Neue Erkenntnisse: Das Gehirn sendet Lichtsignale durch den Schädel

LONDON (IT BOLTWISE) – Eine faszinierende neue Studie zeigt, dass das menschliche Gehirn extrem schwache Lichtsignale aussendet, die durch den Schädel dringen und sich in Abhängigkeit von mentalen Zuständen verändern können.

Eine kürzlich in iScience veröffentlichte Studie hat aufgedeckt, dass das menschliche Gehirn extrem schwache Lichtsignale aussendet, die nicht nur durch den Schädel dringen, sondern sich auch in Reaktion auf mentale Zustände verändern können. Diese ultra-schwachen Lichtemissionen, die in völliger Dunkelheit aufgezeichnet werden können, scheinen sich bei einfachen Aufgaben wie dem Schließen der Augen oder dem Hören von Geräuschen zu verändern. Diese Entdeckung könnte eine neue Methode zur Untersuchung des Gehirns eröffnen, die als Photoenzephalographie bezeichnet wird.

Alle lebenden Gewebe setzen während des normalen Stoffwechsels winzige Mengen Licht frei, bekannt als ultra-schwache Photonemissionen. Dies geschieht, wenn angeregte Moleküle in einen niedrigeren Energiezustand zurückkehren und dabei ein Photon emittieren. Das Licht ist unglaublich schwach – etwa eine Million Mal schwächer als das, was wir sehen können – und liegt im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich. Im Gegensatz zur Biolumineszenz, die spezifische chemische Reaktionen wie bei Glühwürmchen erfordert, treten ultra-schwache Photonemissionen ständig in allen Geweben auf, ohne spezielle Enzyme oder leuchtende Verbindungen.

Das Gehirn emittiert mehr von diesem schwachen Licht als die meisten anderen Organe aufgrund seines hohen Energieverbrauchs und der dichten Konzentration von photoaktiven Molekülen. Dazu gehören Verbindungen wie Flavine, Serotonin und Proteine, die Licht absorbieren und emittieren können. Die Photonemissionsraten scheinen auch bei oxidativem Stress und Alterung zuzunehmen und könnten Veränderungen in der Zellgesundheit oder Kommunikation widerspiegeln.

Das Forschungsteam, geleitet von Hayley Casey, Nirosha Murugan und Kollegen von der Algoma University, der Tufts University und der Wilfrid Laurier University, wollte herausfinden, ob diese schwachen Lichtemissionen zur Überwachung der Gehirnaktivität genutzt werden könnten. Im Gegensatz zu anderen Bildgebungsverfahren, die eine Stimulation erfordern – wie starke Magnetfelder oder Infrarotlicht – ist die Messung von UPEs völlig passiv. Das bedeutet, dass nichts Neues in das Gehirn eingeführt wird.

Die Forscher schlugen vor, dass UPEs eine neue Möglichkeit bieten könnten, die Gehirnfunktion sicher und ohne Störung zu überwachen, ähnlich wie EEG elektrische Gehirnwellen ohne Energiezufuhr aufzeichnet. Sie wollten auch testen, ob UPEs mentale Zustände wie das Ausruhen mit geschlossenen Augen oder das Reagieren auf Geräusche widerspiegeln und ob diese Signale mit bekannten Veränderungen in elektrischen Gehirnrhythmen übereinstimmen.

Die Forscher rekrutierten 20 gesunde erwachsene Teilnehmer und maßen sowohl UPEs als auch die elektrische Gehirnaktivität, während die Teilnehmer in einem dunklen Raum saßen. Das Setup umfasste Photomultiplier-Röhren, die in der Nähe der okzipitalen und temporalen Regionen des Kopfes platziert wurden, wo das Gehirn visuelle und auditive Informationen verarbeitet. Ein dritter Sensor zeichnete Hintergrundlicht auf. Gleichzeitig trugen die Teilnehmer eine Kappe mit Elektroenzephalographie-Sensoren, um elektrische Gehirnrhythmen aufzuzeichnen.

Die Teilnehmer durchliefen eine zehnminütige Aufnahmesitzung, die fünf Bedingungen umfasste. Zuerst saßen sie mit offenen Augen und dann mit geschlossenen Augen. Anschließend hörten sie einen einfachen sich wiederholenden auditiven Reiz, gefolgt von einer weiteren Augen-geschlossen-Periode und schließlich einer weiteren Augen-offen-Periode. Ziel war es zu sehen, ob Gehirn-UPEs auf bekannte Manipulationen der Gehirnaktivität reagieren, insbesondere auf die Verschiebung der Alpharhythmen, die auftritt, wenn Menschen ihre Augen schließen.

Photonenemissionen wurden in kurzen Zeitintervallen aufgezeichnet und auf Variabilität, Frequenzinhalt und Stabilität über die Zeit analysiert. Das Team verglich die Ergebnisse mit Hintergrundsignalen und untersuchte Korrelationen mit gleichzeitig aufgezeichneten elektrischen Gehirnrhythmen.

