Neuronen - Nervenzellen
Der Engländer Thomas Willis sprach als erster von der Hirnsubstanz als Sitz der Hirnfunktionen und die Großhirnhemisphären wären für Wahrnehmung, Gedächtnis und Intelligenz zuständig. Erst der Schweizerische A. von Haller entdeckte die Irritabilität und Sensibilität der Nervenfasern und widerlegte damit die Lehre vom fließenden "Seelengeist". Franz Joseph Gall, der Hallers Untersuchungen weiterführte, konnte schließlich zeigen, dass Nerven und Empfindungen zur "grauen Masse" an der Gehirnoberfläche führen. Um 1800 wollte die von Gall geprägte Phrenologie in den «Erhabenheiten und Vertiefungen», durch welche «die Form der innern Schädelfläche von der äußern Form des Gehirns bestimmt» wird, die Charakteranlagen eines Individuums erkennen. Die Lokalisationstheorie der Hirnforschung im 19. Jahrhundert war zuversichtlich, den einzelnen Nervenbündeln in unserem Gehirn bestimmte Funktionen wie das Sehen, das Hören und das Sprechen zuordnen zu können. Durch seine extreme Ansicht, bestimmte Teile des Gehirns würden jeweils bestimmte Teile des Gesamtorganismus kontrollieren, andere wiederum nähmen nur bestimmte Empfindungen auf und wieder andere wären für bestimmte Charaktereigenschaften zuständig, wurde Gall zum Begründer der Lokalisationslehre und der Phrenologie. Dass es im Gehirn tatsächlich spezialisierte Teile gibt, wurde 1861 von P. Broca mit der Entdeckung des Sprachzentrums bewiesen. Etwa ein Jahrzehnt später stellten G. Fritsch und E. Hitzig fest, dass die rechte bzw. linke Gehirnseite die jeweils gegenüberliegende Körperhälfte kontrolliert. Die eigentliche Gehirnforschung begann aber erst 1837, als der tschechische Physiologe J. E. von Purkinje feine Gehirnschnitte mikroskopisch untersuchte und entdeckte, dass "Nervenkugeln", die er als Ganglienkörper bezeichnete, Keime besitzen und Fortsätze tragen. Zwei Jahre später erkannte der deutsche Anatom und Physiologe T. Schwann, dass diese "Kugeln" Nervenzellen sind. 1891 stellte der Anatom W. von Waldever-Hartz die Neuronentheorie auf, die erst im nächsten Jahrhundert durch experimentelle neurobiologische Forschungsergebnisse bestätigt wurde. Nach dieser Theorie besteht das gesamte Nervensystem aus Neuronen (Nervenzellen), die als funktionelle Grundeinheiten alleinige Träger nervaler Erregungen sind und sich über Synapsen in gegenseitigem Kontakt befinden. Der deutsche Neurologe Hans Berger hat 1924 die ersten erfolgreiche Aufzeichnungsversuche mittels Elektroenzephalografie (EEG), also der grafischen Veranschaulichung der elektrischen Zustände in unserem Gehirn, durchgeführt. Allerdings zweifelte er lange, ob in den Gehirnkurven des Ruhezustands und des aktiven Zustands, die er Alpha- und Beta-Wellen nannte, tatsächlich etwas wissenschaftlich Haltbares erkennbar war. Die moderne funktionelle Kernspin-Tomografie sieht als bildgebendes Verfahren in unseren Tagen sogar jede unserer vermeintlich in Freiheit getroffenen Entscheidungen in einem wechselnden Farbraster unseres Gehirns um Sekundenbruchteile vorweggenommen.
LiteraturFurlanis, Elisabetta, Traunmüller, Lisa, Fucile, Geoffrey & Scheiffele, Peter (2019). Landscape of ribosome-engaged transcript isoforms reveals extensive neuronal-cell-class-specific alternative splicing programs. Nature Neuroscience, doi:10.1038/s41593-019-0465-5.
Martinez-Chavez, E., Scheerer, C., Wizenmann, A. & Blaess, S. (2018). The zinc-finger transcription factor GLI3 is a regulator of precerebellar neuronal migration. Development, doi:10.1242/dev.166033.
Okujeni, Samora, Egert, Ulrich, O'Leary, Timothy, Marder, Eve & Soriano, Jordi (2019). Self-organization of modular network architecture by activity-dependent neuronal migration and outgrowth. eLife, doi:10.7554/eLife.47996.
Theisen, U., Hennig, C., Ring, T., Schnabel, R. & Köster R. W. (2018). Neurotransmitter-mediated activity spatially controls neuronal migration in the zebrafish cerebellum. PLoS Biol 16(1): e2002226. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002226.
Telley, L., Agirman, G., Prados, J., Amberg, N., Fièvre, S., Oberst, P., Bartolini, G., Vitali, I., Cadilhac, C., Hippenmeyer, S., Nguyen, L., Dayer, A. & Jabaudon, D. (2019). Temporal patterning of apical progenitors and their daughter neurons in the developing neocortex. Science, 364, doi:10.1126/science.aav2522.
Wada, Takeo, Wallerich, Sandrine & Becskei, Attila (2018). Stochastic Gene Choice during Cellular Differentiation. Cell Reports, 24, 3503-3512.
Schon wenige Tage nach Befruchtung der Eizelle beginnt im werdenden Kind die Entwicklung des Gehirns, wobei sich bis zur Geburt hier im Schnitt jede Minute rund 250000 neue Nervenzellen bilden. Wenn der Säugling das Licht der Welt erblickt, warten in seinem Kopf rund 100 Milliarden dieser Neuronen auf Input, wobei diese enorme Menge an Nervenzellen von einigen wenigen Vorläuferzellen abstammt, den neuralen Stammzellen. Diese müssen sich zunächst vermehren, um genügend Ausgangszellen zu bilden, und nach und nach schlägt dann ein Teil der Zellen einen anderen Weg ein und beginnt, in die gewebespezifischen Zellen des Gehirns (Neurone und Gliazellen) auszureifen. Der Übergang zwischen Zellvermehrung und Ausreifung muss dabei genau austariert werden, denn eine Veränderung des Gleichgewichtes hätte fatale Folgen und könnte etwa die Entstehung von Tumoren begünstigen. Um das zu verhindern, wird die Bildung der neuralen Stammzellen äußerst strikt reguliert und wie Roese-Koerner et al. (2016) zeigen konnten, sind an der Regulation dieser Zellen zwei verschiedene Komponenten beteiligt, wobei sich beide Komponenten quasi gegenseitig kontrollieren und so einen Regelkreis bilden, der die Stammzell-Aktivität während der Gehirnentwicklung bis ins Feinste austariert. Ein Akteur in diesem Regelkreis ist der Notch-Signalweg, der dafür sorgt, dass sich die Stammzellen vermehren, während er gleichzeitig verhindert, dass sich die Zellen spezialisieren, also in Neuronen oder Gliazellen umwandeln, d. h., sie verbleiben in ihrem unreifen Zustand. Gegenspieler des Notch-Weges ist ein anderes Molekül (miR-9/9*), das die Teilung der Stammzellen unterbindet und dafür sorgt, dass sie sich in Richtung Nervenzellen entwickeln. Dieser Mechanismus verhindert also, dass sich die Stammzellen zu schnell teilen. Nervenzellen müssen bei der Entwicklung des Klein- und Hinterhirns zu einem bestimmten Zeitpunkt vom Ort ihrer Entstehung zum Ort ihrer Wirkung aktiv migrieren, wobei auf dieser Wanderung durch das embryonale Gehirn sich die Zellen umbilden und zu funktionellen Neuronen werden. Es konnte nun in Forschungen (Theisen et al., 2018) gezeigt werden, dass Neurotransmitter bei der Migration, bei der Differenzierung oder bei der Ausformung der nerven-typischen Zellgestalt eine Rolle spielen könnten. Mithilfe eines minimalinvasiven Mikroskopie-Verfahrens konnten migrierende Nervenzellen unter verschiedenen Testbedingungen in lebenden Zebrafisch-Embryonen beobachtet werden, die sich besonders als Tiermodell für das menschliche Nervensystem eigenen, da die Fische durchsichtig sind. Dabei konnte man zunächst eine erhöhte intrazelluläre Calcium-Konzentration der Neuronen sichtbar machen, eine Reaktion der Zellen auf die Neurotransmitter. Anschließend identifizierten sie die beteiligten Neurotransmitter, indem die Neuronen bei ihrer Wanderung gefilmt und gefilmt und die Bewegung und die Geschwindigkeit der Neuronen festgehalten wurde. Botenstoffe beeinflussten dabei nur die Geschwindigkeit, aber nicht die Richtung der Wanderung, allerdings beeinflussten einige Neurotransmitter die Geschwindigkeit nur in bestimmten Arealen des Klein- und Hinterhirns, entweder als Beschleuniger oder Bremser.
Die Funktion des Nervensystems beruht auf komplexen Zusammensetzungen verschiedener neuronaler Zelltypen, die einzigartige anatomische und funktionelle Eigenschaften besitzen, die durch molekulare Programme vorgegeben sind. Dabei ist alternatives Spleißen ein Schlüsselmechanismus für die Erweiterung des molekularen Repertoires, denn das erlaubt es Organismen mit einer begrenzten Anzahl von Genen ein hochkomplexes neuronales Netzwerk aufzubauen. Furlanis et al. (2019) haben in einer genomweiten Analyse im Mausmodell nachgewiesen, dass das alternative Spleißen zu einer Bandbreite von verschiedenen Varianten einzelner Proteine führt, mit der sich schließlich auch die Nervenzellen voneinander unterscheiden lassen. Man konnte dabei hunderte von Varianten identifizieren, die es möglich machen, die verschiedenen Zelltypen voneinander zu unterscheiden, wobei das Repertoire an Spleißvarianten in einer Nervenzelle dabei ihre Identität und Funktion bestimmt. Obwohl alle neuronalen Zelltypen dieselben Gene enthalten, produzieren selbst nah verwandte Zelltypen unterschiedlichste Spleißvarianten, wobei die Proteine an neuronalen Kontaktstellen (Synapsen), die die Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen besorge, besonders variantenreich sind. Damit steuert der Spleiß-Prozess offensichtlich auch die Funktion des gesamten neuronalen Netzwerks im Gehirn.
