Zusammenfassung: Eine neue Studie untersucht, wie sich unterschiedliche Lichtstärken auf die kognitive Funktion auswirken, indem sie die hypothalamische Aktivität im Gehirn beeinflussen. Die Studie nutzte fortschrittliches 7-Tesla-fMRT, um zu zeigen, dass höhere Lichtstärken die kognitive Leistung bei komplexen Aufgaben verbessern.
Dieser Zusammenhang zwischen Lichtexposition und Gehirnfunktion lässt darauf schließen, dass lichtbasierte Therapien die Aufmerksamkeit und kognitiven Fähigkeiten im Laufe des Tages verbessern können. Die Ergebnisse ebnen den Weg für weitere Untersuchungen darüber, wie Licht verschiedene Gehirnstrukturen beeinflusst, und könnten die Entwicklung nicht-invasiver Behandlungen für kognitive Müdigkeit und Schlafstörungen beeinflussen.
Wichtige Fakten:
- Eine höhere Lichtexposition korrelierte mit einer erhöhten Aktivität im hinteren Hypothalamus und einer verbesserten Leistung bei kognitiven Aufgaben.
- Die Studie nutzte 7-Tesla-fMRT und lieferte hochauflösende Erkenntnisse darüber, wie Licht die hypothalamische Aktivität beeinflusst.
- Während erhöhte Lichtverhältnisse die kognitive Leistung steigerten, müssen die genauen neuronalen Mechanismen und beteiligten Gehirnregionen noch weiter erforscht werden.
Quelle: eLife
Einer neuen Studie zufolge kann die Einwirkung höherer Lichtstärken dazu beitragen, dass sich Menschen wacher fühlen und die kognitive Leistungsfähigkeit steigern, wahrscheinlich durch Beeinflussung der Aktivität von Teilen einer Gehirnregion namens Hypothalamus.
Die Studie wurde heute als Reviewed Preprint in veröffentlicht eLifewird von den Herausgebern als von grundlegender Bedeutung beschrieben und stellt einen entscheidenden Fortschritt für unser Verständnis dar, wie sich unterschiedliche Lichtstärken auf das menschliche Verhalten auswirken.
Die Stärke der Beweise wird als überzeugend gelobt und untermauert die Analysen der Autoren zum komplexen Zusammenspiel zwischen Lichtexposition, hypothalamischer Aktivität und kognitiver Funktion.
Mit weiteren Untersuchungen könnten die Erkenntnisse als Grundlage für verschiedene Lichttherapiebehandlungen genutzt werden, um die Schlafqualität und den affektiven Zustand einer Person zu verbessern und ihnen zu helfen, sich wacher zu fühlen und Aufgaben den ganzen Tag über besser zu erledigen.
Die biologischen Auswirkungen der Lichtexposition wurden in den letzten Jahren gut dokumentiert. Es hat sich gezeigt, dass eine höhere Beleuchtungsstärke die Aufmerksamkeit und die kognitive Leistungsfähigkeit stimuliert. Diese Effekte beruhen hauptsächlich auf einer Unterklasse lichtempfindlicher Zellen in der Netzhaut, den sogenannten ipRCGs.
Diese Zellen projizieren auf mehrere Bereiche des Gehirns, am dichtesten sind die Projektionen jedoch im Hypothalamus zu finden, der typischerweise mit der Regulierung des zirkadianen Rhythmus, des Schlafs und der Wachsamkeit sowie der kognitiven Funktionen verbunden ist.
Dieses Wissen über die Schaltkreise im Gehirn, die den biologischen Wirkungen von Licht zugrunde liegen, stammt jedoch fast ausschließlich aus Studien an Tieren.
„Erkenntnisse über die Auswirkungen von Lichteinwirkung auf das Gehirn in Tiermodellen auf den Menschen zu übertragen, ist ein schwieriger Prozess, da die spätere Reifung des Kortex beim Menschen eine viel komplexere kognitive Verarbeitung ermöglicht“, erklärt Erstautor Islay Campbell, ehemaliger Doktorand am GIGA -CRC Human Imaging – jetzt promoviert – Universität Lüttich, Belgien.
