Investigating the Effects of Sex Hormones on the Female Brain – Necessary Prerequisites and a First Insight on the Influences on Gray Matter Volume

Die Stereotype und stark vereinfachte Beziehung zwischen weiblichen Sexualhormonen und ‘typisch’ weiblichen Verhaltens geht auf die frühesten Tage der menschlichen Gesellschaft zurück, da bereits das altgriechische Wort für die Gebärmutter „Hystera“ auf eine solche Verbindung hinweist. Gegenwärtig ist das komplexe Zusammenspiel von Phasen des Menstruationszyklus und hormoneller Medikation mittels oraler Kontrazeptiva auf das psychische Wohlbefinden und Verhalten von Frauen, Gegenstand vielfältiger und stärker reflektierter Diskussionen. Eine treibende Kraft hierfür war die Einführung dieses hochinteressanten Themas in den Bereich der neurowissenschaftlichen Forschung. Diese ermöglicht einen multimodalen Ansatz, der Aspekte der Physiologie, Medizin und Psychologie kombiniert. Hier weist eine wachsende Anzahl von Literatur auf signifikante Veränderungen sowohl der Gehirnfunktion, z.B. der Lateralisierung kognitiver Funktionen, als auch der Hirnstruktur, z.B. der Konzentration der grauen Substanz, aufgrund von Veränderungen des Hormonspiegels hin. Dies trifft insbesondere auf die Fluktuation weiblicher Sexualhormone zu. Je mehr dieser Forschungszweig jedoch beleuchtet wird, desto weniger zuverlässig scheinen die Beobachtungen und abgeleiteten Erkenntnisse zu sein. Dies beruht unter anderem auf zwei Faktoren: Messinkonsistenzen und verschiedene Hormonkonzentrationen, begleitet von interindividuellen Unterschieden. Der erste Faktor bezieht sich auf die unzureichende Reliabilität eines der hauptsächlich verwendeten neurowissenschaftlichen Forschungsinstrumente: der funktionellen Magnetesonanztomographie (fMRT). Die mangelnde Reliabilität spiegelt sich in Paradigmen und Analysen sowie deren Zusammenspiel wieder und wird durch den zweiten Faktor zusätzlich verstärkt. Sexualhormone, die über verschiedene Zyklusphasen und Medikamente hinweg drastisch variieren, beeinflussen offenbar die durch fMRT erzielten Ergebnisse weiter. Die daraus resultierende enorme Instabilität behindert den Wissensgewinn des Verständnisses, wie weibliche Sexualhormone die Struktur und Funktion des Gehirns und letztendlich das Verhalten verändern. Ziel ist daher die Etablierung und gründliche Validierung präzise kontrollierte Studiendesigns, um eine reliable und robuste Forschung zu diesem faszinierenden Thema zu ermöglichen. Dieses wichtige Vorhaben stand im Mittelpunkt der hier vorgestellten Arbeit und zielte darauf ab, die skizzierten Probleme durch zwei Projekte anzugehen. Das erste Projekt adressierte die Instabilität einer Vielzahl von fMRT-Ergebnissen, einschließlich derer von Studien, die die Lateralisierung spezifischer kognitiver Funktionen untersuchten. Frühere Studien belegen, dass diese ebenfalls von Sexualhormonen beeinflusst werden. Die Untersuchung der Lateralisierung verschiedener kognitiver Funktionen wird weiter durch eine Diskrepanz zwischen der Qualität der Paradigmen eingeschränkt: Während linksdominante Funktionen mit reliablen Paradigmen untersucht werden können, fehlen diese zur Untersuchung der rechten Hemisphäre (insbesondere von visuell-räumlichen Funktionen). Daher konzentrierte sich das erste Projekt auf die Analyse der Robustheit von drei Paradigmen zur Untersuchung rechtsdominanter visuell-räumlicher Funktionen. Zusätzlich wurden Reliabilitäts- und Lateralisierungsindizes bewertet. Die Ergebnisse zeigten die allgemeine Verwendbarkeit dieser Paradigmen, jedoch auch ihre gegenwärtigen Einschränkungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Anfälligkeit für marginale Änderungen von beispielsweise Scannerparametern. Somit wurde keine der untersuchten Aufgaben in das zweite Projekt dieser Arbeit inkorporiert. Dieses Projekt strebte die Konzeptualisierung eines umfassenden Studiendesigns zur systematischen Untersuchung der Auswirkungen weiblicher Sexualhormone auf graue und weiße Substanz, lateralisierte kognitive Funktionen und Ruhezustandsfunktionen an. Frauen wurden im Rahmen eines Längsschnittstudie untersucht und Bluthormonspiegel wurden bestimmt. Frauen mit einem natürlichen Zyklus wurden während der Menstruation, mit insgesamt niedrigen Konzentrationen der Sexualhormone, und in der Midluteal Phase, charakterisiert durch hohe Sexualhormonwerte, untersucht. Frauen, unter Medikation eines androgen wirksamen Kontrazeptivums wurden während der Einnahme und des Entzugs der Pille untersucht. Da strukturelle Daten generell weniger anfällig für analytische Störgrößen sind und frühere Studien insbesondere eine hohe Reliabilität für Volumenmessungen berichteten, lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Analyse des Volumens der grauen Substanz. Zusätzlich wurde der Einfluss zweier verschiedener Analysesoftware auf die Ergebnisse untersucht. Natürlich menstruierende Frauen wiesen deskriptiv größere Volumina an grauer Substanz aus. Frauen unter hormoneller Medikation zeigten während der Einnahme im Vergleich zum Entzug der Pille größere Volumina, die jedoch nur von einer Software berichtet wurden. Zusammenfassend unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit die Bedeutung zuverlässiger Paradigmen, umfassender Studiendesigns, sowie der Anwendung validierter Analysepipelines. Letzteres zeigt sich in unterschiedlichen Ergebnissen des Einflusses des Menstruationszyklus und der Einnahme oraler Kontrazeptiva auf die Gehirnstruktur. Die Analyse der zusätzlichen im Rahmen der Studie erhobenen funktionellen und strukturellen Daten, wird die Wirkung weiblicher Sexualhormone auf das Gehirn weiter vervollständigen. Diese Arbeit etablierte die wesentlichen Anforderungen, um die zugrunde liegenden physiologischen und anatomischen Merkmale des weiblichen Gehirns weiter zu untersuchen und zu verstehen, was antike griechische Anatomen dazu motiviert haben könnten, die Gebärmutter nach einer ehemals psychiatrischen Erkrankung zu benennen.