In den ersten drei Monaten nach der Geburt steigt die Zahl der Neuronen durch die Neubildung von Zellen um ein Drittel. Was dann folgt, ist eine Phase des Ausmerzens der unbrauchbaren Neubildungen: im 15. Monat ist die Zahl der Zellen wieder auf das Geburtsniveau zurückgesunken. Dann aber beginnt die Zahl der Zellen wieder zu wachsen, bis sie im Alter von sechs Jahren doppelt so hoch ist wie bei der Geburt. Dieser Prozess erklärt, warum Kinder, die durch Geburtsfehler oder unvermeidliche Operationen eine der beiden Gehirnhälften verlieren, sich trotzdem mehr oder weniger normal entwickeln. Offensichtlich ist der Zuwachs an neu gebildeten Neuronen in jungen Jahren so groß, dass das Gehirn mit den Neubildungen und den verbleibenden Neuronen sein Auslangen finden kann.
Zum Aufbau des Neocortex, der äußersten Schichten der Großhirnrinde, müssen Stammzellen die Bildung von Milliarden Nervenzellen verschiedenster Art anstoßen, doch wie dieser Prozess in der richtigen zeitlichen Abfolge abläuft, ist noch nicht vollständig geklärt. Bei Studien an Mäusen zeigte sich, dass diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit anderen genetischen Programmen arbeiten und diese an ihre Tochter-Neuronen weitergeben. Diese Programme ändern sich in ihrer Ausrichtung und werden immer komplexer, denn ist es zunächst vor allem die Steuerung von Prozessen innerhalb der Zellen, kommen mit der Zeit mehr Programme zur Anwendung, die auch Reize von außerhalb der Zellen verarbeiten (Telley et al., 2019).
Um Signale anderer Zellen empfangen zu können, bilden Nervenzellen Dendriten aus, wobei das Wachstum von Dendriten im menschlichen Gehirn hauptsächlich während der späten embryonalen und frühkindlichen Hirnentwicklung stattfindet. Damit diese Wachstumsphase der Hirnentwicklung nicht chaotisch verläuft, muss die Richtung und die Geschwindigkeit des Dendritenwachstums durch zahlreiche Signalprozesse kontrolliert werden, die den Aufbau des Zellskeletts beeinflussen, das im Inneren des auswachsenden Dendriten für dessen Form und Verlängerung verantwortlich ist. Hiroshi Kawabe et al. (2010) haben in ihren Untersuchungen an Mäusgehirnen den Prozess dieses Wachstums teilweise aufgeklärt und gezeigt, dass dafür ein Enzym verantwortlich ist, das eigentlich die Zerstörung von Eiweißbausteinen reguliert, in Nervenzellen aber auch den Aufbau des Zellskeletts steuert und so gewährleistet, dass Nervenzellen ihre für die Signalübertragung im Gehirn notwendigen baumartigen Fortsätze bilden können. Das Enzym Nedd4-1, das den Abbau von Eiweißbausteinen in Zellen steuert, indem es sie mit dem Eiweiß Ubiquitin verbindet, scheint dafür verantwortlich. Ubiquitinierte Moleküle werden von der Zelle als "Abfall" erkannt und abgebaut. In manchen Fällen führt die Ubiquitinierung aber nicht zum Abbau des markierten Proteins, sondern verändert dessen Funktion. Kawabe wies nach, dass das Enzym Nedd4-1 ein als Rap2 bezeichnetes Signalprotein ubiquitiniert, und es so daran hindert, die Zerstückelung des Zellskeletts und den Zusammenbruch der Dendriten herbeizuführen. Solange Nedd4-1 aktiv ist, können die Nervenzelldendriten normal wachsen, fällt es jedoch aus, kommt das Dendritenwachstum zum Stillstand und einmal ausgebildete Dendriten fallen in sich zusammen, mit dramatischen Konsequenzen für die Funktion von Nervenzellnetzwerken im Gehirn. Allerdings gibt es wahrscheinlich eine Reihe parallel operierender Signalwege, die das Dendritenwachstum steuern, sodass dieser Mechanismus nur einer von mehreren ist, die einander teilweise kompensieren.
Nervenzellen würden in Isolation absterben, was zur Folge hat, dass sie während ihrer Entwicklung Neuriten ausbilden, um mit anderen Neuronen über synaptische Verbindungen zu kommunizieren. Sobald sie ausreichend oder auch zu viele synaptische Eingänge erhalten, hört das Wachstum der Neuriten auf bzw. sie werden gekürzt, was verhindert, dass Neurone über längere Zeit zu stark aktiviert bleiben. Dadurch wird das neuronale Wachstum kontrolliert, um ein Netzwerk auf einem bestimmten Aktivitätsniveau stabil zu halten. Um aber die Chancen für Vernetzung zu erhöhen, können Nervenzellen jedoch nicht nur Neuriten bilden, sondern auch in Richtung anderer Neuronen wandern. Die Nervenzellen im menschlichen Gehirn haben sich auch nicht zufällig gebildet bzw. angeordnet, denn so bilden sie etwa in der Großhirnrinde Gruppen stark vernetzte neuronale Cluster, die als spätere Funktionseinheiten angelegt werden, wobei diese untereinander in schwächerem Kontakt stehen. Diese modulare Vernetzungsstruktur entsteht dabei schon in einer frühen Phase der Entwicklung, wobei die zugrunde liegende Selbstorganisation von neuronaler Aktivität gesteuert wird. Okujeni et al. (2019) haben mit simulierten Netzwerkmodellen und in-vitro-Experimenten (mit Nervenzellen aus der Großhirnrinde der Ratte) untersucht, wie diese Mechanismen im Detail funktionieren. Sie konnten dabei zeigen, dass das Zusammenspiel von aktivitätsabhängigem Wachstum von Zellfortsätzen und die Wanderung von Nervenzellen während der Entwicklung eines Netzwerkes in hohem Maß dessen späteren Grad an Modularität beeinflusst. Okujeni et al. (2019) haben nun belegt, dass das Wachstum von Neuriten und die Migration von Zellen beim Entstehen spezifischer Netzwerkarchitekturen interagieren. Dieses Zusammenspiel steuert das Verhältnis zwischen lokaler Vernetzung kurzer Reichweite und globaler Vernetzung langer Reichweite über Cluster hinweg und bestimme damit auch den Grad an Modularität im neuronalen Netzwerk. Um den Einfluss von Zellmigration auf die Netzwerkentwicklung zu untersuchen, manipulierten die Forscher ein Enzym, das in Nervenzellen die Stabilität und den Umbau des Zellskeletts reguliert. Wie in den Simulationen verstärkte Zellmigration auch in vitro die modulare Vernetzung durch Clusterbildung. Das Clustern förderte jedoch auch die Entstehung spontaner Aktivität und führte zu insgesamt höheren Aktivitätsniveaus, was zunächst im Gegensatz zu der Annahme stand, dass die Aktivität auf einem bestimmten Zielniveau bleibt. Da der die Aktionspotenzialaktivität die Dynamik des Zellskeletts nicht direkt steuert, sondern indirekt über einen Kalziumeinstrom, der die Balance zwischen Auf- und Abbauprozessen beeinflusst, erhöht die Modularität zwar die Rate, mit der Aktionspotenziale generiert werden, reduziert aber gleichzeitig die Synchronisation des Netzwerkes, die wiederum den Kalziumeinstrom pro Aktionspotenzial bestimmt. Dadurch stellt sich für alle Netzwerkstrukturen ein ähnliches Zielniveau ein.
[Bildquelle: http://home.t-online.de/home/Stephan.Reuthner/vernetz.jpg]
Das Speichermedium für unser Gedächtnis sind die Nervenzellen
(Neuronen) des Gehirns und ihre Verbindungen untereinander. Die
Annahme, dass unser Gehirn etwa 100 Milliarden Nervenzellen hat, ist
nach Untersuchungen der brasilianischen Neurowisssenschaftlerin Suzana
Herculano-Houzel veraltet. Wenn diese Zahlen immer noch in Vorlesungen
und Publikationen auftauchen, liegt das daran, dass man bisher keine
brauchbare Methode hatte, um die Anzahl der Neuronen genau zu zählen
bzw. zu schätzen. Suzana Herculano-Houzel hat nun Gehirne von
Männerleichen entnommen, durch ein Lösungsmittel - um damit die
Zellmembranen zu zerstören und allein die Zellkerne übrig zu lassen -
homogenisiert und sämtliche Hirnstrukturen gleichmäßig miteinander
verquirlt. So verfügten die entnommenen Proben über eine
durchschnittliche Verteilung von Zellen und Zelldichten und waren damit
repräsentativ für das gesamte Gehirn. Dadurch konnte man die gewonnenen
Zellzahlen auf das gesamte Hirnvolumen hochrechnen. Bei früheren
Untersuchungen hat man die Hirnareale nicht vermischt, sondern es wurden
von jedem Areal kleine Schnitte entnommen und dort die Zellzahlen
ermittelt, dann diese auf das Gesamtvolumen des jeweiligen Areals
hochgerechnet und mit den Ergebnissen aus den anderen Arealen addiert.
Die Methode ist aber nicht so genau, weil die Zelldichte innerhalb jedes
Hirnareals variiert, sodass auf Grund der uneinheitlichen Struktur
willkürlicher Schnitte die errechneten Werte nicht repräsentativ sind.
Tatsächlich geht man heute von etwa 86 Milliarden Nervenzellen
beim Menschen aus, wobei jede einzelne mit bis zu 10000 anderen
verbunden ist. 2009 hatte eine brasilianische Neurowissenschaftlerin
nachgezählt, indem sie zahlreiche Gehirnproben analysiert und
hochgerechnet hat: es sind nicht 100 Milliarden sondern nur 86
Milliarden Nervenzellen, die das Gehirn des Menschen bilden. Wenn man
diese Zahl in Relation zu allen anderen Zellen des menschlichen Körpers
stellt, der aus 100 Billionen Zellen bestehen soll, wirkt das Gehirn
relativ klein, denn nur eine von knapp 1200 Zellen im Körper ist demnach
eine Hirnzelle. Diese verbrauchen aber je nach Schätzung zwischen 20
und 25 Prozent der gesamten Energie des Körpers, d. h., jede Gehirnzelle
verbraucht viele hundertmal mehr Energie als eine durchschnittliche
Körperzelle.
