnzustand oder die Emotionen zu steuern – wie z. B. den Wachheitsgrad, das Angstgefühl oder die Gleichgültigkeit.

In vielen Gehirnregionen gibt es mehr Astrozyten als Neuronen. Sie haben eine komplexe und vielfältige Form und strecken manchmal Fortsätze aus, die Hunderttausende oder sogar Millionen von Synapsen umhüllen können – also die Verbindungspunkte, an denen die Neuronen molekulare Signale austauschen. Diese Anatomie bringt die Astrozyten an eine perfekte Position, um den Informationsfluss zu beeinflussen. Ob und wie sie die synaptische Aktivität ändern, war jedoch seit langem umstritten, teilweise weil die Mechanismen der potenziellen Wechselwirkungen nicht vollständig verstanden wurden. Neue Forschungen haben gezeigt, wie Astrozyten das Gespräch zwischen den Synapsen „beruhigen“, was ihre Bedeutung nicht mehr leugnen lässt.

„Wir leben in einer Zeit der Konnektomik, und jeder sagt gerne, wenn man die Verbindungen zwischen den Neuronen versteht, versteht man auch, wie das Gehirn funktioniert. Das stimmt nicht.“ sagt Marc Freeman, Leiter einer der Studien und Direktor des Vollum Institute am Oregon Health & Science University Independent Neuroscience Research Center. „Selbst wenn die neuronalen Verbindungen völlig unverändert bleiben, können sich die Entladungsmuster der Neuronen stark ändern.“

Astrozyten sind nicht an der schnellen, momentanen Signalübertragung der Neuronen an den Synapsen beteiligt. Stattdessen überwachen und regulieren sie die Netzwerkaktivität auf einer höheren Ebene und halten oder ändern den allgemeinen Gehirnzustand, indem sie die Gesamtaktivität erhöhen oder verringern. Diese Funktion wird neuromodulation genannt, und sie ermöglicht es dem Gehirn eines Tieres, zwischen völlig verschiedenen Zuständen zu wechseln. Beispielsweise zeigt einer der neuen Artikel, dass Astrozyten bewerten können, ob eine Handlung vergeblich ist, und das Tier dazu bringen können, aufzugeben.

Neuromodulation ist entscheidend dafür, dass die Gehirnaktivität in einem funktionierenden Bereich bleibt, um sowohl zu verhindern, dass die Aktivität „null wird“ als auch um zu vermeiden, dass es zu einem Anfall kommt. „Ohne die ständige Feinregulierung durch diese Dinge, die wir Neuromodulatoren nennen (d. h. die Moleküle, die diese Regulation vermitteln), könnte kein Nervenschaltkreis überhaupt funktionieren“, sagt Stephen Smith, emeritierter Professor für Neurowissenschaften an der Stanford University. Er hat in den späten 1980er und frühen 1990er Jahren bahnbrechende Forschungen zu den Signalen der Astrozyten durchgeführt, war jedoch nicht an dieser neuen Arbeit beteiligt.

Seit Jahren wurde angenommen, dass diese Feinregulierung von den Neuronen selbst durchgeführt wird. Obwohl frühere Studien darauf hingewiesen hatten, dass Astrozyten an einigen zellulären Signalprozessen beteiligt sind, haben die neuesten Experimente „mit fortschrittlichen Techniken wirklich präzise und unzweifelhaft bewiesen, dass Astrozyten eine Schlüsselrolle in der neuronalen Modulation des Gehirns spielen“, sagt Douglas Fields, emeritierter Neurowissenschaftler am National Institutes of Health, der ebenfalls nicht an dieser neuen Studie beteiligt war.

In dieser Rolle können Astrozyten wichtige Akteure bei Schlafstörungen oder psychischen Erkrankungen sein, da diese Erkrankungen den Gehirnzustand auf einer Gesamtebene stören. „Wir müssen uns darüber Gedanken machen, was dies für neurologische und psychische Erkrankungen bedeutet“, sagt Freeman.

Eine neue Entdeckung

Astrozyten sind eine Art von Gliazellen, die zu den nicht neuronalen Zellen des Nervensystems gehören. Sie füllen das Gehirn wie Schaumstoff und schließen die Lücken zwischen den Neuronen. Das Wort „Glia“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet „Kleber“, was die Ansicht der Menschen Mitte des 18. Jahrhunderts widerspiegelt: Die Funktion dieser Zellen sei es, lediglich das Gehirn zusammenzuhalten.

