Im Winterschlaf verändert sich das Gehirn von Hamstern wie bei Alzheimer

Im Gehirn eines Goldhamsters geschieht während des Winterschlafs etwas Erstaunliches: Das Tau-Protein verändert sich, Nervenzellen bauen ihre Verbindungen um und Immunzellen wechseln in einen entzündungsähnlichen Zustand. Einige dieser Vorgänge kennt die Medizin auch von Alzheimer. Beim Hamster führen sie jedoch nicht zu einer fortschreitenden Zerstörung des Gehirns.

Forschende von VIB und KU Leuven untersuchten dafür den Hippocampus, eine für das Gedächtnis wichtige Hirnregion. Dort fanden sie besonders starke Veränderungen in den Mikroglia, den Immunzellen des Gehirns. Nach dem Winterschlaf verschwinden die auffälligen Zustände wieder. Für die Alzheimer-Forschung ist deshalb eine Frage besonders interessant: Was schützt das Hamster-Gehirn davor, dass aus einer vorübergehenden Reaktion eine dauerhafte Erkrankung wird?

Bei Alzheimer wird Tau zum Problem – beim Hamster nicht

Tau gehört zur inneren Stützstruktur der Nervenzellen. Während des Winterschlafs lagern sich ungewöhnlich viele Phosphatgruppen an das Protein an. Eine solche Hyperphosphorylierung tritt auch bei Alzheimer auf. Dort steht sie mit der Bildung krankhafter Tau-Strukturen und dem Verlust von Nervenzellen in Verbindung.

Bei Goldhamstern nimmt die Tau-Phosphorylierung ebenfalls stark zu. Der entscheidende Unterschied: Der Prozess läuft schnell ab und ist reversibel. „Bei Krankheiten schreitet die Tau-Phosphorylierung fort und führt zu kognitivem Abbau und Neurodegeneration. Beim Winterschlaf ist sie dagegen ein schneller, reversibler physiologischer Prozess, der keine Hirnschäden verursacht“, schreiben die Autoren im Fachjournal Science Advances.

Rund 100.000 Zellkerne zeigen den Umbau im Gehirn

Für ihre Untersuchung versetzten die Forschenden drei Monate alte männliche Goldhamster unter kontrollierten Bedingungen in den Winterschlaf. Die Temperatur sank schrittweise von 21 auf 4 Grad Celsius, gleichzeitig verkürzten sie die Lichtphase bis zur völligen Dunkelheit. Nach ein bis zwei Monaten gingen die meisten Tiere in den typischen Wechsel zwischen tiefer Ruhe und kurzen Wachphasen über.

Das Team untersuchte den Hippocampus in drei Zuständen:

normal aktive Hamster bei gewöhnlicher Körpertemperatur
Hamster während der tiefen Ruhephase, dem sogenannten Torpor
Hamster während einer Aufwachphase

Insgesamt erfassten die Forschenden rund 100.000 Zellkerne und ordneten sie 34 verschiedenen Zelltypen zu. Die größten Veränderungen der Genaktivität traten bei Mikroglia und Astrozyten auf.

Nervenzellen erholen sich besonders schnell

Während des Torpors änderten Tausende Gene ihre Aktivität. Betroffen waren unter anderem Prozesse in den Mitochondrien, der Energieversorgung der Zellen und beim Umbau von Zellstrukturen. Auch Nervenzellen veränderten ihr Aktivitätsmuster deutlich.

Beim Aufwachen näherten sich die Nervenzellen innerhalb weniger Stunden wieder stark ihrem Ausgangszustand. Gliazellen brauchten länger. Astrozyten befanden sich selbst 24 Stunden nach Beginn der Aufwachphase noch in einem veränderten Zustand. Erst bei Tieren, die den Winterschlaf vollständig beendet hatten und mindestens eine Woche wach geblieben waren, entsprach ihre Verteilung wieder der von Kontrolltieren.

Immunzellen ähneln denen bei frühem Alzheimer

Noch auffälliger veränderten sich die Mikroglia. In der tiefen Ruhephase wurden ihre feinen Fortsätze kürzer und dünner. Außerdem enthielten mehr dieser Immunzellen Fetttröpfchen. Solche Ansammlungen kommen ebenfalls bei Alterungsprozessen und Alzheimer vor.