Wada et al. (2018) haben am Mausmodell ein mathematisches Modell
entwickelt, um zu zeigen, wie es möglich ist, dass sich im Gehirn so
unterschiedliche und hochspezifische Nervenzellen bilden. Die etwa
dreißigtausend verschiedenen Gene reichen allein nicht aus, um die
nötige Vielfalt individueller Nervenzellen zu erzeugen, die embryonale Stammzellen bei ihrer Reifung zu Neuronen hervorbringen. Ermöglicht wird das durch Genvarianten (Isoformen),
wobei erst die Kombination der Isoformen es ermöglicht,
unterschiedliche Populationen von Neuronen aus einer recht begrenzten
Anzahl an Genen zu erzeugen. Die Kombinationen entstehen bei der
zufälligen Auswahl von Isoformen, wobei diese Zufälligkeit zu starken
Schwankungen bei der Anzahl der exprimierten Isoformen in den einzelnen
Zellen führt. Eine gleiche oder ähnliche Anzahl der exprimierten Gene in
jeder Zelle ist jedoch wichtig, damit die Neuronen spezifische
Interaktionen mit anderen Neuronen eingehen. Bei der Entwicklung von
individuellen Nervenzellen handelt es sich um eine Art Massenproduktion
nach dem Zufallsprinzip, d. h., wie am Fliessband entstehen Millionen
von Nervenzellen, wobei das entwickelte mathematisches Modell zeigt,
dass sich kombinatorische Vielfalt und Präzision nicht ausschließen,
sondern Hand in Hand gehen. Anders als bisher vermutet, erhöhen sich
gleichzeitig die Anzahl verschiedener Isoformen in einer Zelle und die
exklusive Präzision während der Reifung der Nervenzellen, sodass mehr
Isoform-Varianten die exklusive und gleichmässige Verteilung in den
einzelnen Nervenzellen bedingen. Da jedes Gen unterschiedlich abgelesen
wird und nicht alle gleichermaßen Isoformen bilden, lassen sich die
Ergebnisse nicht auf alle Gene übertragen.
Das Gehirn ist also im Prinzip ein gigantisches Kabelnetz mit mehreren 100 000 Kilometern Länge. Und wie in einem Stromkabel fließt auch entlang der Nervenbahnen Strom. Wird eine Nervenzelle durch einen ankommenden Reiz stimuliert, dann verändert sie innerhalb kürzester Zeit ihren Zustand: Entweder sie wird erregt (sie "feuert") oder sie wird gehemmt. Wenn eine Zelle feuert, dann werden über Botenstoffe auch die dahinterliegenden Nervenzellen veranlaßt zu feuern. Neben den Neuronen finden sich im Gehirn auch die Gliazellen. Diese wurden Mitte des 19. Jahrhunderts von Rudolf Virchow entdeckt und deshalb so genannt, da diese im damaligen Verständnis so viel wie „Leim“oder „Kitt“ für die Neuronen darstellten, also eine Stütz- und Ernährungsfunktion für diese zu haben schienen. Nach neuesten Schätzungen befinden sich im Gehirn des Menschen etwa zehnmal so viele Gliazellen wie Neuronen, also grob geschätzt etwa tausend Milliarden. Es gibt davon verschiedene Arten:
-
Mikroglia-Zellen ähneln den Fresszellen des Immunsystem, sind eine Art Gesundheitspolizei und mit Immunzellen verwandt. Forscher haben beobachtet, dass diese Mikrogliazellen als aktive Wächter, die kleine Blutungen abgedichten, abgestorbenes Zellmaterial aufgesaugen, verdauen und schließlich abtransportieren. Bisher war aber nur bekannt, dass Mikroglia-Zellen im Gehirn ähnliche Funktionen übernehmen wie die weißen Blutkörperchen, indem sie Krankheitserreger bekämpfen und Zellabfall entsorgen, der etwa durch das Absterben von Nervenzellen anfällt. Mikrogliazellen stellen daher eine Hauptkomponente der Immunabwehr im zentralen Nervensystem dar und bilden gewissermaßen die erste Verteidigungslinie gegenüber potenziellen Krankheitserregern, d. h., die Mikroglia schützen aktiv das Nervengewebe und unterstützen etwa dessen Regeneration nach einer Verletzung. Nach neueren Untersuchungen des European Molecular Biology Laboratory an Mäusen kappen aber die Mikroglia-Zellen bei der frühen Entwicklung des Gehirns auch überflüssige Verbindungen zwischen Nervenzellen, und organisieren so eine effektive Verdrahtung des Gehirns. Wissenschaftlern (Waisman, A. et al., 2015) gelang nun am Tiermodell der Nachweis, dass Mikroglia nach einer starken Reduktion durch massive Proliferation innerhalb von nur einer Woche sich wieder vollständig regenerieren konnten. Durch dieses hohe Regenerationspotenzial unterscheiden sich Mikroglia stark von den anderen Gehirnzellen, vor allem von Nervenzellen, sodass man nun davon ausgeht, dass Mikroglia eine essentielle Rolle bei der Aufrechterhaltung eines Gleichgewichtszustands im Gehirn spielen und etwa dadurch neurodegenerativen Erkrankungen vorzubeugen. Mikrogliazellen haben aber auch eine zentrale Rolle bei der Gehirnentwicklung und der Vernetzung von Nervenzellen während der Gehirnreifung bei jungen Erwachsenen, haben daher auch eine große Bedeutung für die Entfernung von Abbauprodukten des Gehirnstoffwechsels. Bereits bei Feten lernen Mikrogliazellen während der Gehirnentwicklung körperfremde Produkte aus dem mütterlichen Blutkreislauf kennen, etwa Virusbestandteile oder Bestandteile von Bakterien aus dem mütterlichen Darm. Diese epigenetischen Prägung kann aber fehlerhaft ablaufen, wenn die Mutter während der Schwangerschaft etwa an einer Infektionserkrankung leidet, was zu lebenslangen Konsequenzen führen kann, denn Mikrogliazellen leben sehr lange. Die Grundlagenforschung lässt vermuten, dass bei einigen Erkrankungen des Gehirns die normalen Funktionen der Mikroglia fehl- beziehungsweise überaktiviert sind, so bei der Schizophrenie, aber auch bei der Multiplen Sklerose oder Morbus Parkinson. Deutlich ist der Zusammenhang bei Erkrankungen des alternden Gehirns, insbesondere bei der Demenz vom Alzheimer-Typ. Fehlfunktionen der Mikroglia erhöhen dabei die Wahrscheinlichkeit, eine Alzheimer-Demenz zu entwickeln. Abbauprodukte des Stoffwechsels werden schlechter abtransportiert, was zu Ablagerungen von körpereigenen Eiweißen im Gehirn führt (Amyloidplaques), was die Entwicklung und den Verlauf von neurodegenerativen Erkrankungen fördert. Die Mikrogliaaktivität kann entweder durch genetische Faktoren, aber wahrscheinlich auch durch chronisch entzündliche Prozesse gestört werden, denn ein Drittel der Genveränderungen, die das Risiko für neuropsychiatrische Erkrankungen erhöhen, beeinflusst auch die Funktion von Mikrogliazellen.
Man vermutet neuerdings nach Forschungen am Mausmodell, dass Mikroglia in erster Linie auch dafür zuständig sind, feuernde Neurone im Zaum zu halten, denn man fand heraus, dass intakte Immunzellen mit ihren Dendriten nicht wahllos das Hirngewebe durchforsten, sondern gezielt an feuernde Neurone andocken, wobei deren Aktivität daraufhin nicht weiter ansteigt. Die Mikroglia zügeln somit offenbar jene Nervenzellen, deren elektrische Impulse aus dem Ruder zu laufen drohen. Ausgangspunkt war, dass die von der Mikroglia aufgegwendete Energie nicht allein dafür sinnvoll sein kann, um präventiv für einen Fall - nämlich der Beseitigung von Fremdkörpern und Zellfragmenten - gerüstet zu sein, der doch eher selten auftritt. -
Oligodendrozyten bilden das Isoliermaterial für Nervenzell-Ausläufer, das Myelin: Wie eine Kabelhülle isolieren sie die langen Nervenfasern, die Axonen. Myelin ist eine fett- und eiweißreiche Substanz und wird von den Oligodendrozyten gebildet. Nervenzellen sind bekanntlich mit Millionen von weiteren Nervenzellen vernetzt, wobei viele der Verschaltungen erst nach der Geburt geknüpft werden. Die Verbindungen zwischen Nervenzellen bilden die Nervenfasern, die als lange Fortsätze aus den Zellen auswachsen und Nachrichten in Form von elektrischen Signalen weiterleiten. Damit diese Weiterleitung funktioniert, umhüllt eben diese Myelin-Isolationsschicht die Nervenfasern und erhöht die Leitungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale.
Oligodendrozyten sind als eine Gruppe hochspezialisierter Gliazellen im zentralen Nervensystem nach neuesten Untersuchungen an Mäusen (Fünfschilling et al., 2012) nicht nur für die Bildung der fettreichen Myelinscheide zuständig, sondern Oligodendrozyten und Axone stehen auch metabolisch in Verbindung, indem sie den Axonen unmittelbar Glukoseprodukte zur Verfügung stellen, die mit Hilfe axonaler Mitochondrien in Zeiten hoher Aktivität der Nervenzellen als Brennstoff genutzt werden. Diese Kopplung von Gliazellen kann unter anderem erklären, warum bei vielen Myelinerkrankungen, wie zum Beispiel auch der Multiplen Sklerose, die betroffenen demyelinisierten Axone häufig irreversiblen Schaden nehmen.