„Insbesondere die Frage, ob Hypothalamuskerne zur stimulierenden Wirkung von Licht auf die Kognition beitragen, ist nicht geklärt.“
Um den Einfluss von Licht auf die menschliche Wahrnehmung besser zu verstehen, rekrutierten Campbell und Kollegen 26 gesunde junge Erwachsene für die Teilnahme an ihrer Studie.
Sie forderten jeden Teilnehmer auf, zwei auditive kognitive Aufgaben zu lösen; eine von der „n-back-Aufgabe“ abgewandelte Ausführungsaufgabe, bei der die Teilnehmer feststellen sollten, ob ein aktueller Ton mit dem identisch war, den sie zwei Dinge zuvor gehört hatten, oder ob er den Buchstaben „K“ enthielt; und eine emotionale Aufgabe, bei der die Teilnehmer gebeten wurden, das Geschlecht einer Stimme zu identifizieren, die entweder in einem neutralen Ton oder in einem wütenden Ton ausgesprochen wurde.
Jede Aufgabe wurde erledigt, während die Individuen abwechselnd im Dunkeln platziert oder kurzzeitig Licht in vier Beleuchtungsstärken ausgesetzt wurden.
Das Team verwendete eine Technik namens funktionelle 7-Tesla-Magnetresonanztomographie, die im Vergleich zur standardmäßigen 3-Tesla-MRT eine höhere Auflösung und ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis aufweist, um den Einfluss der unterschiedlichen Lichtstärken auf die Aktivität des Hypothalamus während der Aufgaben zu beurteilen .
Sie fanden heraus, dass bei beiden Aufgaben höhere Lichtstärken eine erhöhte Aktivität im hinteren Hypothalamus auslösten. Im Gegensatz dazu folgten der untere und vordere Hypothalamus einem scheinbar entgegengesetzten Muster und zeigten bei höheren Lichtstärken eine verminderte Aktivität.
Als nächstes wollte das Team herausfinden, ob diese Veränderungen in der regionalen Hypothalamusaktivität mit einer Veränderung der kognitiven Leistung zusammenhängen. Sie konzentrierten sich auf die Beurteilung der Leistung der Teilnehmer während der Führungsaufgabe, da für deren Lösung ein höheres Maß an Kognition erforderlich war.
Ihre Analyse ergab, dass höhere Lichtstärken tatsächlich zu einer besseren Leistung bei der Aufgabe führten, was auf eine Steigerung der kognitiven Leistung hindeutet. Wichtig ist, dass die Steigerung der kognitiven Leistung bei höherer Beleuchtungsstärke signifikant negativ mit der Aktivität des hinteren Hypothalamus korreliert.
Dies macht es unwahrscheinlich, dass die Aktivität des hinteren Hypothalamus direkt den positiven Einfluss von Licht auf die kognitive Leistung vermittelt, und weist möglicherweise darauf hin, dass andere Gehirnregionen beteiligt sind, was weiterer Forschung bedarf.
Andererseits wurde festgestellt, dass die Aktivität des hinteren Hypothalamus mit einer verstärkten Verhaltensreaktion auf die emotionale Aufgabe verbunden ist. Dies deutet darauf hin, dass der Zusammenhang zwischen kognitiver Leistung und der Aktivität des hinteren Hypothalamus kontextabhängig sein könnte – bei einigen Aufgaben können bestimmte Hypothalamuskerne oder neuronale Populationen rekrutiert werden, um die Leistung zu steigern, bei anderen jedoch nicht.
Die Autoren fordern zukünftige Arbeiten in diesem Bereich, um die Auswirkungen von Licht auf andere Strukturen oder ganze Netzwerke des Gehirns zu bewerten und festzustellen, wie unterschiedliche Lichtstärken deren Übersprechen und Interaktionen mit dem Kortex verändern und Verhaltensänderungen bewirken.
