Überraschende Beobachtung: Damit wir Wärme wahrnehmen können, benötigen wir nicht nur unsere Wärmesensoren, sondern auch ihre Gegenspieler, die Kältesensoren. Sind diese defekt, ist auch das Erspüren von Wärme kaum mehr möglich, wie nun Experimente mit Mäusen nahelegen. Demnach registriert das Gehirn Temperaturveränderungen nur dann verlässlich, wenn es die Signale von Wärme- und Kältesensoren verrechnen kann.
Ob Sonnenstrahlen, die unser Gesicht streicheln, oder eine Tasse mit heißem Kaffee in unserer Hand: Solche wärmenden Erlebnisse werden durch bestimmte Nervenzellen in unserer Haut möglich. Sie senden Informationen über Temperaturveränderungen an unser Gehirn weiter und sorgen so dafür, dass wir zwischen warm und kalt unterscheiden können.
Bisher gingen Forscher davon aus, dass es dafür zwei getrennte Signalwege gibt. Demnach sind bestimmte Nervenzellen nur für Wärmereize und andere nur für Kältereize zuständig. Doch stimmt diese Annahme wirklich? „Das Temperaturempfinden gibt uns noch immer Rätsel auf“, sagt James Poulet vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin. „Insbesondere im Vergleich zum Seh-, Tast- und Hörsinn ist diese Wahrnehmung noch sehr unerforscht.“
Dem Wärmesinn auf der Spur
Poulet und seine Kollegen um Erstautor Ricardo Paricio-Montesinos wollten daher mehr herausfinden. Für ihre Studie untersuchten sie zunächst, ob Mäuse ähnlich empfindlich auf Temperaturveränderungen reagieren wie wir Menschen. Tatsächlich schien dies der Fall zu sein. Wie Experimente zeigten, begannen die Nager beispielsweise schon bei einer Erwärmung ihrer Vorderpfote um nur ein Grad an einem Wasserspender zu lecken.
„Insgesamt konnten wir erstmals beweisen, dass Mäuse Wärme und Kälte grundsätzlich genauso gut wahrnehmen wie wir. Die Schwellenwerte sind mit denen des Menschen identisch“, berichtet Poulets Kollege Gary Lewin.
Geschwächte Wahrnehmung
In einem nächsten Schritt überprüften die Wissenschaftler, wie es bei den Mäusen zu diesen Empfindungen kommt – insbesondere interessierte sie dabei die Wärmewahrnehmung. Dafür blockierten sie bei einer Gruppe von Nagern neuronale Signalwege, die in früheren Studien mit dem Wärmesinn in Verbindung gebracht wurden.
Das erstaunliche Ergebnis: Anstatt gar nicht zu reagieren, begannen die Tiere nun ab einer Temperaturerhöhung von zwei Grad am Wasserspender zu lecken. Das bedeutet, dass ihr Wärmeempfinden zwar weniger sensibel reagierte, aber nicht völlig ausgeschaltet war. Es musste demnach einen weiteren, für die Wärmewahrnehmung noch wichtigeren Signalweg geben. Worum aber handelte es sich?
Auch Kälterezeptoren vermitteln Wärme
Dies stellten Poulet und sein Team eher zufällig fest. Für einen Kontrollversuch blockierten sie bei Mäusen ein Gen namens Trmp8 – dieses enthält die Bauanleitung für einen temperaturempfindlichen Ionenkanal, der im Körper an der Vermittlung von Abkühlungssignalen beteiligt ist. „Eigentlich hatten wir diese Mäuse auf das Wahrnehmen von Hauterwärmung trainieren wollen. Doch dann sind wir damit auf die wichtigste Erkenntnis der Studie gestoßen“, berichtet Teammitglied Frederick Schwaller.
Denn es zeigte sich: Die genetisch veränderten Mäuse konnten plötzlich überhaupt keine Wärme mehr wahrnehmen. „Wir waren völlig überrascht“, sagt Schwaller. Tatsächlich widersprach diese Beobachtung der gängigen These, nach der Kälterezeptoren nur für die Kältewahrnehmung von Bedeutung sind. Stattdessen schienen mit Kälte in Verbindung stehende Signalwege auch zwingend für die Wärmewahrnehmung notwendig zu sein.
Gedrosselte Aktivität
Um diesem Phänomen näher auf den Grund zu gehen, führten die Forscher weitere Untersuchungen durch. Ihre Analysen der Nervenzellen in den Vorderpfoten der Mäuse lieferten zwei spannende Ergebnisse: Zum einen schien es keine Nervenzellen zu geben, die ausschließlich auf Erwärmung reagierten. Stattdessen sendeten viele sowohl bei Temperatur- als auch bei stumpfen Druckreizen ein elektrisches Signal.
„Woran erkennt dann das Nervensystem, ob die Zelle durch Wärme, Kälte oder mechanische Einwirkung aktiviert wurde?“, erläutert Lewin das Problem. Die Antwort auf diese Frage lieferte die zweite Erkenntnis: So feuerten bestimmte Nervengruppen bei kalten oder normalen Temperaturen in der Vorderpfote kontinuierlich. Stieg die Temperatur dagegen, fuhren diese Kältesensoren ihre Aktivität herunter und sendeten weniger Signale.
Informationen aus zwei Quellen
Erst durch diese Reaktion wird die Wärmewahrnehmung korrekt vermittelt, so die Schlussfolgerung der Wissenschaftler. „Wenn wir eine Tasse Kaffee mit den Händen greifen und augenblicklich deren Wärme spüren, geschieht dies nicht nur unter Beteiligung von Nervenzellen, die durch Wärme aktiviert werden, sondern auch durch solche, die durch Wärme deaktiviert werden“, erklärt Paricio-Montesinos. „Ohne diesen zweiten Nervenzelltyp würden wir entweder viel länger brauchen, bis wir die Wärme spüren, oder wir würden die Wärme gar nicht wahrnehmen.“
Es ist demnach eine Kombination von Informationen aus zwei unterschiedlichen Quellen, die für die Wärmewahrnehmung wichtig ist. „Wir gehen davon aus, dass die gleichzeitige Inhibierung und Erregung über diese zwei Kanäle den sensorischen Code für Wärme liefert“, schreibt das Team. Kurzum: Zwei Signale in entgegengesetzter Richtung erzeugen ein Muster, das dem Gehirn Wärme vermittelt.
Ähnlicher Mechanismus beim Menschen?
Dieses Modell erklärt nach Ansicht der Forscher, warum Mäuse Wärme auch ohne spezialisierte Thermorezeptoren verlässlich erkennen. Denn nur bei Erwärmung wird eine Nervenzellpopulation erregt und die andere in ihrer Aktivität gehemmt. Bei Abkühlung entsteht dagegen ein anderes Muster: Hier steigt die Aktivität bei zwei Gruppen von Nervenzellen, wie das Team feststellte. „Durch den Einsatz zweier Gruppen von Nervenzellen kann die Maus viel leichter eindeutig feststellen, ob die Temperatur steigt oder sinkt“, sagt Lewin.
Doch lassen sich diese Zusammenhänge auf den Menschen übertragen? Die Wissenschaftler halten dies zumindest für plausibel. Immerhin ist nicht nur das Wärmeempfinden von Mäusen und Menschen ähnlich. Wir verfügen auch über dieselben Rezeptoren und Nerven, die Informationen von der Haut zum Rückenmark und zum Gehirn weiterleiten. (Neuron, 2020; doi: 10.1016/j.neuron.2020.02.035)
Quelle: Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