Oligodendrozyten umhüllen auch als Helferzellen als Reaktion auf eine Verletzung die Zellfortsätze von Neuronen mit Myelin. Diese Myelinscheiden werdennach neueren Untersuchungen an Mäusen vor allem während des Schlafs aufgebaut, indem in dieser Zeit doppelt so viele Vorläuferzellen für Oligodendrozyten entstehen als während der Wachphasen, wobei sich diese Zellen, die sich später zu Oligodendrozyten entwickeln, besonders stark während der REM-Schlafphase reproduzieren (Bellesi et al., 2013).
Nach neueren Untersuchungen mit Mäusen optimiert Myelin die Informationsverarbeitung im Gehirn, wobei Myelin-bildende Gliazellen entscheidend für die zeitliche Verarbeitung akustischer Signale sind. In einer Konversation können Menschen einzelne Worte leicht verstehen und auseinanderhalten, doch im Gehirn wird die zeitliche Struktur von Sprache mit ihrer schnellen Abfolge von Lauten und Pausen und dem charakteristischen Rhythmus durch elektrische Impulse kodiert. Moore et al. (2020) haben nun herausgefunden, dass Nervenzellen die zeitliche Abfolge akustischer Signale nur dann verarbeiten können, wenn sie mit bestimmten Gliazellen zusammenarbeiten. Nervenzellen leiten bekanntlich elektrische Signale mit Hilfe ihrer Axone weiter, wobei die Geschwindigkeit und zeitliche Präzision, die für die Verarbeitung im Gehirn erforderlich ist, nur dank des Myelins erreicht wird, der von Oligodendrozyten gebildeten elektrischen Isolierung der Axone. Diese Gliazellen erhöhen einerseits die Nervenleitgeschwindigkeit, andererseits versorgen die Oligodendrozyten die Nervenzellen mit Energie in Form von Laktat. In der aktuellen Studie hat man deshalb das Hörsystem untersucht, das auf die kontinuierliche Weiterleitung von Informationen spezialisiert ist und entsprechend konstant Energie benötigt. Dabei hat man die neuronale Aktivität der für das Hören spezialisierten Hirnrinde in Tierversuchen an genetisch veränderten Mäusen gemessen, die unterschiedliche Mengen an Myelin produzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass weniger Myelin mit geringerer Nervenzellaktivität auf wiederholte akustische Reize einhergeht, d. h., dass die Nervenzellen der Mäuse mit weniger oder gar keinem Myelin kurze Pausen innerhalb eines langanhaltenden Tons schlechter identifizieren können, was beim Menschen eine wichtige Voraussetzung für die Spracherkennung darstellt. Auch in Lern- und Verhaltensstudien zeigte sich, dass die genetisch veränderten Mäuse die in langen Tönen eingebetteten Pausen nicht als solche wahrnehmen können, d. h., Myelin ist unabhängig von der eigentlichen Nervenleitgeschwindigkeit bedeutsam, damit Nervenzellen die zeitliche Abfolge akustischer Reize korrekt entschlüsseln können. Um die Frage zu klären, ob das daran liegen könnte, dass Oligodendrozyten den Axonen Energie zur Verfügung stellen, hat man eine dritte Mausmutante untersucht, bei der lediglich die Energiezufuhr von Gliazellen zu den Axonen verringert war, die ansonsten aber normale Myelin-Werte aufweist. Interessanterweise zeigten diese Tiere die gleichen Defizite der zeitlichen Kodierung akustischer Signale, was es sehr wahrscheinlich macht, dass auch beim Verlust des Myelins die geringere Energieversorgung durch Gliazellen jener entscheidende Faktor für die Defizite bei der Verarbeitung akustischer Reize ist.
Oligodendrozyten galten bisher vor allem als eine Art zelluläres Isolierband, das die Weiterleitung elektrischer Signale im Gehirn beschleunigt, doch eine neue Studie von Philippot et al. (2021) zeigte, dass sie in manchen Hirnregionen auch für die Energieversorgung der Neuronen wichtig sind. Oligodendrozyten bilden lange Arme, die größtenteils aus fettähnlichen Substanzen bestehen und Strom nicht leiten, wobei sie Axone umschließen, über die die Neuronen ihre elektrischen Impulse verschicken, und dadurch Kurzschlüsse verhindern und auch die Signal-Weiterleitung beschleunigen. Astrozyten versorgen unter anderem die Nervenzellen mit Energie, wobei sie über ihre Fortsätze mit Blutgefäßen in Kontakt treten und aus ihnen Glucose aufnehmen, die sie dann an die Synapsen transportieren, wozu sie den Zucker zum Teil in andere energiereiche Moleküle umwandeln. Philippot et al. (2021) konnten aber nun zeigen, dass Oligodendrozyten bei der Verteilung dieser Verbindungen eine wichtige Rolle spielen, und zwar vor allem im Thalamus, also dem Tor zum Bewusstsein, denn in ihm laufen unter anderem sensorische Signale aus Ohren, Augen und Haut ein, die sie dann an die jeweils zuständigen Zentren der Großhirnrinde weiterleiten. In einem Experiment bei Mäusen zeigte sich, dass der Thalamus für den Transport augenscheinlich beide Zelltypen benötigt, denn eine gestörte Energieversorgung der Natrium-Kalium-Pumpe führte dazu, dass ausgehungerte Neuronen bereits nach einigen Minuten nicht mehr dazu in der Lage waren, postsynaptische Aktivität zu erzeugen.
Nach neueren Untersuchungen am Mausmodell nehmen Oligodendrozyten nicht nur die Signale aktiver Nervenfasern wahr, sondern reagieren auch unmittelbar darauf, indem sie den Verbrauch der primären Energiequelle Glukose beschleunigen. Dadurch liefern sie energiereiche Moleküle an die schnell feuernden Axone, um deren dynamischen Energiebedarf zu decken. Oligodendrozyten reagieren auf die Aktivität der Hirnzellen und versorgen die Nervenverbindungen bedarfsgerecht mit Energie. Sie spielen somit eine wesentliche Rolle bei der Regulierung der Stoffwechselprozesse in den Axonen, die für gesunde Nervenverbindungen im Gehirn unerlässlich sind. Glukose versorgt die Axone nicht nur mit Energie, sondern unterstützt auch Schutzmechanismen gegen Zellschäden durch oxidativen Stress. Wenn der Glukosestoffwechsel in den Nervenfasern aufgrund von Schäden in den Oligodendrozyten gestört ist, kann dies langfristig zu Nervenzellschäden führen. Dies ist vergleichbar mit den Nervenzellschäden, die im Alter sowie bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Multipler Sklerose und Alzheimer auftreten. Bei Mäusen, bei denen die zelluläre Kommunikation unterbrochen wurde, traten mit fortschreitendem Alter schwere Schäden an den Nervenfasern auf, die neurodegenerativen Erkrankungen ähneln.
-
Astrozyten gehören zu den Gliazellen und sind neben den Neuronen eine wichtige zelluläre Komponente des Gehirns und nehmen dort verschiedene grundlegende Aufgaben wahr. Astrozyten halten die Konzentration von Kalium-Ionen in der Umgebung von Neuronen konstant. Astrozyten bilden die Mehrheit der Gliazellen im zentralen Nervensystem von Säugetieren und Menschen und sind sternförmig verzweigt. Einige davon sind den Neuronen sehr ähnlich, manche können sich in Nervenzellen verwandeln. Mit ihrer Hilfe wird zum Beispiel die physiologische Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem Zentralnervensystem, die sogenannte Blut-Hirn-Schranke, aufgebaut und aufrechterhalten. Des Weiteren spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung zwischen den Neuronen im Gehirn. Astrozyten kommunizieren miteinander biochemisch durch Schwankungen der Kalziumkonzentration. In Tierversuchen an Mäusen wurde gezeigt, dass die Astrozyten die Mikroglia aktivieren, denn sind sie experimentell ausgeschaltet, kommt es zu keiner Regeneration der Isolationsschicht der Nervenzellen (Skripuletz et al., 2013). Es konnte sogar in vivo gezeigt werden, dass die Astrozyten die Mikroglia aktivieren und nicht umgekehrt, wie man davor annahm.
Manche Gliazellen verständigen sich untereinander über Kontaktporen ("gap junctions"), wobei Kalzium-Ionen das Alphabet dieser Gliasprache bilden und die Informationen im Vergleich zum Neuronenfluss nur sehr langsam weitergegeben werden. Gliazellen haben auch Kontakt zu Neuronen über den Botenstoff Glutamat. Astrozyten können Glutamat paketweise freisetzen, ähnlich wie dies die Neuronen an den Synapsen tun. Heute nimmt man an, dass Astrozyten und auch manche Oligodendrozyten eine Art zweites Gehirn bilden, wobei manche Neuronen beim Ausfall der sie umgebenden Gliazellen schlicht ihren Dienst versagen. Auch können im ausgewachsenen Gehirn aus Gliazellen sogar Nervenzellen entstehen, was allerdings in der boomenden Gehirnforschung noch sehr heftig diskutiert wird.
Gliazellen sind nicht nur für die Energielieferung unentbehrlich,
sie haben auch ein breites Spektrum zusätzlicher Aufgaben im Gehirn,
denn so übernehmen sie den Stofftransport, regulieren den
Flüssigkeitsaustausch und sorgen für die Aufrechterhaltung der
Homöostase. Seit einiger Zeit weiß man auch, dass Gliazellen eine aktive
Rolle im Nervensystem spielen, wobei die Funktion von Gliazellen als
aktive Modulatoren von Geschwindigkeit und besonders der Präzision der
Erregungsleitung bislang noch nicht beschrieben worden ist. Kottmeier et
al. (2020) haben jüngst herausgefunden, dass Gliazellen aber nicht nur
die Geschwindigkeit der Nervenleitung kontrollieren, sondern auch
Einfluss auf die Genauigkeit der Signalleitung im Gehirn haben. Um die
Bedeutung von Gliazellen besser zu verstehen, hat hat men
Verhaltensänderungen nach Licht-induzierter Aktivierung einzelner
Neuronen bei Taufliegen untersucht, wobei man auch einzelne Gliazellen
entweder aus dem Nervensystem entfernt oder ihre Entwicklung spezifisch
gestört hat. Dabei stellte man fest, dass Gliazellen das radiale
Wachstum der Axone kontrollieren, wobei kleinere Axone eine geringere
Leitungsgeschwindigkeit haben, doch führte eine geringe
Leitungsgeschwindigkeit nicht zu einem veränderten Bewegungsverhalten.