„Es ist wichtig, die Fragen, die sich aus unserer Studie ergeben, zu beantworten, denn die Verwendung von Licht ist ein vielversprechendes, einfach umzusetzendes Mittel, um die Müdigkeit im Laufe des Tages zu reduzieren, kognitive Störungen zu verbessern und einen erholsamen Schlaf mit minimalen Kosten und Nebenwirkungen zu ermöglichen“, sagt er Campbell.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass der menschliche Hypothalamus bei einer kognitiven Herausforderung nicht gleichmäßig auf unterschiedliche Lichtstärken reagiert“, sagt der leitende Autor Gilles Vandewalle, Co-Direktor des GIGA-CRC Human Imaging an der Universität Lüttich.
„Es wurde festgestellt, dass höhere Lichtstärken mit einer höheren kognitiven Leistung verbunden sind, und unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese stimulierende Wirkung teilweise durch den hinteren Hypothalamus vermittelt wird.“
„Diese Region wirkt wahrscheinlich zusammen mit der verminderten Aktivität des vorderen und unteren Hypothalamus sowie anderer Gehirnstrukturen, die nicht zum Hypothalamus gehören und die Wachheit regulieren.“
„Gezielte Beleuchtung für therapeutische Zwecke ist eine spannende Perspektive. Allerdings bedarf es eines umfassenderen Verständnisses darüber, wie Licht das Gehirn beeinflusst, insbesondere auf der subkortikalen Ebene. Unsere Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt in Richtung dieses Ziels dar, und zwar auf der Ebene des Hypothalamus“, bemerkt Campbell.
Über diese Neuigkeiten aus der Kognitionsforschung
Autor: Emily Packer
Quelle: eLife
Kontakt: Emily Packer – eLife
Bild: Das Bild stammt von Neuroscience News
Ursprüngliche Forschung: Offener Zugang.
„Regionale Reaktion auf Lichtbeleuchtung im gesamten menschlichen Hypothalamus“ von Islay Campbell et al. eLife
Abstrakt
Regionale Reaktion auf Lichtbeleuchtung im menschlichen Hypothalamus
Licht übt mehrere nicht bildgebende biologische Wirkungen auf die Physiologie aus, einschließlich der Stimulierung von Wachsamkeit und Wahrnehmung. Allerdings ist der subkortikale Schaltkreis, der der stimulierenden Wirkung von Licht zugrunde liegt, beim Menschen nicht etabliert.
Wir verwendeten eine funktionelle 7-Tesla-Magnetresonanztomographie, um die Auswirkungen von Schwankungen der Lichtbeleuchtungsstärke auf die regionale Aktivität des Hypothalamus zu beurteilen, während gesunde junge Erwachsene (N=26; 16 Frauen; 24,3 ± 2,9 Jahre) zwei auditive kognitive Aufgaben erledigten.
Wir stellen fest, dass eine höhere Beleuchtungsstärke sowohl bei exekutiven als auch bei emotionalen Aufgaben einen Aktivitätsanstieg im hinteren Teil des Hypothalamus auslöste, der einen Teil des Tuberomamillariskerns und den hinteren Teil des lateralen Hypothalamus umfasst.
Im Gegensatz dazu führte eine zunehmende Beleuchtungsstärke zu einer Abnahme der Aktivität im vorderen und ventralen Teil des Hypothalamus, der insbesondere den Nucleus suprachiasmaticus und einen anderen Teil des Nucleus tuberomammillaris umfasste.
Entscheidend ist, dass die Leistung der exekutiven Aufgabe bei höherer Beleuchtungsstärke verbessert wurde und negativ mit der Aktivität des hinteren Hypothalamusbereichs korrelierte.
Diese Ergebnisse offenbaren die unterschiedliche lokale Dynamik verschiedener Hypothalamusregionen, die dem Einfluss von Licht auf die Wahrnehmung zugrunde liegen. Sie könnten darauf hindeuten, dass Licht auf das Orexin- und Histaminsystem einwirkt und die Qualität des Wachzustands beeinflusst.