Lichtsignale: Entdeckung eines neuen Kommunikationsmechanismus im Gehirn

Einleitung

Eine der größten Herausforderungen in der Neurowissenschaft besteht darin, zu verstehen, wie Neuronen miteinander kommunizieren. Unsere Vorstellung von Neuronen hat sich seit dem 19. Jahrhundert stark weiterentwickelt. Anfangs dachte man, dass Neuronen zu einem Synzytium verschmolzen sind und eine gemeinsame Membran hatten. Heutzutage wissen wir, dass Neuronen ihre Kommunikation über verschiedene biologische Signale abwickeln, sei es elektrisch, chemisch oder gaseous.

In letzter Zeit ist eine andere Form der Kommunikation zwischen Neuronen in den Fokus gerückt, die Licht betrifft. Es wurde festgestellt, dass Neuronen, wie auch alle anderen lebenden Zellen, Licht erzeugen können und dieses möglicherweise nutzen, um sich untereinander zu verständigen. Dieses Phänomen wird als Ultra-Schwache Photoneneission bezeichnet oder neuerdings auch als Biophotonen (Grass et al., 2004; Tang and Dai, 2014; Salari et al., 2015; Mothersill et al., 2019; Van Wik et al., 2020; Zangari et al., 2021). Für uns Autoren – die wir externes Licht zur Stabilisierung und Reparatur beschädigter oder gestresster Neuronen verwenden – ist es wichtig, die Rolle des Lichts bei der normalen Funktion von Neuronen zu verstehen und wie das von uns verwendete externe Licht mit der neuronalen Kommunikation über Biophotonen interagiert.

In diesem Beitrag diskutieren wir die Idee, dass Neuronen Biophotonen zur Kommunikation miteinander nutzen und dadurch Informationen über ihre Aktivitäts- und Homöostasezustände weitergeben können. Außerdem werden wir darüber nachdenken, ob Neuronen Biophotonen für die Reparatur von sich selbst oder von benachbarten Neuronen nutzen können. Wir schlagen vor, dass externes Licht, insbesondere die Photobiomodulation (die Verwendung von Rot- bis Nahinfrarotlicht auf Körperteilen), dieses biophotonische Kommunikations- und Reparaturnetzwerk zwischen Neuronen aktiviert und positive Effekte hervorruft. Zunächst werden wir betrachten, wie Neuronen Biophotonen erzeugen, ihre Intensität und die beteiligten Wellenlängen und dann den evolutionären Hintergrund dieses Phänomens.

Biophotonenproduktion durch Neuronen

Viele Studien haben gezeigt, dass Biophotonen aus den verschiedenen Stoffwechselprozessen entstehen, die in der Zelle stattfinden (Grass et al., 2004; Tang and Dai, 2014; Salari et al., 2015; Mothersill et al., 2019; Van Wik et al., 2020; Zangari et al., 2021). Der Hauptproduzent von Biophotonen sind vermutlich die Mitochondrien, die Organellen, in denen die meisten dieser Stoffwechselreaktionen stattfinden. Insbesondere entstehen Biophotonen durch den Prozess des oxidativen Stoffwechsels, bei dem reaktive Sauerstoffspezies aufgeregt und anschließend in einen stabilen Zustand zurückkehren. Diese Biophotonen werden wahrscheinlich von verschiedenen Chromophoren innerhalb der Zelle absorbiert, darunter Porphyrin-, Flavinfaden-, Pyridinfaden-, Lipidchromophore, aromatische Aminosäuren und Cytochrom-c-Oxidase. Diese Absorption, entweder durch die gleiche Zelle oder benachbarte Zellen (auch als “Bystander-Zellen” bezeichnet), kann dann zu einer Veränderung der elektrischen Aktivität führen (Mothersill et al., 2019; Zangari et al., 2021). Es wird auch vermutet, dass Mikrotubuli eine Rolle bei diesem Prozess spielen, da sie an der intrazellulären Signalübertragung beteiligt sind (Tang und Dai, 2014; Mothersill et al., 2019). Zwischen der Biophotonenerzeugung und der Absorption gibt es eine deutliche Verzögerung, die als verzögerte Lumineszenz bezeichnet wird. Die Länge dieser Verzögerung liefert wichtige Informationen über den Funktionszustand der Zelle (Salari et al., 2015).