Der in diesem Zusammenhang wichtigere Beitrag der Gliazellen ist
offenbar die Bildung von Membranfortsätzen zwischen einzelnen Axonen,
was eine elektrische Kopplung, d. h., Kurzschlüsse verhindert und damit
entscheidend zur Präzision der Bewegungssteuerung beiträgt.
Übrigens leben manche Gliazellen nach dem Tod von Menschen noch weiter. Dachet et al. (2021) haben nachgewiesen, dass Gliazellen bei Menschen ihre Aktivität in den Stunden nach dem Tod sogar noch kurz steigern, d. h., die Zellaktivität im menschlichen Gehirn endet nicht mit dem Tod, vielmehr werden einige Zellformen nach dem Tod noch einmal verstärkt aktiv. Nachgewiesen wurde das an frischem Hirngewebe, das während Routine-Operationen entnommen worden war, wobei man die Genexpression zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Entnahme analysierte. Das Gen-Clustering zeigte eine rasche Reduktion der neuronalen Genexpression mit einem reziproken zeitabhängigen Anstieg der astroglialen und mikroglialen Genexpression, die mindestens vierundzwanzig Stunden nach der Gewebeentnahme weiter anstieg. Die vorhergesagten transkriptionellen Veränderungen wurden histologisch am gleichen Gewebe bestätigt und zeigten, dass während Neuronen degenerierten, Gliazellen lange Fortsätze ausbildeten. Dieses Wachstum ist aber nicht überraschend, denn Gliazellen sind entzündlich und ihre Aufgabe ist es, nach Gehirnverletzungen die nach Sauerstoffmangel oder einen Schlaganfall aufzuräumen.
Nach Rüdiger Klein saugen Astrozyten überschüssiges Glutamat aus der Synapse ab und verhindern so etwa, dass Glutamat von einer Synapse zu einer benachbarten überschwappt, wobei die nachgeschaltete Nervenzelle und der Astrozyt dabei kommunizieren und so die Menge der Transporter regulieren. "Dieser Kommunikation kamen die Neurobiologen auf die Spur, als sie das Signalmolekül EphrinA3 und seinen Bindungspartner, das EphA4, in Mäusen untersuchten. Ephrine und Eph-Rezeptoren sind häufig beteiligt, wenn sich Zellen gegenseitig erkennen oder beeinflussen. So fördern Astrozyten über EphrinA3/EphA4 auch die Reifung von Synapsen. Fehlt der EphA4-Rezeptor in einer Nervenzelle, so bildet der benachbarte Astrozyt vermehrt Transporter aus. Diese saugen so viel Glutamat aus der betroffenen Synapse ab, dass diese nicht mehr verstärkt werden kann. Ein sicherer Nachteil beim Lernen. Fehlte der Bindungspartner EphrinA3 im Astrozyten, so wurde wie beim Fehlen von EphA4 eine synaptische Verstärkung aufgrund des Glutamat-Mangels unmöglich. Wurde das Vorkommen von EphrinA3 dagegen experimentell erhöht, so sank die Anzahl der Astrozyten-Transporter. Daraufhin sammelte sich Glutamat im synaptischen Spalt an, was schnell zu Zellschäden und Fehlfunktionen der betroffenen Synapsen führte."
Es gibt bekanntlich Systeme von Nervenzellen im Gehirn, die auch beim Nichtstun äußerst aktiv sind, also wenn jemand nur faul auf dem Sofa liegt oder entspannt aus dem Fenster schaut. Wendet der sich dann gezielt einer Aufgabe zu, vermindern die Neuronen ihre Aktivität. Man vermute, dass sich diese Ruhezustandsnetzwerke in einem erhöhten Grundzustand befinden, weil sie permanent die Außenwelt überwachen, damit das Gehirn schnell auf äußere Reize reagieren kann. Dabei handelt es sich aber nicht nur um elektrischen Aktivitäten der Nervenzellen, sondern es spielen auch jene chemischen Prozesse eine bedeutende Rolle, die zwischen den Nervenzellen ebenfalls permanent ablaufen. In jüngsten Untersuchungen hat Georg Northoff dabei erstmals die Ruhezustandskonzentration von Glutamat gemessen, wobei sich zeigte, dass zwischen zwei Regionen in der Mittellinie des Gehirns die Konnektivität während einer Gesichtserkennungsaufgabe durch die Ruhezustandskonzentration von Glutamat vorhergesagt werden kann. Bei den ProbandInnen, die im Ruhezustand eine hohe Glutamatkonzentration aufwiesen, arbeiteten in einem anschließenden Experiment auch die beiden mittleren Hirnregionen gut zusammen, d.h., die Ruhekonzentration von Glutamat sagte voraus, wie gut wichtige Hirnregionen arbeiten werden. Diese Forschungsergebnisse bestätigen, dass das Gehirn einen ganz, ganz starken Einfluss darauf hat, was mit einem Stimulus im Gehirn selber passiert. Offenbar schafft das ruhende Gehirn die Grundlagen dafür, wie es im nächsten Moment auf Reize der Außenwelt reagieren kann, was bis tief in die chemischen Prozesse der neuronalen Kommunikation hinein geht. Inzwischen suchen Wissenschaftler schon nach Störungen in den Ruheaktivitäten des Gehirns, um dadurch Erkrankungen vorherzusagen.
Wie entwickeln sich neuronale Schaltkreise?
Während der Entwicklung neuronaler Schaltkreise müssen
Nervenzellen über tausende von Synapsen korrekt miteinander verbunden
werden, wobei Synapsen zumeist auf spezialisierte Strukturen von
Nervenzellen, die Dendriten, verschalten, denn diese dienen dem Empfang
von neuronaler Information. Allerdings ist weitgehend ungeklärt, nach
welchen Prinzipien und mit welchen Mechanismen während der Entwicklung
von Nervensystemen die Anzahl der Synapsen und die Größe der jeweiligen
Dendriten aufeinander abgestimmt werden und wie verschiedene
Synapsentypen auf ihren Zieldendriten verteilt werden. Ryglewski et al.
(2017) haben nun durch genetische Manipulation an Nervenzellen der
Fruchtfliege nachgewiesen dass verschiedene Synapsentypen um Dendriten
ihrer postsynaptischen Partnerzelle konkurrieren, denn überwiegt während
der Entwicklung die Aktivität eines Synapsentyps, wird diesem auf
Kosten eines anderen Synapsentyps mehr dendritisches Material seiner
Partnerzelle zugewiesen. Es können also abhängig von der synaptischen
Aktivität Dendriten innerhalb einer Nervenzelle verschoben werden,
sodass das Übergewicht eines Konkurrenten damit die Struktur und
Funktion der Nervenzelle beeinträchtigt. Wird die Balance der
synaptischen Aktivität beider Neurotransmittersysteme manipuliert, wird
das Dendritenwachstum beeinflusst und die Synapsen auf den Dendriten
werden umverteilt. Es kommt zur Konkurrenz zwischen den GABAergen und
den cholinergen Synapsen, die um das Baumaterial wetteifern, auf das sie
verschalten können. Wenn sich die beiden Konkurrenten nicht im
richtigen Gleichgewicht befinden, wird das Baumaterial falsch verteilt.
Die Ausgewogenheit zwischen hemmender und erregender synaptischer
Aktivität ist daher für die strukturelle Homöostase von Nervenzellen
enorm wichtig.
Die Dendritogenese der Purkinje-Zellen
Die Purkinjezellen
sind die charakteristischen großen multipolaren Nervenzellen mit stark
verästeltem Dendritenbaum in der Rinde des Kleinhirns, deren Axone die Efferenzen der Kleinhirnrinde darstellen. Purkinje-Zellen
sind die wichtigsten Neuronen der Kleinhirnrinde und stellen ihre
einzige Efferenz vorwiegend zu den Kleinhirnkernen dar. Die Dendriten
der Purkinje-Zellen erhalten dabei inhibitorische Projektionen der
hemmenden Interneurone des Stratum moleculare, sowie exzitatorische
glutamaterge Eingänge der Kletterfasern aus dem unteren Olivenkomplex
und den im Stratum moleculare horizontal verlaufenden Axonen der
Körnerzellen. Die Kletterfasern enden dabei an den Dendriten der
Purkinje-Zellen und setzen dort den erregenden Neurotransmitter Asparaginsäure
frei. Beim Erwachsenen konvergieren bis zu zweihunderttausend
Parallelfasern auf eine Purkinje-Zelle, steht selber aber jeweils mit
nur einer Kletterfaser über mehr als 26.000 Synapsen in Kontakt. Diese Monoinnervation
ist kurz nach der Geburt noch nicht ausgebildet, sie entwickelt sich
erst im Laufe der folgenden Lebensjahre durch Elimination überzähliger
Synapsen. Luck et al. (2021) haben jüngyt gezeigt, dass ein
klassischer Signalweg des
Gefäßsystems auch der Kommunikation mit Neuronen dient, sodass man die
intrinsische und vernetzte Verbindung zwischen dem Gefäßsystem und dem
Nervensystem weiter erforschen sollte. Lange wurde die Bildung von
Neuronen und Blutgefäßen getrennt voneinander betrachtet, doch die
Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass es Signale gibt, die
Zellen beider Systeme beeinflussen können. Die immer sensitiveren und
spezifischeren Untersuchungsmethoden erlauben es inzwischen, selbst
geringe Mengen eines Proteins zu detektieren, das zuvor nicht hätte
nachgewiesen werden können. So werden Stück für Stück die genauen
Mechanismen und Prozesse, die bei der Neurogenese und der Angiogenese
eine Rolle spielen, verstanden. Es zeigte sich beim Kleinhirn von
Mäusen, dass Nervenzellen einen funktionellen Rezeptor (Tie2) besitzen,
der zuvor fast ausschließlich Blutgefäßen zugeordnet worden war. Tie2
ist der Hauptrezeptor für die Angiopoietine Ang1 und Ang2, die in
direktem Zusammenhang mit der Angiogenese stehen. Im Fokus standen die
Purkinje-Zellen, die mit ihren beeindruckenden Dendritenbäumen die
Informationen anderer Nervenzellen im Kleinhirn bündeln und
weiterleiten, um etwa die Feinmotorik des Körpers zu ermöglichen.
