Erklärt: Nobelpreis für die Entschlüsselung der Berührungswissenschaft

David Julius und Ardem Patapoutian haben den Mechanismus identifiziert, über den Berührungsdetektoren mit dem Nervensystem kommunizieren. Welche Bedeutung hat ihre Forschung für die Medizin?

Die amerikanischen Wissenschaftler David Julius (links) und Ardem Patapoutian.

Die fünf Sinne, mit denen der Mensch die Welt um sich herum wahrnimmt und erlebt, ist bekannt. Die inneren Mechanismen im menschlichen Körper, durch die wir Licht, Geräusche, Gerüche und Geschmack wahrnehmen und darauf reagieren, sind seit mehreren Jahrzehnten ziemlich gut verstanden. Das Verständnis dafür, wie wir durch Berührung fühlen – die Wahrnehmung von Hitze oder Kälte, Druck oder Belastung oder das Gefühl von körperlichem Schmerz – entzog sich den Wissenschaftlern lange Zeit.

Bis David Julius und Ardem Patapoutian, die unabhängig voneinander in den USA arbeiteten, in den späten 1990er und frühen 2000er Jahren eine Reihe von Entdeckungen machten, um die Berührungsdetektoren in unserem Körper und den Mechanismus herauszufinden, über den sie mit dem Nervensystem kommunizieren, um sie zu identifizieren und zu reagieren zu einer besonderen Note. Für ihre bahnbrechende Forschung, die noch andauert, wurden der 66-jährige Julius und der 54-jährige Patapoutian am Montag zu gemeinsamen Gewinnern des Nobelpreises für Physiologie 2021 ernannt.

Der Physiologie-Nobel ist der erste in den Wissenschaften, der bekannt gegeben wird. Am Dienstag wird der Nobelpreis für Physik verliehen, einen Tag später der für Chemie.

Sensoren

Julius und Patapoutian wurden mit dem Preis ausgezeichnet für ihre Entdeckungen von Rezeptoren für Temperatur und Berührung . Einfach ausgedrückt entdeckten sie die molekularen Sensoren im menschlichen Körper, die empfindlich auf Hitze und mechanischen Druck reagieren und uns Hitze oder Kälte oder die Berührung eines spitzen Gegenstandes auf unserer Haut vermitteln.

Künstliche Sensoren sind in der heutigen Welt bekannt. Ein Thermometer ist ein sehr verbreiteter Temperatursensor. In einem Raum könnte ein Tisch oder Bett Temperaturänderungen selbst dann nicht wahrnehmen, wenn sie Hitze ausgesetzt sind, ein Thermometer jedoch schon. Ebenso nehmen im menschlichen Körper nicht alle Moleküle Wärme wahr, wenn sie dieser ausgesetzt sind. Nur ganz bestimmte Proteine ​​tun dies und es ist ihre Aufgabe, dieses Signal an das Nervensystem weiterzuleiten, das dann eine entsprechende Reaktion auslöst. Die Wissenschaftler wussten, dass solche Sensoren existieren müssen, konnten sie jedoch nicht identifizieren, bis Julius den ersten Wärmerezeptor entdeckte.

Es war eine sehr grundlegende Entdeckung. Die Identifizierung des Wärmerezeptors durch Julius in den späten 1990er Jahren erfolgte durch eine sehr langwierige Untersuchung von Hunderten von Genen auf ihre Temperaturempfindlichkeit. Heute haben wir sehr effiziente Computer und Modelle, die den Arbeitsaufwand reduzieren und den Prozess beschleunigen können, aber damals war viel akribische Forschung erforderlich. Diese erste Entdeckung führte zur Identifizierung mehrerer anderer Rezeptoren. So wie es wärmeempfindliche Rezeptoren gibt, gibt es andere, die Kälte wahrnehmen können. Und wieder andere, die Druck spüren können. Wir kennen jetzt mehrere davon, sagte Dipanjan Roy, Neurowissenschaftler am National Brain Research Center in Manesar.