Merkmale von Biophotonen

Biophotonen haben zwei bemerkenswerte Eigenschaften. Erstens werden sie mit einer recht breiten Palette von Wellenlängen emittiert, von ultraviolett bis rot und nahes Infrarot (d.h. 200-950 nm). Eine solch breite Palette eröffnet die Möglichkeit, dass bestimmte Wellenlängen mit unterschiedlichen zellulären Reaktionen und verschiedenen Homöostasezuständen assoziiert sind (Dotta et al., 2014; Tang und Dai, 2014). Zweitens ist dieses von Neuronen selbst erzeugte Licht nicht hell genug, um mit bloßem Auge, oder sogar mit einem relativ empfindlichen Radiometer, sichtbar zu sein. Es kann nur mit hochsensiblen Lichtdetektionsgeräten wie einem Photomultiplier oder mit einer speziellen histologischen Färbung nachgewiesen werden (Zangari et al., 2021). Es wurde geschätzt, dass die Anzahl der von einer Zelle erzeugten Biophotonen zwischen 2 und 200 Photonen/s/cm2 variieren kann (Tang und Dai, 2014; Salari et al., 2015). Diese Emission erfolgt kontinuierlich, kann aber durch einen externen Stimulus, wie z.B. durch elektrische Stimulation, thermischen oder mechanischen Stress, die Anwendung von Neurotransmittern wie Glutamat oder die Zugabe von Anästhetika oder Tetrodotoxin, erhöht oder verringert werden. Dabei können sowohl die Intensität als auch die Wellenlänge der Biophotonen je nach dem spezifischen Homöostasezustand der Zelle variieren. Zum Beispiel gibt es deutliche Unterschiede sowohl in der Anzahl als auch in den Wellenlängen der Biophotonen zwischen krebsartigen und nicht-krebsartigen Zellen (Tang and Dai, 2014; Salari et al., 2015).

Warum erzeugen Neuronen Licht?

Warum erzeugen Neuronen Licht und sollte uns das überraschen? Überraschung entsteht immer aus Erwartungen, und Neurowissenschaftler mussten lernen und sich immer wieder bewusst machen, unsere Erwartungen zu managen, damit wir das Offensichtliche nicht übersehen. Das Gehirn ist das energieintensivste Organ im Ruhezustand. Obwohl es nur etwa 2% des Gesamtgewichts des Körpers ausmacht, benötigt das Gehirn zehnmal diesen Anteil des Herzminutenvolumens, um seine Funktion aufrechtzuerhalten. Und was das Gehirn von all diesem Blut benötigt, ist Glucose und Sauerstoff, um Energie zu produzieren. Alle unsere Gewebe erzeugen Wärme, wenn sie metabolisch aktiv sind, und das Blut, das die Nährstoffe bringt, verteilt diese Wärme im ganzen Körper. Daher sollte es nicht überraschen, dass die mitochondrialen Stoffwechselprozesse, die die Energieversorgung der Neuronen (d.h. Adenosintriphosphat) und eine gewisse Wärme erzeugen, auch Licht in Form von Biophotonen erzeugen können.

Aber ist diese Biophotonenemission nur ein Abfallprodukt, eine kollaterale Emission metabolischer Zellaktivität, die keine nützliche Funktion hat, oder hat sie sich entwickelt, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen (Grass et al., 2004)? Wir vermuten letzteres. Wir glauben, dass alle Neuronen im Laufe der Evolution Biophotonen als Mittel zur Kommunikation und Reparatur genutzt haben (siehe unten). Eine Analogie lässt sich in der Art und Weise finden, wie Ingenieure, nachdem sie Verbrennungsmotoren zur Energiegewinnung für Fahrzeuge entwickelt hatten, feststellten, dass die Motoren große Mengen an Abwärme produzierten. Diese Abwärme wurde dann für einen anderen Zweck genutzt, nämlich um die Kabine des Fahrzeugs zu heizen und den Komfort der Passagiere zu erhöhen.