Während der Dendritogenese bilden diese Zellen das wohl größte und
meistverzweigte Dendritengeflecht aller Neurone im Gehirn, wobei eine
fehlerhafte Entwicklung dieser Vernetzung mit Entwicklungsstörungen wie
Autismus in Verbindung gebracht wird. Die Dendritogenese der
Purkinje-Zellen erstreckt sich über einen langen, vor allem
nachgeburtlichen Zeitraum und läuft zeitgleich mit diversen anderen
Entwicklungsprozessen ab, wie etwa der Migration von Nervenzellen und
dem Wachstum von Blutgefäßen. Es stellte sich somit die Frage, wie diese
verschiedenen Zellen miteinander kommunizieren, um eine zeitlich und
morphologisch akkurate Entwicklung sicherzustellen. Aus den
Untersuchungsergebnissen kann man nun schließen, dass sowohl
Nervenzellen als auch Blutgefäße während der Entwicklung des Gehirns auf
die gleichen Signale reagieren.
Literatur
Alessandro Filosa, Sónia Paixão, Silke D.
Honsek, Maria A. Carmona, Lore Becker, Berend Feddersen, Louise
Gaitanos, York Rudhard, Ralf Schoepfer, Thomas Klopstock, Klas
Kullander, Christine R. Rose, Elena B. Pasquale, Rüdiger Klein (2009).
Neuro-glia communication via EphA4/ephrinA3 modulates LTP through glial
glutamate transport.
Nature Neuroscience, 7. September 2009.
http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/1353199/
(10-12-30)
Dachet, Fabien, Brown, James B., Valyi-Nagy, Tibor, Narayan, Kunwar D.,
Serafini, Anna, Boley, Nathan, Gingeras, Thomas R., Celniker, Susan E.,
Mohapatra, Gayatry & Loeb, Jeffrey A. (2021). Selective
time-dependent changes in activity and cell-specific gene expression in
human postmortem brain. Scientific Reports,
doi:10.1038/s41598-021-85801-6.
R. Luck, A. Karakatsani, B. Shah, G. Schermann, H. Adler, J. Kupke, N. Tisch, H.-W. Jeong, M. K. Müller, F. Hetsch, A. D’Errico, M. de Palma, E. Wiedtke, D. Grimm, A. Acker-Palmer, J. von Engelhardt., R.H. Adams, H.G. Augustin, & C.R. de Almodóvar (2021). The angiopoietin-Tie2 pathway regulates Purkinje cell dendritic morphogenesis in a cell-autonomous manner. Cell Reports, doi:10.1016/j.celrep.2021.109522.
Moore, Sharlen, Meschkat, Martin, Ruhwedel, Torben,
Trevisiol, Andrea, Tzvetanova, Iva D., Battefeld, Arne, Kusch, Kathrin,
Kole, Maarten H. P., Strenzke, Nicola, Möbius, Wiebke, de Hoz, Livia
& Nave, Klaus-Armin (2020). A role of oligodendrocytes in
information processing. Nature Communications,
doi:10.1038/s41467-020-19152-7.
Ryglewski, Stefanie, Vonhoff, Fernando, Scheckel, Kathryn & Duch, Carsten (2017). Intra-neuronal Competition for Synaptic Partners Conserves the Amount of Dendritic Building Material. Neuron, 93, 632 - 645.
Roese-Koerner, Beate et al. (2016). Reciprocal Regulation between Bifunctional miR-9/9* and its Transcriptional Modulator Notch in Human Neural Stem Cell Self-Renewal and Differentiation. Stem Cell Reports, doi.org/10.1016/j.stemcr.2016.06.008.
https://www.pharmazeutische-zeitung.de/fehlprogrammierte-mikroglia-als-mitverursacher/ (19-03-04)
http://www.helmholtz.de/gesundheit/wie-viele-nervenzellen-hat-das-gehirn-3640/ (15-04-17)
Quelle: May, Dennis, Tress, Oliver Seifert, Gerald & Willecke, Klaus (2013). Connexin47 Protein Phosphorylation and Stability in Oligodendrocytes Depend on Expression of Connexin43 Protein in Astrocytes. The Journal of Neuroscience, 33, 7985-7996.
ForscherInnen haben das Zusammenspiel von Astrozyten und Neuronen näher untersucht, wobei das Membranprotein Connexin 30,
das in Astrozyten vorkommt, bei der Signalübertragung eine
entscheidende Rolle spielen dürfte. Das Protein Connexin 30 steuert
dabei die Beweglichkeit feiner Fortsätze der Astrozyten, wobei diese
Fortsätze in der Lage sind, die Konzentration und räumliche Verteilung
eines Botenstoffes am synaptischen Spalt zwischen zwei Neuronen zu
regulieren. Damit haben Astrozyten entscheidenden Einfluss auf die
Modulation der Signalübertragung und damit auch der Langzeitspeicherung
von Informationsinhalten im Hippocampus und tragen so zur Funktion des
Gedächtnisses im Gehirn bei.
Quelle: Ulrike Pannasch, Dominik Freche,
Glenn Dallérac, Grégory Ghézali, Carole Escartin, Pascal Ezan, Martine
Cohen-Salmon, Karim Benchenane, Veronica Abudara, Amandine Dufour,
Joachim H. R. Lübke, Nicole Déglon, Graham Knott, David Holcman,
Nathalie Rouach (2014). Connexin 30 sets synaptic strength by
controlling astroglial synapse invasion.Nature Neuroscience,
DOI:10.1038/nn.3662.
Nervenimpulse werden von den Axonen durch Ausschüttung chemischer Substanzen in den Synapsen an die Dendriten von im Durchschnitt 1000 und bis zu 6000 anderen Neuronen weitergeleitet. Neuronen bilden somit die unterste Ebene der neuronalen Architektur. Sie sind zu lokalen Schaltkreisen in den einzelnen Rindenregionen und subkortikalen Kernen verknüpft. Die Verknüpfungsstruktur hängt von den unterschiedlichen Aufgaben ab. Rindenregionen und subkortikale Kerne sind miteinander zu Systemen verbunden, die jeweils komplexere Funktionen erfüllen und ihrerseits zu übergeordneten Systemen zusammengefaßt sind. Solche spezifischen Funktionssysteme gibt es für alle Sinnesorgane zur Auswertung von Empfindungen und für Organe, deren Motorik von Gehirn gesteuert werden kann, sowie für alle lebenswichtigen Funktionen, die unbewusst gesteuert werden. Ferner gibt es Regionen für Sprache und Begriffsverarbeitung, für das logisch-rationale Denken und ein davon völlig autonomes System für die Entscheidungsfindung. Das letztere ist stark korreliert mit der Fähigkeit zur Emotionsverarbeitung und der Verarbeitung von körpereigenen Empfindungen sowie dem Sozialverhalten und befindet sich meist in der vorderen rechten Hirnhälfte. Der visuelle Kortex im Hinterkopfbereich etwa dient als Verarbeitungszentrum für optische Signale und setzt Nervenreize der Augen zu einem Bild zusammen. Ist er durch einen Tumor oder einen Schlaganfall verletzt, kann es zu Sehstörungen kommen, d.h., man kann Gesehenes nicht mehr bewusst wahrnehmen, oder leidet zumindest unter einem teilweisen Ausfall des Gesichtsfelds. Obwohl Augen und Sehnerven völlig intakt sind, sind davon Betroffene teilweise oder völlig blind. Ein partieller Gesichtsfeldausfall ist oft zunächst gar nicht bewusst und manche werden erst darauf aufmerksam, wenn sie gegen Hindernisse stoßen, die sie nicht bemerkt haben. Ist das Sehzentrum auf beiden Seiten des Gehirns geschädigt, können die Betroffnen höchstens noch Hell und Dunkel unterscheiden und Bewegungsreize erkennen. Das limbische System besteht aus mehreren Untereinheiten und ist entscheidend an der Verarbeitung von Emotionen sowie an Lernprozessen beteiligt. Es liegt in der Mitte des Gehirns, wo es den Hirnstamm wie einen Saum (limbus) umschließt. Ein mandelförmiger Teil des limbischen Systems (Amygdala) spielt eine bedeutende Rolle für Lernen, Gedächtnis und Verarbeitung von Gefühlen, insbesondere von Angst. Der Hippocampus ist die Schaltstelle zwischen Kurz- und Langzeitgedächtnis. Ist er in beiden Hemisphären zerstört, kann man sich keine neuen Informationen einprägen (anterograde Amnesie). Im Hippocampus sitzt auch der Orientierungssinn. Eine Untersuchung an Londoner Taxifahrern hat ergeben, dass ihre Hippocampi besonders groß waren. Offen ist dabei, ob sie sich durch das ständige Zurechtfinden im Großstadtdschungel erweitert hatten oder ob ihre entsprechende neurologische Veranlagung sie zu ihrer Tätigkeit befähigte.
Was passiert nun, wenn wir uns erinnern, zum Beispiel an unsere Großmutter? Die derzeitige Antwort der Gedächtnisforscher: Ein spezielles Gesicht entspricht im Gehirn einer ganz bestimmten Kombination vieler Nervenzellen, die gemeinsam feuern. Sind Neuronen "richtig" verschaltet, so "feuern" bestimmte von ihnen immer dann, wenn entsprechende Erregungsmuster der Sinnesorgane anliegen, d.h., die Neuronen "repräsentieren" bzw. sie "erinnern" das Muster. Der abstrakte Begriff der Erinnerung erhält so eine materielle Grundlage. Durch diese gemeinsame elektrische Aktivität entsteht ein Muster im Gehirn, das dann die Großmutter repräsentiert. Andere Gesichter, Gegenstände, Telefonnummern - für alles gibt es ein spezielles Muster von Nervenzellen, die gemeinsam aktiv sind. Wiederkehrende Erregungsmuster prägen die Vernetzung derart, dass sich nach einiger Zeit manche Neuronen auf diese Muster "spezialisieren", diese also repräsentieren, wobei diese Spezialisierung ohne äußeren steuernden Eingriff geschieht, also in Form der Selbstorganisation. Ähnliche Muster werden durch räumlich benachbarte Neuronen repräsentiert, werden gleichsam "sortiert" bzw. "eingeordnet". Werden nur Teile eines so gelernten Musters geboten, erfolgt trotzdem die richtige Zuordnung, denn das Netzwerk ergänzt die fehlende Information, ist also äußerst widerstandsfähig gegenüber Ausfällen. Da immer viele Neuronen ein Muster repräsentieren, wird bei Ausfall oder Absterben die Leistungsfähigkeit des Gehirns als Ganzes nicht betroffen.