Der Mechanismus

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Die menschliche Fähigkeit, Wärme oder Kälte und Druck zu spüren, unterscheidet sich nicht wesentlich von der Funktionsweise der vielen Detektoren, mit denen wir vertraut sind. Ein Rauchmelder beispielsweise löst einen Alarm aus, wenn er Rauch über einer bestimmten Schwelle erkennt. In ähnlicher Weise ermöglichen die Wärmerezeptoren, wenn etwas Heißes oder Kaltes den Körper berührt, den Durchgang bestimmter Chemikalien wie Kalziumionen durch die Membran der Nervenzellen. Es ist wie ein Tor, das sich bei einer ganz bestimmten Anfrage öffnet. Das Eindringen der Chemikalie in die Zelle verursacht eine kleine Änderung der elektrischen Spannung, die vom Nervensystem aufgenommen wird.

Es gibt ein ganzes Spektrum von Rezeptoren, die auf verschiedene Temperaturbereiche empfindlich reagieren. Wenn es mehr Wärme gibt, öffnen sich mehr Kanäle, um den Ionenfluss zu ermöglichen, und das Gehirn kann höhere Temperaturen wahrnehmen. Ähnliches passiert, wenn wir etwas extrem Kaltes berühren, sagt Aurnab Ghose, Neurowissenschaftlerin am Indian Institute of Science Education and Research in Pune.

Ghose sagte, dass diese Rezeptoren nicht nur auf äußere Berührungen empfindlich reagieren, sondern auch Temperatur- oder Druckänderungen im Körper erkennen können.

Nobel für Physiologie oder Medizin

Wenn beispielsweise unsere Körpertemperatur vom optimalen Wert abweicht, kommt es zu einer Reaktion. Der Körper bemüht sich, zur optimalen oder Kerntemperatur zurückzukehren. Das passiert nur, weil die Wärmerezeptoren eine Temperaturänderung wahrnehmen können und das Nervensystem versucht, dies wiederherzustellen, sagte er.

Aber das ist nicht alles. Wenn beispielsweise unsere Harnblase voll ist, steigt der Druck in der Blase. Diese Druckänderung wird von den Druckrezeptoren wahrgenommen und an das Nervensystem weitergeleitet, das diesen Drang zur Entlastung erzeugt. Veränderungen des Blutdrucks werden auf ähnliche Weise erfasst und Abhilfemaßnahmen eingeleitet… Deshalb sind die Entdeckungen dieser Rezeptoren so grundlegend für unser Verständnis der Funktionsweise unseres Körpers, sagte Ghose.

Therapeutische Implikationen

Durchbrüche in der Physiologie haben oft zu einer Verbesserung der Fähigkeit zur Bekämpfung von Krankheiten und Störungen geführt. Dieser ist nicht anders. Wie Sneha Shashidhara, Doktorandin in kognitiven Neurowissenschaften, betonte, eröffnet die Identifizierung dieser Rezeptoren die Möglichkeit, ihre Funktion zu regulieren. Zum Beispiel gibt es Rezeptoren, die uns Schmerzen bereiten. Wenn diese Rezeptoren unterdrückt oder weniger wirksam gemacht werden konnten, hatte die Person weniger Schmerzen.

Chronische Schmerzen sind bei einer Reihe von Krankheiten und Störungen vorhanden. Früher war die Erfahrung von Schmerz ein Rätsel. Aber da wir diese Rezeptoren immer besser verstehen, ist es möglich, dass wir die Fähigkeit erlangen, sie so zu regulieren, dass der Schmerz minimiert wird, sagte sie.

Ghose sagte, dass die Forschung auf diesem Gebiet bereits im Gange sei. Es sei möglich, dass die nächste Generation von Schmerzmitteln auf diese Weise wirken würde, sagte er und fügte hinzu, dass es auch mehrere andere therapeutische Implikationen gebe, einschließlich Interventionen, die bei der Behandlung von Krankheiten wie Krebs oder Diabetes nützlich sein könnten.

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