Elektromagnetisches Feld und TGF-ß verstärken die kompensatorische Plastizität nach Verletzung des sensorischen Nervs in der Küchenschabe Periplaneta americana.

Zumeist finden Experimente im Bereich des Bioelektromagnetismus entweder schädliche oder nützliche Effekte, oft abhängig von der Dauer und auch der Art der verwendeten elektromagnetischen Felder (EMF). Eine Forschergruppe aus Polen hat nun beides zugleich vorgefunden, und scheint hiermit auch komplexe Wirkmechanismen, wie sie in rezenten Jahren zunehmend aufgeklärt werden, zu bestätigen. Dies ist zu begrüßen, da ein gründliches Verstehen der potenziellen medizinischen Anwendungen elektromagnetischer Felder zugleich auch zu besserer Aufklärung und realistischeren Schutzmaßnahmen der allgemein vernachlässigten negativen gesundheitlichen Auswirkungen von EMFs führen sollte. Untersucht wurden die Fluchtreflexe von amerikanischen Schaben (Periplaneta americana) nach Nerven-Durchtrennung bei einem ihrer beiden Hinterleibsanhänge (Cerci), die als Luftdrucksensoren dienen. Die Wiederherstellung der Funktion nach einer sensorischen Nerven-Verletzung wird kompensatorische Plastizität genannt. Die Studie untersuchte die Auswirkungen der Anwendung eines Zellwachstum-regulierenden Zytokins (Transforming Growth Factor beta, TGF-β), bzw. eines niederfrequenten elektromagnetischen Feldes (50 Hz, 7 mT) auf den Prozess der kompensatorischen Plastizität des Fluchtsystems der Schabe.

Es wurden amerikanische Schaben (Periplaneta americana) aus eigener Zucht verwendet. Die Tiere wurden in vier Gruppen aufgetrennt: unverletzte Kontrollen („non-injured“ NI-Ctr), verletzte Kontrollen (I-Ctr), EMF-exponierte (I-EMF) und mit TGF-β behandelte verletzte Schaben (I-TGF). Die bioelektrischen Aktivitäten der Nerven (prä- und postsynaptische Teile) wurden unter Windstimulation der Cerci vor und nach der Durchtrennung des rechten Cercus aufgezeichnet; dies sowohl bei Insekten, die EMF-exponiert oder mit TGF-β behandelt wurden. Verhalten und Bewegungen der Schaben wurden per Digitalkamera aufgezeichnet und mit der idTracker- Software bearbeitet. Als EMF-Quelle diente eine eigens angefertigte Helmholtzspule (7 mT), die mit Netzfrequenz (50 Hz) betrieben wurde. Die EMF-Exposition wurde bis zu 3 Wochen lang durchgeführt, bei 1 Stunde täglich.

Die Ablation des rechten Cercus verursachte einen Anstieg der Aktivität des linken präsynaptischen Teils der sensorischen Bahn. EMF-Exposition führte zu einer Hyperaktivität des linken Cercus-Nerven – etwa 100% erhöhte Aktivität im Vergleich zur unverletzten Kontrolle. Der linke Cercus übernahm nun innerhalb mehrerer Wochen zunehmend – durch kompensatorische Plastizität – die Wahrnehmung für Reize von der rechten Seite, die vormals vom rechten Cercus wahrgenommen wurden. Die Wahrnehmung von Reizen von der rechten Seite pendelte sich nach 2 Wochen bei 50% des Empfindlichkeits-Levels für Reize von der linken Seite ein. Bei Behandlung mit EMF oder TGF-β jedoch stieg die Empfindlichkeit der Wahrnehmung im Laufe von 3 Wochen auf über 80%. Das Verhalten der Schaben war 24 h nach Durchtrennung des Cercus-Nerven, gemessen an der täglich zurückgelegten Distanz, deutlich erhöht (doppelt) im Vergleich zu unverletzten Kontrollen, und kehrte nach 3 Wochen auf den Startwert (unverletzt) zurück. Hingegen blieb bei EMF exponierten Schaben die Motilität nach 3 Wochen 40% höher als für die verletzten und unverletzten Kontrollen. EMF-Exposition bewirkte also hyperaktives Verhalten.

Die Exposition mit EMF und TGF-β induzierte eine Erhöhung der Aktivität in beiden Teilen der sensorischen Bahn. Dies deutet auf verstärkende Effekte von EMF und TGF-β auf die Fähigkeit der Insekten hin, Reize nach einer Cercus-Ablation zu erkennen. Daten aus Lokomotionstests bestätigten die elektrophysiologischen Ergebnisse. EMF und TGF-β erhöhen die kompensatorische Plastizität, vermutlich durch erhöhte neuronale Aktivierung und/oder Freisetzung von Wachstumsfaktoren. Die hier verwendete EMF-Exposition scheint allgemein neuronal aktivierend zu wirken und löst Hyperaktivität des untersuchten Cercus-Nerven und des Verhaltens aus, vermutlich durch direktes Eingreifen in molekulare Prozesse der neuronalen Signalübertragung. Drosophila-Versuche (Fogle 2015, Sherrard 2018) belegen eine Aktivierung spannungsgesteuerter Kaliumkanäle durch niederfrequente EMF, was wiederum zu einer erhöhten Feuerrate an Aktionspotentialen und Aktivierung der nachgeschalteten, synaptischen spannungsgesteuerten Calciumkanäle (VGCC) führt (Anm. der Redaktion). Das neue an dieser Studie ist, dass gezieltes Stimulieren der neuronalen Aktivität durch ein EMF zwar auffällige Verhaltensstörungen bewirkt, aber auch eine beschleunigte Kompensation des Wahrnehmungsdefizits aufgezeigt wurde. Dies lässt medizinische Anwendungen im Bereich der Neurorehabilitation von Schlaganfallpatienten erhoffen – und auch eine genauere Beurteilung der biologisch akzeptablen Schwellenwerte für künstliche EMF. Die Übernahme der Funktion eines Cercus durch den zweiten beweist die Existenz von kompensatorischer Plastizität im Fluchtsystem der Schabe, was sie zu einem guten Modell für die Untersuchung kompensatorischer Plastizität macht. Die Autoren der Studie empfehlen weitere Forschung über EMF als nützlichen Faktor in der Neurorehabilitation. (AT)