Warum kann man ein solches Muster manchmal noch nach Jahrzehnten aktivieren? Oder anders gefragt: Was unterscheidet das Kurz- vom Langzeitgedächtnis? Müssen wir uns beispielsweise nur kurzfristig eine Telefonnummer merken, dann verblaßt das entsprechende Muster schnell, weil nur wenige Nervenzellen beteiligt sind und die Verbindung zwischen ihnen sehr locker ist. Demgegenüber vermuten die Wissenschaftler, dass bei dauerhaften Erinnerungen zwei Faktoren entscheidend sind: Erstens sind dann mehr Nervenzellen beteiligt, das Signal ist also stärker. Und zweitens sind die Verbindungen zwischen den beteiligten Nervenzellen wesentlich stärker; denn "wichtige" Erinnerungen werden häufig aktiviert, die entsprechenden Verbindungen werden dadurch stabilisiert.
Es ist bekannt, dass ein wichtiger Schritt zum langfristigen Einprägen eines Lernstoffes die Überführung in das Langzeitgedächtnis ist, wobei das durch die Translation oder Produktion von neuen Proteinen an den Synapsen ist, denn diese Proteine stärken die synaptische Verbindung und verfestigen so die Erinnerung. Mit Hilfe eines translationalen Markers, einem fluoreszierenden Protein, das leicht im Gehirn verfolgt werden kann, hat ein amerikanisches Forschungsteam um Wayne Sossin (Montreal Neurological Institut) nach einem Bericht in Science die erhöhte lokale Proteinsynthese bei der Gedächtnisbildung erstmals direkt beobachtet. Es zeigte sich, dass die Translation synapsenspezifisch war und der Aktivierung durch die postsynaptische Zelle bedurfte, was beweist, dass dieser Schritt die Kooperation zwischen beiden an der Synapse beteiligten Neuronen bedarf, d.h., dass die Einprägung durch die Signale und die Kooperation der angrenzenden Gehirnzellen getriggert wird.
Nach Untersuchungen an 2.000 Frauen und Männern
von Timothy Salthouse (Universität Virginia) über einen Zeitraum von
sieben Jahren ist der Mensch im Alter zwischen 22 und 27 Jahren zu
geistigen Höchstleistungen fähig, danach setzt eine Art geistiger
"Verfall" ein, allerdings ist das Nachlassen der Gehirnleistung im
Alltag nicht bemerkbar, da es durch Erfahrung ausgeglichen wird. Vor
allem logisches Denkvermögen, visuelle Auffassungsgabe und die
Schnelligkeit des Denkens lassen deutlich nach, ab dem 37. Lebensjahr
sinkt außerdem das Erinnerungsvermögen. Die ProbandInnen schnitten mit
steigendem Alter in den Bereichen Vokabular und Allgemeinwissen immer
besser ab.
Quelle: Neurobiology of Aging
In der vorgeburtlichen Gehirnentwicklung
gibt es im Gehirn kurzzeitig richtige Straßen, auf denen sich bestimmte
Zelltypen bewegen, wobei diese von kleinen Signalproteinen, den Chemokinen,
an ihren Einsatzort gelockt werden. Man kennt etwa 50 Chemokine. Das
Zusammenspiel dieser kleinen Neuropeptide mit hochspezifischen
Rezeptoren in den Zellmembranen wirkt wie ein Navigationssystem
für die Zellwanderung. Ist das Gehirn einmal herausgebildet, hat nach
der Geburt das Zusammenspiel von eines Chemokins und seines Rezeptors
kaum noch Bedeutung. Wenn allerdings eine Hirnregion geschädigt wird,
etwa durch einen Schlaganfall, dann werden plötzlich große Mengen des
Chemokins produziert, um Zellen an die Unglücksstelle zu beordern. Und
die Nervenzellen, die in wenigen Hirnregionen auch bei Erwachsenen noch
gebildet werden, reagieren auf diesen Ruf. Bedauerlicherweise lockt
dieses System auch Immunzellen an, die den aufgetretenen Schaden
verschlimmern.
Quelle: http://www.idw-online.de/pages/de/news354989 (10-02-10)
Speicherung von Informationen in einzelnen Zellen
Nach neuesten Untersuchungen (Hsu et al., 2016) können sich auch einzelne Zellen an Informationen erinnern, was durch eine positive Rückkopplung ihrer Proteine bewerkstelligt wird. Allerdings funktioniert die Rückkopplung durch Proteinpaare dabei nur unter ganz bestimmten Bedingungen, denn die Proteine müssen dabei in der richtigen Konzentration vorliegen, damit sie sich paarweise miteinander verbinden. Sind nämlich zu wenig Proteine im Spiel, finden sich keine Paare und die Zelle speichert keine Informationen, aber auch wenn die Konzentration der Proteine zu hoch ist, können sich Proteine nicht zu Paaren finden. Die richtige Rückkopplung durch Proteinpaare benötigt die Zelle aber nicht nur, um sich an Informationen zu erinnern, sondern auch für die Zellteilung und Zelldifferenzierung.
Wenn das Gehirn mindestens 86 Milliarden Gehirnzellen enthält, so können, durch die verschiedenen Verbindungsmöglichkeiten, zwei hoch 10 Milliarden Informationen gespeichert werden. Berechnungen zeigen, dass Menschen in ihrem Langzeitgedächtnis den Speicherinhalt von zwei Millionen CDs, das sind ca. 1,4 Petabyte - ablegen können.
Das menschliche Gehirn ist demnach der Inbegriff an
Komplexität, denn nach aktuellen Schätzungen kommunizieren rund hundert
Milliarden Nervenzellen über elektrische und biochemische Signale, wobei
jede einzelne Zelle Informationen mit zehntausend Nachbarzellen
austauscht. John Eccles hat einmal errechnet, dass die
Anzahl der möglichen Kombinationen von Nervenzellverbindungen im Gehirn
sogar die Gesamtzahl der Atome im Universum übersteigt, d.h., das ganze
Universum würde nicht ausreichen, um die potentiellen Möglichkeiten von
Gedanken und Vorstellungen eines einzelnen Menschen darzustellen.
Pro Tag verliert der Mensch zwischen 1000 und 10000
Gehirnzellen. Wenn wir annehmen, dass ein Mensch von ursprünglich 15
Milliarden Gehirnzellen täglich 10.000 Zellen verliert, müsste er rund
410 Jahre alt werden, um nur 10% des Gehirns zu verlieren. Diese
Rechnung macht deutlich, dass die Kapazität des Gehirns nicht schuld
sein kann, wenn die Gedächtnisleistung im Alter abnimmt. Die Ursache für
einen "Abbau" liegt meist im mangelnden Training. Wenn ein Mensch durch
die Umwelt und das Arbeitsleben nicht mehr gefordert wird, wenn er
nicht mehr lernen muss und die intellektuellen Anforderungen sinken,
dann muss er selber etwas tun und sein Gehirn trainieren. Nur durch
geistige Aktivität wird sichergestellt, dass neue Gehirnmuster und
Strukturen gebildet werden, sodass die Denk- und Gedächtnisleistung
nicht nur behalten, sondern selbst im Alter noch gesteigert werden kann.
Bei einem Menschen im Säuglingsalter hat jede Gehirnzelle etwa 2500 synaptische Kontakte,
mit drei Jahren etwa 15 000. Die höchste Anzahl an synoptischen
Verbindungen besitzt der Mensch in der späten Kindheit, in der Hochphase
der Pubertät verändert sich die Struktur der verschiedenen
Gehirnareale, sodass am Ende des Reifeprozesses sich die Anzahl der
Gehirnzellen verringert hat, wodurch es den jungen Erwachsenen besser
gelingt, zu planen und die Konsequenzen ihres Tuns abzuwägen. Nach der
Pubertät erhöhen sich durch die dann schnellere Verbindung zwischen den
Nervenzellen die kognitiven Leistungen insgesamt, da diese stärker mit
einer isolierenden Fettschicht ummantelt werden. Im Alter bleibt dieser
synaptische Neu- und Umbildungsprozess größtenteils erhalten.
Man schätzt, dass das menschliche Gehirn etwa 2 Petabyte
(1.000.000.000.000 Kilobyte) an Daten in chemischer Form in den
Synapsen bereithalten kann. Diese Information werden im Gehirn aber
nicht exakt und linear gespeichert wie in einem Computerspeicher,
sondern durchlaufen einen komplexen mehrstufigen Prozess, bei dem das
Gehirn unbewusst unwichtige Information zeitweise verwirft und
bedeutsame Informationen hierarchisch auf Basis bereits vorhandener
generalisiert.
Quelle: Amberger, Walter (2007). Neurologische
Probleme im Alter. In Rudolf Likar, Günther Bernatzky, Wolfgang Pipam,
Herbert Janig und Anton Sadjak (Hrsg.), Lebensqualität im Alter.
Therapie und Prophylaxe von Altersleiden. Springer.
Literatur
Ursula Fünfschilling, Lotti M. Supplie, Don Mahad, Susann Boretius, Aiman S. Saab, Julia Edgar, Bastian G. Brinkmann, Celia M. Kassmann, Iva D. Tzvetanova, Wiebke Möbius, Francisca Diaz, Dies Meijer, Ueli Suter, Bernd Hamprecht, Michael W. Sereda, Carlos T. Moraes, Jens Frahm, Sandra Goebbels & Klaus-Armin Nave (2012). Glycolytic oligodendrocytes maintain myelin and long-term axonal integrit. Nature.