Obwohl die genaue Funktion von Biophotonen derzeit noch nicht vollständig geklärt ist, werden wir uns auf zwei mögliche Wirkungen konzentrieren. Erstens könnten Biophotonen eine bedeutende Form der Kommunikation zwischen Neuronen darstellen. Biophotonen, die von einem Neuron emittiert werden, könnten benachbarte Neuronen über ihren Aktivitätszustand und darüber, ob sie normal funktionieren oder beschädigt sind, informieren (Abb. 1). Ihre Emission könnte beispielsweise viele intrazelluläre Funktionen beeinflussen, einschließlich mitochondrialer Aktivität und Energiegewinnung, Ionenkanal-Stimulation und/oder Permeation an molekularen Bindungsstellen. Diese Form der Kommunikation kann von Biophotonen mit einem erheblichen spektralen Bereich (200-950 nm) und verschiedenen Intensitätsmustern ausgedrückt werden (Grass et al., 2004; Liebert et al., 2014; Tang and Dai, 2014; Salari et al., 2015; Mothersill et al., 2019; Van Wik et al., 2020; Zangari et al., 2021).

Abb. 1: Schematische Darstellung der möglichen Modi der Biophotonen-Netzwerkkommunikation und -reparatur zwischen Neuronen.

Wenn ein Neuron sehr aktiv oder beschädigt ist (das Biophoton-Neuron), können seine Mitochondrien durch axonale Verbindungen und Synapsen oder durch die extrazelluläre Matrix mit anderen Neuronen (den By-Neuronen) kommunizieren. Das Biophoton-Neuron kann Biophotonen auch zur eigenen Reparatur und zur Reparatur der By-Neuronen verwenden. Neuronen, die keinen synaptischen Kontakt mit dem Biophoton-Neuron haben und sich auch nicht in einer benachbarten Region befinden (über die extrazelluläre Matrix), bleiben unbeeinflusst (das unbeeinflusste Neuron). Beachten Sie, dass Biophotonen einen breiten Bereich von Wellenlängen haben, von ultraviolett über rot bis infrarot (siehe Legende).

Gibt es eine Richtung bei dieser Kommunikation zwischen Neuronen? Es gibt Hinweise darauf, dass die Kommunikation durch Biophotonen bevorzugt entlang der vielen bekannten Axonwege des Gehirns fließt, die große Mengen von Neuronen über beträchtliche Entfernungen miteinander verbinden (Abb. 1; Grass et al., 2004; Tang and Dai, 2014). Insbesondere die Neuronen, die mit den Amin-Bahnen assoziiert sind, einschließlich Bahnen, die Dopamin, Serotonin oder Noradrenalin nutzen, scheinen am engsten mit Biophotonenemission und -fluoreszenz verbunden zu sein (Tang and Dai, 2014; Mothersill et al., 2019). Neben diesem Fluss entlang struktureller Wege gibt es anscheinend auch eine gewisse Penetration von Biophotonen durch die extrazelluläre Matrix (Abb. 1). Es ist nicht klar, welche Entfernungen dabei überwunden werden, aber es liegt nahe zu spekulieren, dass es einen Biophotonencode der Kommunikation zwischen Neuronen gibt, der nicht durch einen festgelegten Pfad oder synaptische Verbindungen begrenzt ist und der möglicherweise viele Neuronen über beispielsweise ein ganzes Hirnlappen hinweg umfasst. Diese Form der Kommunikation wäre nahezu instantan und würde wenig Energie erfordern, da sie wahrscheinlich die kollaterale Lichtemission großer Stoffwechselwege nutzt (Tang und Dai, 2014).

Zweitens könnten Neuronen, wenn sie beschädigt oder in Not sind, Biophotonen als Mittel zur Reparatur nutzen, entweder für sich selbst oder für benachbarte Neuronen (Abb. 1). Durch die Reparatur von Membranen, die Wiederherstellung der Homöostase, die Wiederaufnahme der normalen Zellfunktion (z.B. Rot bis Infrarot) und die Förderung von Zellwachstum und -teilung (z.B. Ultraviolett) könnten Biophotonen beschädigte oder gestresste Neuronen bei ihrer Regeneration unterstützen (Dotta et al., 2014; Hamblin, 2016).