In den 1950er Jahren wussten die Forscher bereits, dass Astrozyten viel mehr tun. In Experimenten nehmen sie überschüssige Neurotransmitter auf, puffern Kaliumionen und sezernieren Substanzen, die die Neuronen für ihre Energieversorgung benötigen. Wie Alchemisten auf zellulärer Ebene scheinen die Astrozyten das „Gehirngemisch“ zu überwachen und zu regulieren und so eine günstige Umgebung für die Neuronen aufrechtzuerhalten. Aber bis Ende der 1980er Jahre wurden sie immer noch als relativ passive Regulierer angesehen. Der Wendepunkt kam, nachdem Smith in seinem Neurowissenschaftslabor an der Yale University ein neues Mikroskop gebaut hatte.

Smiths neues digitales Video-Fluoreszenzmikroskop wurde speziell für die Aufnahme von „Filmen“ der neuronalen Aktivität mit Fluoreszenz entwickelt. Wenn ein Neuron entlädt, strömen Calciumionen schnell in die Zelle. Die Forscher haben daher Fluoreszenzsensoren in die Gehirnzellen eingebracht, die bei Kontakt mit Calciumionen leuchten. Das Mikroskop kann die zeitliche und räumliche Verstärkung und Schwächung dieses Lichts erfassen und so die Entladungsmuster der Zellen aufdecken. „Wir hatten damals vielleicht das fortschrittlichste, empfindlichste und coolste System“, sagt Smith.

Eines Tages im Jahr 1989 studierte Steve Finkbeiner, ein Student von Smith (der heute Neurologe am Gladstone Institute, einer gemeinnützigen Einrichtung in San Francisco, ist), mit diesem Mikroskop die potenziell toxischen Wirkungen des Neurotransmitters Glutamat. Glutamat ist das Molekül, das die meisten Neuronen im Gehirn zur Kommunikation nutzen. Finkbeiner interessierte sich nicht für die Astrozyten, aber weil sie die Überlebensfähigkeit der Neuronen fördern, fügte er sie trotzdem dem Zellkulturmedium hinzu und gab dann Glutamat zu.

„Plötzlich schrie er vor dem Mikroskop: ‚Boss, komm schnell! Du musst das unbedingt sehen!‘“ erinnert sich Smith. „Die Astrozyten waren total aus dem Ruder.“ Das Fluoreszenzlicht breitete sich wie eine Welle in der Schicht der Astrozyten aus und sprang von einer Zelle zur nächsten. Diese Calciumwellen zeigten eine koordinierte Aktivität, als ob die Astrozyten miteinander kommunizierten. Und da diese Zellen auf Glutamat reagieren, war es logisch, dass sie auch auf die Neuronen reagieren würden. In einem Artikel aus dem Jahr 1990, in dem dieses Experiment beschrieben wurde, haben die Forscher mutig vorgeschlagen: „Das Netzwerk der Astrozyten könnte ein Fernsignalsystem im Gehirn bilden.“ Kurz darauf stellten andere Teams fest, dass Astrozyten in Petrischalen, Gehirnschnitten und sogar in narkotisierten Tieren auf verschiedene Neurotransmitter reagieren.

Damals haben viele Neurowissenschaftler die neu entdeckten Eigenschaften der Astrozyten mit denen der Neuronen verglichen, aber im Rückblick sind die Unterschiede sehr deutlich. Erstens belegen die Astrozyten einen sehr großen „Territorium“: Im menschlichen Gehirn kann ein Astrozyt ein großes Gewebegebiet bedecken und bis zu zwei Millionen Synapsen berühren. Zweitens arbeiten sie auch auf einer längeren Zeitskala. Die Ausbreitung der Calciumwellen in den Astrozyten dauert Sekunden bis Minuten, während die Signalübertragung der Neuronen entlang der Axone und die Freisetzung von Neurotransmittern nur Millisekunden dauert.

Um zu untersuchen, wie diese neue Erkenntnis über die Astrozyten mit dem Verhalten zusammenhängt, hat das Forschungs-Team sich an Tiermodelle gewandt. Die Forscher haben versucht, die Astrozyten von Versuchsmäusen durch starke sensorische Reize zu aktivieren, z. B. durch Bestrahlung der Augen mit Licht oder Berührung der Schnurrhaare, und die Reaktionen mit einem Fluoreszenzmikroskop durch ein Schädelfenster beobachtet. Manchmal reagierten die Zellen, manchmal nicht. Dann berichteten 2013 und 2014 zwei unabhängige Forschungsgruppen über eine Methode, die immer funktionierte, um die Aufmerksamkeit der Astrozyten zu erregen: Die Mäuse zu erschrecken, z. B. indem man ihnen plötzlich einen Luftstoß versprüht oder die Laufbandplattform unter ihnen plötzlich in Bewegung setzte. Der Schreckreflex ist ein hauptsächlich unbewusster Abwehrmechanismus und zugleich eine plötzliche Umstellung des Gehirnzustands, der im gesamten Tierreich weit verbreitet ist.

