5.4. Pharmakologische Forschungsmethoden
Im vorangegangenen Abschnitt haben Sie erfahren, wie Physiologische Psychologen das Gehirn unter Verwendung chirurgischer und elektrischer Methoden manipulieren und seine Aktivität aufzeichnen. In diesem Abschnitt werden Sie lernen, wie Psychopharmakologen das Gehirn mittels chemischer Methoden manipulieren und seine Aktivität aufzeichnen.
Die wichtigste Forschungsstrategie der Psychopharmakologie besteht darin, pharmakologische Substanzen zu verabreichen, die die Wirkungen bestimmter Neurotransmitter entweder verstärken oder verringern, und deren Auswirkungen auf das Verhalten zu beobachten. Sie haben in Kapitel 4 gelernt, wie Agonisten und Antagonisten Neurotransmittersysteme beeinflussen. Hier wird nun beschrieben, über welche Methoden pharmakologische Substanzen verabreicht und wie unter Verwendung chemischer Substanzen selektive Gehirnläsionen gesetzt werden können. Außerdem wird es um Methoden zur Messung der chemischen Aktivität des Gehirns gehen, die für die biopsychologische Forschung besonders nützlich sind, und um Methoden zur Lokalisierung von Neurotransmittersystemen.
5.4.1 Applikation pharmakologischer Substanzen
Bei den meisten psychopharmakologischen Experimenten werden pharmakologische Substanzen auf eine der folgenden Weisen verabreicht: (1) Das Versuchstier wird damit gefüttert (oral), (2) sie werden über einen Schlauch in den Magen injiziert (intragastral) oder (3) unter die Haut injiziert, entweder in die Bauchfellhöhle des Abdomens (intraperitonal, IP), in einen großen Muskel (intramuskulär, IM), in das Fettgewebe unter der Haut (subkutan, SK) oder in eine große Oberflächenvene (intravenös, IV). Ein Problem dieser peripheren Verabreichungsformen ist, dass viele Substanzen die Blut-Hirn-Schranke nicht leicht durchdringen. Um dieses Problem zu überwinden, können pharmakologische Substanzen auch in kleinen Mengen über eine stereotaktisch in das Gehirn implantierte dünne, hohle Röhre, Kanüle genannt, verabreicht werden.
5.4.2 Selektive chemische Läsionen
Die Auswirkungen chirurgischer, elektrolytischer und kryogener Läsionen sind häufig schwierig zu interpretieren, da sie alle Neurone im Zielgebiet beeinträchtigen. In manchen Fällen ist es möglich, selektivere Läsionen durch die Injektion von Neurotoxinen (Nervengiften), die eine Affinität für bestimmte Komponenten des Nervensystems haben, zu erzielen. Es gibt viele selektive Neurotoxine. Wenn z. B. Kainsäure oder Ibotensäure über eine Mikroinjektion appliziert werden, werden diese bevorzugt von den Zellkörpern an der Spitze der Kanüle aufgenommen. Die Substanzen zerstören diese Neurone, während sie Neurone, deren Axone durch das Gebiet verlaufen, größtenteils unbeschädigt lassen. Ein anderes, häufig verwendetes selektives Neurotoxin ist 6-Hydroxydopamin (6-OHDA). Es wird nur von denjenigen Neuronen aufgenommen, die die Neurotransmitter Noradrenalin oder Dopamin freisetzen, und es lässt andere Neurone am Injektionsort ungeschädigt.
5.4.3 Messung der chemischen Aktivität des Gehirns
Zur Messung der chemischen Aktivität des Gehirns von Labortieren existieren viele Methoden. Zwei Verfahren, die sich in der biopsychologischen Forschung als besonders hilfreich erwiesen haben, sind die 2-Desoxyglukose- Technik und die zerebrale Dialyse. 2-Desoxyglukose-Technik Bei der 2-Desoxyglukose-(2-DG-)Technik wird ein Versuchstier, dem radioaktiv markierte 2-DG injiziert wurde, in eine Testsituation gebracht, in der es das interessierende Verhalten zeigt.
Da 2-DG eine ähnliche Struktur wie Glukose besitzt – die Hauptenergiequelle des Gehirns – wird es von den während des Tests aktiven Neuronen stark absorbiert, aber nicht metabolisiert. Nach dem Verhaltenstest wird das Versuchstier getötet, sein Gehirn wird entnommen, und es werden Schnitte angefertigt, die einer Autoradiografie unterzogen werden. Dazu werden die Schnitte mit einer fotografischen Emulsion bedeckt, ein paar Tage im Dunkeln gelagert und dann, ähnlich wie ein Film, entwickelt. Bereiche des Gehirns, die während des Tests viel radioaktive 2-DG absorbiert haben, erscheinen auf den Abzügen als schwarze Flecken. Die Dichte der Flecken in verschiedenen Gehirnregionen kann anschließend farbkodiert werden (siehe Abbildung ► 5.18).
Zerebrale Dialyse Die zerebrale Dialyse ist ein Verfahren zur Messung der extrazellulären Konzentration bestimmter neurochemischer Substanzen in lebenden, aktiven Tieren (siehe Robinson & Justice, 1991); die meisten anderen Verfahren zur Erfassung neurochemischer Verbindungen erfordern, dass die Tiere getötet werden, da das Gewebe zur Untersuchung entnommen werden muss. Sie erfordert die Implantation eines dünnen Röhrchens mit einem kurzen semipermeablen Abschnitt in das Gehirn. Der semipermeable Abschnitt wird in der interessierenden Gehirnstruktur positioniert, sodass extrazelluläre chemische Substanzen aus dem Gewebe in das Röhrchen diffundieren. Sobald sie im Röhrchen sind, können sie zur späteren Analyse entnommen und eingefroren werden, oder sie werden in Lösung direkt mittels eines Chromatografen analysiert (eines Geräts zur Messung der chemischen Bestandteile von Flüssigkeiten oder Gasen).
