Untersuchung neuronaler Beeinträchtigungen bei psychotischen Erkrankungen mittels Elektroenzephalographie und kortikaler Spheroide

Ein Blick in die Wurzeln schwerer psychischer Erkrankungen

Schizophrenie und bipolare Störung können das Denken, Fühlen und Alltagsleben der Betroffenen tiefgreifend stören, doch die biologischen Fehlfunktionen, die diesen Erkrankungen zugrunde liegen, werden weiterhin erforscht. Diese Studie verbindet zwei kraftvolle Werkzeuge – Hirnwellenaufzeichnungen von lebenden Erwachsenen und winzige, im Labor aus ihren eigenen Zellen gezüchtete „Mini-Gehirne“ –, um zu untersuchen, was an den Verbindungen zwischen Nervenzellen schiefläuft und wie diese Probleme sehr früh im Leben beginnen könnten.

Wie Hirnwellen fragile Verbindungen sichtbar machen

Die Forschenden zeichneten zunächst die elektrische Aktivität der Kopfhaut mit Elektroenzephalographie (EEG) bei zehn Personen mit Schizophrenie oder bipolarer Störung und fünf gesunden Freiwilligen auf. Im Mittelpunkt stand eine Reaktion, die als langzeitpotenzierungsähnliche (LTP-ähnliche) Plastizität bezeichnet wird und widerspiegelt, wie gut das Gehirn seine Reaktionen auf wiederholte visuelle Reize verstärkt – ein grundlegender Baustein von Lernen und Gedächtnis. In der Patientengruppe ließ diese Plastizität im Zeitverlauf stärker nach als in der gesunden Gruppe, was darauf hindeutet, dass ihre neuronalen Schaltkreise weniger gut in der Lage sind, ihre Reaktionen „hochzufahren“. Ein weiteres EEG-Signal, das Mismatch-Negativitäts-Signal – das automatisch kleine Veränderungen im Schall erkennt – zeigte in dieser kleinen Stichprobe keine Unterschiede zwischen den Gruppen, obwohl größere Studien hier oft Verminderungen finden. Zusammengenommen deuten diese Messungen darauf hin, dass zumindest einige Formen synaptischer Anpassung bei Menschen mit psychotischen Erkrankungen abgeschwächt sind.

Mini-Gehirne aus Hautzellen züchten

Um tiefer zu schauen, wandte sich das Team menschlichen kortikalen Spheroiden zu, oft als Mini-Gehirne bezeichnet. Sie reprogrammierten Hautzellen jedes Teilnehmers zu Stammzellen und brachten diese dann dazu, sich zu dreidimensionalen Klumpen von Hirngewebe zu entwickeln, die dem fetalen Großhirnrinde ähneln. Diese Spheroide enthielten überwiegend exzitatorische Neurone, die über den chemischen Botenstoff Glutamat miteinander kommunizieren. Mit winzigen Glaselektroden maßen die Wissenschaftler, wie leicht diese Zellen elektrische Signale abgeben und Ströme an ihre Nachbarn weiterleiten. Neurone von Personen mit bipolarer Störung benötigten stärkere Eingaben, um zu feuern, was auf eine geringere Erregbarkeit hinweist. In Spheroiden von Menschen mit Schizophrenie waren die Stärke spontaner eingehender Signale geringer, was frühe Veränderungen in der neuronalen Kommunikation innerhalb des Netzwerks nahelegt.

Geschwächte Glutamatverpackung und erschöpfte Kraftwerke

Das Team färbte die Mini-Gehirne anschließend für Schlüsselor Proteine an. Eines davon, VGLUT1, verpackt Glutamat in kleine Vesikel, die an Synapsen freigesetzt werden. Sowohl die aus Schizophrenie- als auch die aus bipolarer Störung stammenden Spheroide zeigten im Vergleich zu Kontrollen weniger Zellen mit hohem VGLUT1-Gehalt, was auf ein gemeinsames Defizit in der Maschinerie hinweist, die Glutamat für die Freisetzung verlädt. Da Signalübertragung energieintensiv ist, untersuchten die Forschenden auch die kleinen Kraftwerke der Zelle – die Mitochondrien – indem sie Sauerstoffverbrauch und Säureproduktion in Schnitten der Spheroide maßen. Mini-Gehirne von bipolar erkrankten Patienten, insbesondere von solchen, die schlecht auf Lithium ansprechen, wiesen eine geringere basale Sauerstoffaufnahme auf, ein Zeichen reduzierter mitochondrialer Aktivität, während die aus Personen mit Schizophrenie stammenden Spheroide in dieser kleinen Stichprobe relativ normale Energiemaße zeigten.

Verknüpfung von Hirnsignalen und zellulärer Energie

Schließlich fragten die Forschenden, ob Unterschiede in den Hirnwellen mit Unterschieden in den aus denselben Personen gezüchteten Mini-Gehirnen zusammenhängen. Über die Teilnehmenden hinweg zeigten diejenigen, deren EEG stärkere LTP-ähnliche Plastizität aufwies, tendenziell Mini-Gehirne mit höherer basaler mitochondrialer Atmung, also aktiverer Energieproduktion. Es gab zudem einen Hinweis darauf, dass höhere VGLUT1-Werte mit besserer Plastizität einhergingen. Obwohl diese Tendenzen nach Berücksichtigung multipler Vergleiche nicht alle strenge statistische Signifikanzen erreichten, stützen sie die Idee, dass gesunde synaptische Verstärkung auf robuster mitochondrialer Funktion und intaktem Glutamathandling beruht und dass diese Zusammenhänge sich bereits früh in der Entwicklung bei Menschen, die später Psychosen entwickeln, verändern können.

Was das für das Verständnis von Psychosen bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Botschaft dieser Arbeit, dass schwere psychische Erkrankungen wie Schizophrenie und bipolare Störung gemeinsame, früh auftretende Fehlfunktionen darin aufweisen könnten, wie Nervenzellen Signale übertragen und ihre Aktivität mit Energie versorgen. Die Mini-Gehirne legen nahe, dass lange bevor Symptome sichtbar werden, einige Neurone weniger Glutamat freisetzen und auf weniger effiziente Energieversorgung angewiesen sind, während EEG-Aufzeichnungen zeigen, dass die Fähigkeit des erwachsenen Gehirns, seine Reaktionen fein abzustimmen, abgeschwächt ist. Zwar ist die Studie klein und das im Labor gezüchtete Gewebe ähnelt eher einem sich entwickelnden als einem ausgereiften Gehirn, doch die Kombination aus Live-Hirnaufzeichnungen und personalisierten Mini-Gehirnen bietet ein vielversprechendes Fenster in die Wurzeln der Psychose und könnte schließlich gezieltere Behandlungen zur Wiederherstellung synaptischer Funktion und zellulärer Energie leiten.

Zitation: Reis de Assis, D., Pentz, A.B., Requena Osete, J. et al. Investigating neural impairments in psychotic disorders using electroencephalography and cortical spheroids. Transl Psychiatry 16, 114 (2026). https://doi.org/10.1038/s41398-026-03863-4

Schlüsselwörter: Schizophrenie, bipolare Störung, Gehirn-Organoide, synaptische Plastizität, Mitochondrien