Ultrahochfeld-MRT zeigt, wie blaues Licht das Gehirn stimuliert – Physics World

Licht ist entscheidend für die Übertragung visueller Informationen an das Gehirn. Licht beeinflusst aber auch nicht-visuelle Prozesse im Körper, wie etwa den zirkadianen Rhythmus, die Hormonausschüttung, die Pupillengröße und den Schlafzyklus. Es ist bekannt, dass die Einwirkung von blauem Licht die Aufmerksamkeit stimuliert und die kognitive Leistungsfähigkeit steigert, die diesem Effekt zugrunde liegenden neuronalen Prozesse sind jedoch nicht vollständig verstanden. Jetzt haben Forscher der Universität Lüttich in Belgien mithilfe der Ultrahochfeld-MRT mehr darüber herausgefunden, wie Licht unser Gehirn stimuliert, und berichten über ihre Ergebnisse in Kommunikations-Biologie.

Nicht-visuelle Reaktionen auf Licht werden hauptsächlich durch lichtempfindliche Ganglienzellen der Netzhaut vermittelt, die Melanopsin exprimieren, ein Photopigment, das bei etwa 480 nm am empfindlichsten auf blaues Licht reagiert. Diese Netzhautneuronen übertragen Lichtinformationen an verschiedene Bereiche des Gehirns, die mit lichtvermitteltem Verhalten verbunden sind. Insbesondere der Pulvinar (eine Region des hinteren Thalamus, die an der Aufmerksamkeitskontrolle beteiligt ist) wird als Reaktion auf Licht kontinuierlich aktiviert, was darauf hindeutet, dass der Thalamus, eine subkortikale Region, eine Schlüsselrolle bei der Weiterleitung nichtvisueller Lichtinformationen an den Kortex spielen könnte.

Um diese Hypothese zu untersuchen, Erstautor Ilenia Paparella und Kollegen in der GIGA-CRC-Labor nutzten die funktionelle 7T-MRT, um die Gehirnaktivität von 19 gesunden jungen Teilnehmern aufzuzeichnen, während sie eine ungewöhnliche Höraufgabe erledigten, von der bekannt ist, dass sie eine Reaktion im hinteren Thalamus hervorruft. Während der Aufgabe, bei der zufällig seltene abweichende Töne neben häufigen Standardtönen erklingen ließen, befanden sich die Freiwilligen entweder im Dunkeln oder wurden 30-sekündigen Blöcken blau angereicherten polychromatischen oder orangefarbenen Kontrolllichts ausgesetzt.

Die Forscher untersuchten, wie sich die Lichteinwirkung während der Höraufgabe auf die Konnektivität vom Thalamus zum Sulcus intraparietalis (IPS) auswirkte, einem aufmerksamkeitsbezogenen Bereich des Kortex. Für jedes Subjekt analysierten sie Veränderungen in den Blutsauerstoffspiegel-abhängigen (BOLD) Signalen des Thalamus und des IPS, um auf deren neuronale Aktivität zu schließen. Anschließend nutzten sie eine dynamische kausale Modellierung, um die effektive Konnektivität zwischen den beiden Gehirnregionen abzuschätzen.

Die Analysen des Teams ergaben, dass das Hören eines seltenen abweichenden Tons während der Höraufgabe sowohl das Pulvinar als auch das IPS in beiden Hemisphären erregte. Ohne Lichtexposition kam es zu einer signifikanten gegenseitigen negativen Beeinflussung zwischen beiden Regionen.

Die Forscher fanden heraus, dass nur das blau angereicherte Licht die Konnektivität vom hinteren Thalamus zum IPS stärkte und den Einfluss des hinteren Thalamus auf das IPS von Hemmung auf Erregung umstellte. „Mit anderen Worten: Das aktive Licht modulierte speziell den Informationsfluss von Thalamus- zu kortikalen Bereichen, während das Kontrolllicht, obwohl es ansonsten visuelle Reaktionen hervorrief, unser Netzwerk in keiner Weise beeinflusste“, schreiben sie.

Hochauflösende MRT ermöglicht die direkte Darstellung der neuronalen Aktivität

Wichtig ist, dass die Forscher zwei unabhängige Modelle für die linke und rechte Gehirnhälfte berechneten und feststellten, dass sie die gleichen Ergebnisse lieferten. Sie beobachteten auch, dass der Einfluss von blau angereichertem Licht auf die Konnektivität mit Veränderungen der Pupillengröße korrelierte – ein weiteres Maß für den nicht-visuellen Einfluss von Licht auf die Physiologie.

„Nach unserem besten Wissen liefern unsere Ergebnisse die ersten empirischen Daten, die belegen, dass Licht mit blauer Wellenlänge die laufende nicht-visuelle kognitive Aktivität beeinflusst, indem es den aufgabenabhängigen Informationsfluss von subkortikalen zu kortikalen Bereichen moduliert“, schreiben die Forscher.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/ultrahigh-field-mri-reveals-how-blue-light-stimulates-the-brain/