„Obwohl Tau hauptsächlich in Nervenzellen vorkommt, sahen wir die größten Veränderungen während des Winterschlafs in den Mikroglia, den Immunzellen des Gehirns“, sagt Erstautor Pablo Largo-Barrientos. „Ihre Reaktion ähnelte der Entzündungsreaktion, die wir in Gehirnen von Alzheimer-Patienten beobachten.“

Auch bei der Genaktivität fanden sich Parallelen. Mikroglia aus der Aufwachphase ähnelten einem entzündlichen Zellzustand, der bei Menschen besonders in frühen Stadien von Alzheimer vorkommt. Unter anderem waren Gene für die Botenstoffe Ccl3 und Il1b stärker aktiv. Zellzustände, die eher mit späteren Alzheimer-Stadien verbunden sind, stimmten dagegen deutlich weniger mit denen der Hamster überein.

Trotz Alzheimer-ähnlicher Reaktion fehlen Amyloid-Plaques

Ein wesentlicher Unterschied betrifft Amyloid-β. Bei Alzheimer lagern sich diese Eiweißbestandteile im Gehirn ab und können charakteristische Plaques bilden. Bei den Hamstern waren solche Plaques während des Winterschlafs nicht nachweisbar.

Trotzdem reagierten ihre Mikroglia teilweise ähnlich wie Immunzellen in Gehirnen mit Alzheimer-Pathologie. Gleichzeitig sammelte sich phosphoryliertes Tau im Hippocampus der Tiere an. Die Alzheimer-ähnlichen Zellzustände können beim Hamster demnach entstehen, ohne dass zuvor Amyloid-Plaques vorhanden sein müssen.

Frühe Entzündungsreaktion könnte das Gehirn schützen

Die Unterschiede zwischen frühen und späten Entzündungszuständen könnten erklären, warum das Hamster-Gehirn die extremen Veränderungen übersteht. Die beim Winterschlaf beobachteten Mikroglia-Zustände könnten zu einer natürlichen Stressreaktion gehören. Sie hilft möglicherweise dabei, Nervenzellen bei Kälte und Nahrungsmangel zu schützen.

Bewiesen ist diese Schutzfunktion bislang nicht. Auffällig bleibt jedoch, dass die für spätere Alzheimer-Stadien typischen Entzündungszustände beim Winterschlaf fehlen. Die Autoren vermuten deshalb, dass frühe Entzündungsreaktionen zunächst schützend und reversibel sein können. Erst andere oder anhaltende Reaktionen könnten mit fortschreitender Neurodegeneration verbunden sein.

Hamster wechseln tagelang zwischen Ruhe und Erwachen

Der Winterschlaf der Versuchstiere bestand nicht aus monatelangem Dauerschlaf. Die Hamster verbrachten durchschnittlich vier bis fünf Tage im Torpor. Anschließend folgten ein bis zwei Tage mit höherer Aktivität. Danach konnten sie erneut in die tiefe Ruhe fallen.

„Das gibt uns eine neue Möglichkeit, Prozesse zu untersuchen, die auch bei Demenz auftreten“, sagt Patrik Verstreken vom VIB-KU Leuven Center for Neuroscience. Als Nächstes will sein Team einzelne Zellreaktionen experimentell nachbilden. Dabei geht es vor allem um die Frage, welche Mechanismen das Gehirn während des Winterschlafs schützen – und warum ähnliche Vorgänge bei Alzheimer mit fortschreitenden Schäden einhergehen.

Kurz zusammengefasst:

Im Winterschlaf verändert sich das Gehirn von Goldhamstern teilweise ähnlich wie bei Alzheimer – unter anderem beim Tau-Protein und bei Immunzellen im Gehirn.
Anders als bei Alzheimer sind diese Veränderungen vorübergehend: Nach dem Erwachen kehren die Gehirnzellen schrittweise in ihren normalen Zustand zurück.
Die Hamster entwickeln dabei keine typischen Amyloid-Plaques – ihr Gehirn könnte deshalb Hinweise liefern, welche Reaktionen noch reversibel sind und welche bei Alzheimer gefährlich werden.

Übrigens: Manche Nervenzellen scheinen selbst krankhafte Veränderungen des Tau-Proteins erstaunlich lange zu überstehen. Warum bestimmte Zellen bei Alzheimer widerstandsfähiger sind, mehr dazu in unserem Artikel über Nervenzellen und das Tau-Protein.