Die Forscher fanden heraus, dass das vom Gehirn emittierte Licht anhand seiner Variabilität und Komplexität vom Hintergrundlicht unterschieden werden konnte. Gehirn-UPEs zeigten eine größere Entropie und ein dynamischeres Signal als Hintergrundaufnahmen. Diese Emissionen zeigten auch ein charakteristisches Frequenzprofil unter 1 Hz, was bedeutet, dass das Licht in langsamen rhythmischen Mustern schwankte, ungefähr einmal alle ein bis zehn Sekunden. Dieses Merkmal war im Hintergrundlicht nicht vorhanden und war besonders ausgeprägt im okzipitalen Bereich.

Die Forscher beobachteten auch, dass Gehirn-UPEs während jeder Aufgabe einen stabilen Zustand zu erreichen schienen, insbesondere gegen Ende der zweiminütigen Aufnahmeabschnitte. Diese stabilen Muster verschoben sich, wenn die Teilnehmer zwischen Augen-offen- und Augen-geschlossen-Bedingungen wechselten, was darauf hindeutet, dass die Emissionen Veränderungen im inneren Zustand des Gehirns widerspiegeln. Die Richtung der Veränderung war jedoch nicht bei allen Teilnehmern konsistent, was möglicherweise individuelle Unterschiede oder die Komplexität der zugrunde liegenden Stoffwechselprozesse widerspiegelt.

Als die Forscher UPEs mit elektrischen Gehirnrhythmen verglichen, fanden sie bescheidene Korrelationen. Zum Beispiel korrelierten Alpharhythmen – oft mit entspannter Wachsamkeit assoziiert und während Augen-geschlossen-Zuständen erhöht – mit Photonemissionen aus dem okzipitalen Bereich, jedoch nur, wenn die Augen der Teilnehmer geschlossen waren. Sie fanden auch einige Assoziationen zwischen UPE-Variabilität und Temporallappenrhythmen während der auditiven Stimulation. Dennoch waren die Beziehungen nicht stark, und viele erwartete Korrelationen traten nicht auf, was den Bedarf an weiterer Forschung unterstreicht.

Obwohl die Ergebnisse vielversprechend sind, warnen die Autoren, dass dies eine vorläufige Studie mit mehreren Einschränkungen war. Die Stichprobengröße war klein, und die Aufzeichnungsgeräte deckten nur wenige Bereiche des Kopfes ab. Die Sensoren erfassten auch ein breites Spektrum von Wellenlängen, was spezifischere Lichtmuster verschleiern könnte. Präzisere Filter oder Detektoren könnten helfen, wellenlängenspezifische Signaturen im Zusammenhang mit verschiedenen Gehirnfunktionen aufzudecken.

Die Forscher schlagen auch vor, dass die Erweiterung des Sensorarrays die räumliche Auflösung verbessern und helfen könnte, die Ursprünge der UPEs im Gehirn zu identifizieren. Da diese Emissionen mit der Stoffwechselaktivität verbunden sind, könnten sie von einer Vielzahl von Zelltypen stammen, einschließlich Neuronen und Gliazellen, und aus unterschiedlichen Tiefen im Gehirn. Die Entwicklung von Methoden zur Lokalisierung dieser Signale wird ein wichtiger nächster Schritt sein.

Die Studie umfasste keine Messungen aus anderen Körperteilen, die helfen könnten zu klären, ob ähnliche Lichtemissionen in nicht-gehirnbezogenen Geweben auftreten und wie sie sich unterscheiden. Die Einbeziehung weiterer Teilnehmer und die Erforschung von Variationen basierend auf Alter, Geschlecht oder Gesundheitszustand könnten ebenfalls aufschlussreiche Muster aufdecken. In Zukunft könnten maschinelles Lernen und fortschrittliche Bildgebungstechniken es Forschern ermöglichen, UPE-Muster zu entschlüsseln und sie zur Erkennung von Gehirnerkrankungen oder zur Überwachung der Gehirngesundheit zu nutzen.

„Wir betrachten die aktuellen Ergebnisse als einen Machbarkeitsnachweis, dass Muster von menschlichen, gehirnbezogenen UPE-Signalen in dunklen Umgebungen von Hintergrundlichtsignalen unterschieden werden können, trotz sehr niedriger relativer Signalintensität“, schrieben die Forscher. „Photoenzephalographie wäre maximal nicht-invasiv (d. h. passive Aufzeichnung) mit hoher zeitlicher Auflösung, ähnlich wie EEG oder MEG; jedoch wäre die Messung von UPEs mit oxidativem Stoffwechsel verbunden, mit mehreren klinischen Anwendungen, die anderswo beschrieben wurden. Zukünftige Studien könnten Erfolg darin finden, ausgewählte Filter und Verstärker zu verwenden, um UPE-Signalmerkmale von gesunden und kranken Gehirnen zu sieben und zu verstärken.“

Die Studie, „Exploring ultraweak photon emissions as optical markers of brain activity,“ wurde von Hayley Casey, Isabella DiBerardino, Mattia Bonzanni, Nicolas Rouleau und Nirosha J. Murugan verfasst.

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