Michele Bellesi, Martha Pfister-Genskow, Stephanie Maret, Sunduz Keles, Giulio Tononi, & Chiara Cirelli (2013). Effects of Sleep and Wake on Oligodendrocytes and Their Precursors The Journal of Neuroscience, 33, 14288-14300.
Thomas Skripuletz, Diane Hackstette, Katharina Bauer, Viktoria Gudi, Refik Pul, Elke Voss, Katharina Berger, Markus Kipp, Wolfgang Baumgärtner, & Martin Stangel (2013). Astrocytes regulate myelin clearance through recruitment of microglia during cuprizone-induced demyelination- Brain, 136, 147-167.
Waisman, A. et al. (2015). Genetic cell ablation reveals clusters of local self-renewing microglia in the mammalian central nervous system. Immunity, doi: 10.1016/j.immuni.2015.06.012.
Doris Marszk berichtet 2001 im "bild der wissenschaft"
Erstmals erfolgreich frische Gehirnzellen transplantiert
Amerikanischen Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen,
Ratten menschliche neuronale Stammzellen einzupflanzen und dadurch bei
den Tieren eine verbesserte Gedächtnisleistung zu erreichen. Ihre
Ergebnisse haben die Forscher in der Zeitschrift "NeuroReport"
veröffentlicht.
Das Forscherteam unter der Leitung von Kiminobu Sugaya von der
University of Illinois at Chicago hat im Labor entwickelte menschliche
neuronale Stammzellen älteren Ratten eingepflanzt. Um zu sehen, ob
dieser Eingriff tatsächlich zu einer verbesserten Gedächtnisleistung
führt, haben die Wissenschaftler eine Gruppe von 32 Ratten darauf
trainiert, in einem Wasser-Irrgarten zu einer versteckten Plattform zu
schwimmen. In der Versuchsgruppe befanden sich sowohl die älteren, mit
frischen Stammzellen versorgten Ratten als auch unbehandelte ältere und
jüngere Ratten. Vier Monate später überprüften die
Wissenschaftler, wie gut die 32 Ratten die Aufgabe, die Plattform zu
finden, noch beherrschten. Es zeigte sich, dass jene älteren Ratten,
denen die Stammzellen eingepflanzt worden waren, die Aufgabe genauso gut
meisterten wie die jungen Ratten. Eine der behandelten Ratten stach
sogar die jüngeren aus. Die unbehandelten älteren Ratten, die die
Kontrollgruppe darstellten, blieben in ihrer Leistungsfähigkeit deutlich
zurück.
Eine Untersuchung der Gehirne der behandelten Ratten nach ihrem Tod
ergab, dass sich die neuronalen Stammzellen im Gehirn der Ratten nicht
nur ausdifferenziert und sich der neuen Umgebung angepaßt hatten,
sondern dass auch die eigenen Nervenfasern der Ratten im Bereich des
räumlichen Gedächtnisses stark gewachsen waren.
Sugaya nimmt an, dass die transplantierten Stammzellen die alten oder
beschädigten neuronalen Zellen entweder ersetzt oder erweitert haben.
Außerdem könnte es sein, dass die Stammzellen eine schützende Substanz
abgesondert haben, die die Funktion der Gehirnschaltkreise der Ratten
verbessert haben.
Frühere Versuche, neuronale Zellen zu transplantieren, sind immer wieder
gescheitert. Sugaya ist überzeugt, dass die neuronalen Zellen
abgestoßen wurden, weil es sich um fötale Zellen gehandelt habe und
nicht um Stammzellen, die im Labor entwickelt worden seien. Die
Labor-Zellen seien im Gegensatz zu den fötalen Zellen nicht
ausdifferenziert gewesen und hätten sich daher in die Gehirnschaltkreise
des Tieres integrieren können. Die Ergebnisse der Chicagoer
Forschungsgruppe könnten den Grundstein für eine neue Behandlung von
Alzheimer und Parkinson legen.
Verliert das Gehirn Nervenzellen, kann es diesen Verlust selbst kaum kompensiert werden, doch bei Mäusen lässt sich zeigen, dass transplantierte embryonale Nervenzellen zu gleichwertigen Mitgliedern eines bestehenden Nervennetzwerks heranwachsen und die Aufgaben ihrer neuen Position vollständig übernehmen können. Im Versuch transplantierten Falkner et al. (2016) embryonale Nervenzellen der Großhirnrinde in läsionierte Sehrindennetzwerke erwachsener Mäuse und beobachtete in den folgenden Wochen und Monate, wie sich die unreifen Nervenzellen zu den Pyramidenzellen ausdifferenzierten, die in den beschädigten Bereich des Gehirns gehören. Dabei haben die Zellen nicht nur überlebt und sich weiterentwickelt, sondern die neuen Zellen verknüpften sich genauso wie die Nervenzellen dieser Region und antworteten auf Sehreize. Dabei verknüpften sich die Pyramidenzellen, die aus den transplantierten Jungzellen entstanden waren, mit exakt den richtigen Nervenzellen im gesamten Netzwerk des Gehirns und erhielten die gleichen Informationen wie die ausgefallenen, ursprünglichen Zellen des Nervennetzwerks. Auch die nachgeschalteten Nervenzellen entsprachen denen der untergegangenen Zellen, d. h., die fremden Nervenzellen haben mit hoher Genauigkeit eine Lücke in einem neuronalen Netzwerk geschlossen, das unter natürlichen Umständen niemals neue Nervenzellen integrieren würde.
Paul, Chaker & Doetsch (2017) haben bei der Untersuchung
von Nervenzellen im Hypothalamus entdeckt, dass diese über große
Distanzen in Abhängigkeit von der Nahrungszufuhr einen ganz bestimmten
Typ von Stammzellen dazu stimulierten, sich zu vermehren und zu
spezifischen Nervenzellen heranzureifen, im konkreten Fall zu
Nervenzellen für das Riechzentrum. Sie konnten am Mausmodell auch
zeigen, dass Hunger und Sättigung die Rekrutierung ganz spezifischer
Stammzellpopulationen und damit verbunden, die Bildung von bestimmten
Nervenzelltypen im Riechkolben steuern. Wenn die Tiere hungerten, sank
die neuronale Aktivität der Nervenzellen im Hypothalamus und damit auch
die Vermehrungsrate des angesteuerten Stammzellpools. Wenn die Tiere
wieder Nahrung erhielten, kehrte sich dieser Prozess um.Die Ergebnisse
der Studie lassen vermuten, dass auch andere Nervenzellnetzwerke im
Gehirn unterschiedliche Pools von Stammzellen aus der subventrikulären
Zone regulieren und damit auf verschiedene Reize und Zustände reagieren.
Bottes et al. (2020) konnten erstmals den Prozess beobachten, wie sich Stammzellen im erwachsenen Gehirn der Maus über Monate hinweg teilen, um neue Nervenzellen zu bilden. In der Studie beobachtete man mittels modernster Mikroskopie und genetischer Analysen (Einzelzell RNA-Sequenzierung) von Stammzellen und ihren Tochterzellen die Bildung von neuen Nervenzellen und stellte fest, dass bestimmte Stammzellpopulationen über Monate hinweg aktiv sind und sich wiederholt teilen können. Auch konnte durch die Einzelzell RNA-Sequenzierung von Stammzellen und ihren Tochterzellen gezeigt werden, dass sich Stammzellen mit unterschiedlichem Teilungsverhalten (wenige Zellteilungen im Gegensatz zu langanhaltender Stammzellaktivität) anhand ihrer molekularen Zusammensetzung und Expression von Genen unterscheiden lassen.
Literatur
Bottes, Sara, Jaeger, Baptiste N., Pilz, Gregor-Alexander,
Jörg, David J., Cole, John Darby, Kruse, Merit, Harris, Lachlan,
Korobeynyk, Vladislav I., Mallona, Izaskun, Helmchen, Fritjof,
Guillemot, François, Simons, Benjamin D. & Jessberger, Sebastian
(2020). Long-term self-renewing stem cells in the adult mouse
hippocampus identified by intravital imaging. Nature Neuroscience,
doi:10.1038/s41593-020-00759-4.
Falkner, Susanne, Grade, Sofia, Dimou, Conzelmann, Karl-Klaus, Bonhoeffer, Tobias, Götz, Magdalena & Hübener, Mark (2016). Transplanted embryonic neurons integrate Leda into adult neocortical circuits. Nature.
Kottmeier, R., Bittern, J., Schoofs, A., Scheiwe, F., Matzat, T., Pankratz, M., Klämbt, C. (2020). Wrapping glia regulates neuronal signaling speed and precision in the peripheral nervous system of Drosophila. Nature Communications, doi:10.1038/s41467-020-18291-1.
Paul, Alex, Chaker, Zayna & Doetsch, Fiona (2017). Hypothalamic regulation of regionally distinct adult neural stem cells and neurogenesis. Science, 356, 1383-1386.
Philippot, Camille, Griemsmann, Stephanie, Jabs, Ronald, Seifert,
Gerald, Kettenmann, Helmut & Steinhäuser, Christian (2021).
Astrocytes and oligodendrocytes in the thalamus jointly maintain
synaptic activity by supplying metabolites. Cell Reports, 34,
doi:10.1016/j.celrep.2020.108642.
Überblick über weitere Arbeitsblätter zum Thema Gehirn
- Gehirn, Gefühle und Empfindungen
- Gehirn und Zeit
- Wie sich das Gehirn die Gegenwart strukturiert
- Das Problem der Gleichzeitigkeit
- Im Schlaf lernen funktioniert
- Zwei Untersuchungen zum tierischen Gedächtnis
- Gen RGS9 für Wahrnehmungsgeschwindigkeit verantwortlich
- Veränderung der Merkfähigkeit mit Tageszeit und innerer Uhr
- Gehirn und Größe
- Gehirn bei Tieren
- Gehirn und Sprache
- Gehirn und Lernen
- Gehirnforschung & Freiheit
- Gehirn und Computer
- Haben Pflanzen ein Gehirn?
- Quellen und Literatur
inhalt :::: nachricht :::: news :::: impressum :::: datenschutz :::: autor :::: copyright :::: zitieren ::::