► Abbildung 5.18: Die 2-Desoxyglukose-Technik. Dargestellt ist die angesammelte Radioaktivität in drei frontalen Schnitten, die vom Gehirn eines Richardson-Ziesels (einer Art Eichhörnchen) angefertigt wurden. Dem Versuchstier wurde 2-Desoxyglukose injiziert; anschließend betrachtete es 45 Minuten lang durch sein linkes Auge hell erleuchtete schwarze und weiße Streifen, während das rechte Auge abgedeckt war. Da das visuelle System beim Ziesel größtenteils gekreuzt ist, sammelte sich der Großteil der Radioaktivität in den visuellen Strukturen der rechten Hemisphäre an (die Hemisphäre auf der rechten Seite des Bildes). (Mit freundlicher Genehmigung von Rod Cooper, Department of Psychology, University of Calgary)
5.4.4 Lokalisierung von Neurotransmittern und Rezeptoren im Gehirn
Ein entscheidender Schritt zum Verständnis der psychologischen Funktion eines bestimmten Neurotransmitters oder Rezeptors besteht darin herauszufi nden, wo er im Gehirn lokalisiert ist. Zwei der für diesen Zweck verfügbaren Techniken sind die Immunocytochemie und die In-situ-Hybridisierung. Bei beiden Verfahren werden die Gehirnschnitte einem markierten Liganden des zu untersuchenden Moleküls ausgesetzt (der Ligand eines Moleküls ist ein anderes Molekül, das sich an dieses bindet).
Immunocytochemie Wenn einem Tier ein fremdes Protein (ein Antigen) injiziert wird, so produziert es Antikörper, die sich an das Protein binden und dem Körper helfen, es zu entfernen oder zu zerstören; es handelt sich um die Immunreaktion des Körpers. Neurochemiker haben nun ganze Bestände von Antikörpern für die meisten Neuropeptide (siehe Kapitel 4) des Gehirns und ihre Rezeptoren hergestellt. Die Immunocytochemie ist ein Verfahren zur Lokalisation eines bestimmten Neuroproteins im Gehirn, indem dessen Antikörper mit einem Farbstoff oder radioaktiven Element markiert werden, und anschließend Schnitte des Gehirngewebes den markierten Antikörpern ausgesetzt werden. Gebiete mit Ansammlungen von Farbstoff oder Radioaktivität markieren die Lage des interessierenden Neuroproteins im Gehirnschnitt.
Alle Enzyme sind Proteine, und nur diejenigen Neurone, die einen bestimmten Neurotransmitter freisetzen, enthalten auch alle Enzyme, die für dessen Synthese benötigt werden. Die Immunocytochemie eignet sich daher dazu, Neurotransmitter zu lokalisieren. Dies wird erreicht, indem Gehirnschnitte markierten Antikörpern ausgesetzt werden, die an Enzyme binden, die nur in dem Neuron vorkommen, das den interessierenden Neurotransmitter enthält (siehe ▼Abbildung 5.19).
▼ Abbildung 5.19: Immunocytochemie. Dieser Schnitt durch die Substantia nigra einer Ratte zeigt dopaminerge Neurone, die einen Antikörper der Tyrosinhydroxylase aufgenommen haben, dem Enzym, das Tyrosin in L-Dopa umwandelt. (Mit freundlicher Genehmigung von Mark Klitenick und Chris Fibiger, Department of Psychiatry, University of British Columbia)
▲ Abbildung 5.20: In-situ-Hybridisierung. Dieser farbkodierte Frontalschnitt durch das Gehirn einer Ratte zeigt hohe Konzentrationen einer mRNA-Expression für ein Endorphin im Striatum (in Rot und Gelb). (Mit freundlicher Genehmigung von Ningning Guo und Chris Fibiger, Department of Psychiatry, University of British Columbia)
In-situ-Hybridisierung Ein anderes Verfahren zur Lokalisation von Peptiden und Proteinen im Gehirn ist die In-situ-Hybridisierung. Dieses Verfahren nutzt die Tatsache, dass alle Peptide und Proteine basierend auf den Sequenzen von Nukleotidbasen auf Strängen von messenger-RNA synthetisiert werden (siehe Kapitel 2). Die Sequenzen von Nukleotidbasen, die die Synthese vieler Neuroproteine steuern, sind identifi ziert und Hybridstränge von mRNA mit den komplementären Basensequenzen künstlich hergestellt worden. Die In-situ-Hybridisierung (siehe ▲ Abbildung 5.20) beinhaltet die folgenden Schritte: Als Erstes braucht man Hybrid-RNA-Stränge mit der Basensequenz, die komplementär zu der mRNA ist, die die Synthese des Zielneuroproteins steuert. Dann werden die Hybrid-RNAStränge mit einem Farbstoff oder einem radioaktiven Element markiert. Schließlich werden die Gehirnschnitte den markierten Hybrid-RNA-Strängen ausgesetzt; sie binden an die komplementären mRNAStränge und markieren so die Position von Neuronen, die das Zielneuroprotein freisetzen.