Eine Frage, die es wert ist, angesprochen zu werden, ist, ob externes Umgebungslicht das Biophotonen-Netzwerk zwischen Neuronen beeinflussen kann (Grass et al., 2004; Tang and Dai, 2014). Fast alle Neuronen, insbesondere diejenigen des zentralen Nervensystems, sind von Knochen (Schädelknochen und Wirbelsäule) und dicken bindegewebigen Hüllen (Meningen) umgeben. Sie arbeiten größtenteils in nahezu völliger Dunkelheit. In diesen Bereichen könnte die Kommunikation durch Biophotonen kaum von externem Licht beeinflusst werden. Es gibt jedoch bemerkenswerte Ausnahmen. Die Neuronen der Netzhaut sowie periphere sensorische Neuronen, die die Haut innervieren, sind kontinuierlichem Lichtexposition ausgesetzt und diese Neuronen könnten – im Gegensatz zu denen, die im Dunkeln arbeiten – in ihrem biophotonischen Netzwerk beeinträchtigt sein. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass die Kommunikation über Biophotonen auch innerhalb dieser lichtexponierten Neuronen funktioniert. Es scheint, dass diese, vielleicht alle, Neuronen eine Möglichkeit entwickelt haben, jede externe Lichtexposition als Teil ihres biophotonischen Kommunikations- und Reparatursystems zu integrieren (Wang et al., 2011; Tang and Dai, 2014). Tatsächlich konzentrierte sich der Großteil der bisherigen Arbeiten zu Biophotonen auf nicht-neuronale Zellen, und die meisten dieser Zellen – ob pflanzlich oder tierisch – sind kontinuierlichem externen Licht ausgesetzt (Grass et al., 2004; Tang and Dai, 2014; Salari et al., 2015; Mothersill et al., 2019; Van Wik et al., 2020). Daher ist es wahrscheinlich, dass jede lebende Zelle ein Biophotonen-Netzwerk betreiben kann, unabhängig davon, ob sie externem Licht ausgesetzt ist oder nicht.

In diesem Zusammenhang könnten die vielen positiven Effekte, die durch die Anwendung von Photobiomodulation, also der Verwendung von Rot- bis Nahinfrarotlicht (λ = 600-1000 nm) auf Körpergewebe, auf Zellfunktion und -überleben erzielt werden, von dem Biophotonen-Netzwerk abhängen (Liebert et al., 2014). Photobiomodulation stimuliert die mitochondriale Aktivität und verbessert Funktion und Überlebensfähigkeit, ähnlich wie Biophotonen ähnlicher Wellenlängen dies tun würden, wenn sie von derselben Zelle oder von Bystander-Zellen emittiert werden, wenn auch in viel geringeren Intensitäten. Dieser Effekt würde erklären, zumindest teilweise, warum Neuronen, die tief in der nahezu völligen Dunkelheit des Gehirns liegen, lichtempfindlich sind und von der Photobiomodulation profitieren. Das liegt daran, dass sie selbst Licht verwenden – zwar in sehr geringer Intensität – um zu kommunizieren und Homöostase aufrechtzuerhalten, und die Photobiomodulation wirkt, indem sie dieses Netzwerk aktiviert (Liebert et al., 2014).

Fazit

Es gibt eine stetig wachsende Anzahl von Beweisen dafür, dass Neuronen in einem breiten Spektrum von Wellenlängen, von ultraviolett bis rot und nahes Infrarot, Licht erzeugen, das als Biophotonen bezeichnet wird. Dieses Licht wird im Laufe der Evolution zu einem Kommunikations- und Reparatursystem zwischen Neuronen entwickelt. Biophotonen können Informationen über den Aktivitäts- und Homöostasezustand von Neuronen vermitteln und beschädigte oder gestresste Neuronen bei ihrer Regeneration unterstützen. Wir schlagen vor, dass die positiven Effekte der Photobiomodulation auf die Einbindung dieses biophotonischen Kommunikations- und Reparaturnetzwerks zurückzuführen sind. Obwohl immer noch viele Fragen offen sind, wie und warum Biophotonen erzeugt werden und was ihre genaue funktionale Bedeutung ist, sind die therapeutischen Implikationen der Entschlüsselung des biophotonischen Kommunikations- und Reparaturnetzwerks enorm. Die Entwicklung einer ultrasensiblen Biophotonendetektionsvorrichtung, die eine mitochondrial Pathologie in gestressten oder geschädigten Neuronen des lebenden menschlichen Gehirns identifiziert und eine gezielte photobiomodulatorische Intervention leitet, wäre ein lohnendes Ziel, das viele Anstrengungen und Erkundungen erfordert.

Quellenangabe:

Moro, C., Liebert, A., Hamilton, C., Pasqual, N., Jeffery, G., Stone, J., & Mitrofanis, J. (2021). The Code of Light: Do Neurons Generate Light to Communicate and Repair? Neuroscience Research, 152, 59-63. https://doi.org/10.1016/j.neures.2021.03.001