Wenn Wirbeltiere erschreckt werden, setzen Neuronen in einem Bereich des Hirnstamms namens locus coeruleus Noradrenalin entlang der Fasern, die sich in das gesamte Gehirn ausbreiten, frei. Noradrenalin ist ein Neuromodulator, der mit der Erregung verbunden ist. Im Gegensatz zur Übertragung spezifischer Informationen durch Neurotransmitter verhalten sich Neuromodulatoren eher wie die Drehknöpfe eines Radios und ändern den gesamten Gehirnzustand, indem sie die Aktivitätsebene erhöhen oder verringern. Diese Studien zeigen, dass es Noradrenalin ist, das die Wellen in den Astrozyten auslöst, was darauf hindeutet, dass die Astrozyten in gewissem Maße an der neuronalen Modulation beteiligt sind.

Die Astrozyten einer Ratte wurden auf einer speziellen Nanodrahtstruktur ausgebreitet. In ihrer natürlichen Umgebung umhüllen diese Zellen normalerweise Tausende von Synapsen und können so die Signalübertragung der Neuronen überwachen und regulieren.

Trotzdem bleiben viele Rätsel über die Signalübertragung der Astrozyten ungelöst. Man weiß, dass diese Zellen Noradrenalinrezeptoren haben, aber es ist nicht klar, wie die Bindung von Noradrenalin die Calciumwellen auslöst. Gleichzeitig gibt es noch eine Frage: Welches Signal übertragen diese Wellen eigentlich an die nachgeschalteten Neuronen? Einige Forscher glauben, dass Astrozyten ihre eigenen „Glia-Transmitter“ produzieren, die auf die Neuronen wirken, aber andere stellen dies in Frage. Auf wissenschaftlichen Tagungen haben die Forscher heftige und lautstarke Debatten geführt, inwieweit – oder überhaupt – die Astrozyten den Gehirn-Informationsfluss gestalten.

Dann versuchte ein Student aus dem Labor von Freeman, Zhiguo Ma (damals am University of Massachusetts Medical School), dieses Problem im Gehirn von Fliegen zu lösen. „Bitte tu das nicht“, erinnert sich Freeman, dass er ihn gewarnt hat. „Das ist zu chaotisch.“ Aber Zhiguo Ma hat trotzdem fortgefahren. Er hat den Schreckreflex der Fliegen durch plötzliches Wenden der Fliegen nachgeahmt. Mit feinen molekularbiologischen Werkzeugen hat er den Ablauf der chemischen Signale verfolgt: Die Fliegenversion von Noradrenalin aktiviert die Astrozyten, indem es einen Kanal in ihrer Zellmembran öffnet, was zur Freisetzung eines Glia-Transmitters – wahrscheinlich Adenosin – führt, das die neuronale Signalübertragung hemmt. Die Beschreibung dieser Art von Wechselwirkungen zwischen Neuronen und Astrozyten ist von entscheidender Bedeutung, „weil sie möglicherweise einen weit verbreiteten Mechanismus zur Steuerung der Gehirnfunktion darstellen“, schreiben die Forscher aus Freemans Team in einem Artikel aus dem Jahr 2016 in der Zeitschrift „Nature“.

Für einige Menschen hat dieses Experiment erstmals bewiesen, dass die Astrozyten ein unverzichtbarer Bestandteil der Nervenschaltkreise sind. Aber ein einziger Artikel über Fliegen reichte nicht, um die Skeptiker zu überzeugen. Fast zehn Jahre später haben ähnliche, beängstigende Ergebnisse bei einem Wirbeltier schließlich die Lage verändert.

Der Zeitpunkt des Aufgebens

Obwohl wir uns selten darüber Gedanken machen, spiegelt das Verhalten des „Aufgebens“ eigentlich eine plötzliche Veränderung der Gehirnaktivität wider. Es repräsentiert eine Veränderung des psychischen Zustands von Hoffnung zu Verzweiflung, die, wie eine Schreckreaktion, weitreichende Auswirkungen auf das Verhalten haben kann. Ein Forschungs-Team unter der Leitung des Neurowissenschaftlers Misha Ahrens hat bei der Untersuchung, wann junge Zebrabärblinge aufgeben, zufällig entdeckt, wie die Astrozyten diese plötzliche Veränderung der Emotion vermitteln.

Wie sieht es aus, wenn ein Zebrabärbling aufgibt? In freier Wildbahn schwimmt ein Zebrabärbling gegen den Strom, wenn er an einem Ort bleiben möchte. Im Labor des Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus in Virginia hat das Team von Ahrens mit Hilfe von Virtual-Reality-Technologie den Wasserstrom in einem Aquarium für Zebrabärblinge simuliert, so dass die Fische sich auch dann, wenn sie so stark wie möglich schwimmen, immer noch rückwärts zu bewegen scheinen. Zuerst schwimmen die Fische noch stärker an, aber nach etwa 20 Sekunden geben sie normalerweise auf. Nach einer Weile versuchen sie es dann wieder.