Einführung
Mit fortschreitendem Alter erfahren viele Menschen einen gewissen Grad an kognitivem Abbau. Dieses Phänomen betrifft nicht nur Einzelpersonen und ihre Familien, sondern stellt auch eine erhebliche Belastung für die Sozialversicherungssysteme dar. Die Erforschung der zugrunde liegenden Mechanismen des altersbedingten kognitiven Abbaus ist daher von entscheidender Bedeutung. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Synapse, der Verbindungsstelle zwischen Nervenzellen, die eine Schlüsselrolle bei Lern- und Gedächtnisprozessen spielt.
Das DFG-Graduiertenkolleg SynAGE in Magdeburg
In Magdeburg widmet sich ein neues, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördertes Graduiertenkolleg 2413 „SynAGE“ der Erforschung der alternden Synapse. Wissenschaftler der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, des Leibniz-Instituts für Neurobiologie und des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen haben sich zusammengeschlossen, um die molekularen, zellulären, systemischen und verhaltensbiologischen Grundlagen des kognitiven Leistungsabfalls zu untersuchen. Die DFG stellt für die erste Förderperiode des Kollegs von viereinhalb Jahren 4,2 Millionen Euro zur Verfügung. Das Forschungs- und Qualifizierungsprogramm wird es Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern in Magdeburg ermöglichen, auf hohem fachlichen Niveau zu promovieren. Geleitet wird es von Prof. Dr. Daniela Dieterich, Direktorin des Institutes für Pharmakologie und Toxikologie an der Medizinischen Fakultät, als Sprecherin und von Prof. Dr. Oliver Stork vom Lehrstuhl für Genetik und Molekulare Neurobiologie am Institut für Biologie als Ko-Sprecher.
Interdisziplinärer Ansatz
Das Kolleg umfasst insgesamt 13 Projekte, in denen 13 naturwissenschaftliche und 13 medizinische Doktoranden die Grundlagen von verändertem Proteinstoffwechsel in Synapsen, Einflüssen des Immunsystems und der veränderten Neuromodulation auf Synapsen und deren Funktionseinschränkung untersuchen werden. „Diese Interdisziplinarität und vor allen Dingen auch das gemeinsame Forschen von Molekular- und Zellbiologen, Psychologen und angehenden Medizinern hat dabei das klare Ziel vor Augen, ein Anwendungspotential unserer Forschung zu entwickeln, um künftig gemeinsam an Interventionen zu arbeiten“ betont Daniela Dieterich.
Strukturiertes Ausbildungsprogramm
Neben der direkten wissenschaftlichen Betreuung in den beteiligten Arbeitsgruppen umfasst das Kolleg auch ein strukturiertes Betreuungs- und Qualifizierungskonzept. Das Lehrprogramm besteht neben Vorlesungen und Seminaren auch aus Workshops, welche die Nachwuchswissenschaftler beispielsweise in hochmoderner Lichtmikroskopie oder hochauflösender Proteom-Analytik ausbilden. Somit werden relevante Inhalte und Methoden, Schlüsselqualifikationen und Soft Skills vermittelt und trainiert. Persönliches Mentoring und Coaching sowie Netzwerkbildung innerhalb und außerhalb der akademischen Forschungslandschaft runden das Programm ab, mit dem Ziel, die persönliche Weiterentwicklung und Karrierechancen der jungen Nachwuchswissenschaftler zu optimieren.
Fokus auf Diversität
Ein besonderes Augenmerk legen die Magdeburger dabei auf die Diversität in der Ausbildung. „Wir setzen bewusst auf ein interdisziplinäres Veranstaltungsprogramm, kooperativ betreute Promotionen und intensive Vernetzungsmaßnahmen für unsere Nachwuchswissenschaftler. Unser Ziel ist es, Generalisten für diverse Berufsfelder in der Forschung innerhalb aber auch außerhalb der Universitäten, Institute und Kliniken auszubilden, um die Forschung und Anwendung so schnell wie möglich für unsere Gesellschaft voranzutreiben“ erklären Prof. Dieterich und Prof.
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Die alternde Synapse im Fokus
Die Forschung konzentriert sich auf die alternde Synapse als Schlüssel zum Verständnis des kognitiven Leistungsabfalls und erforscht die komplexen Ursachen auf verschiedenen Ebenen. Die Wissenschaftler untersuchen, wie sich der Proteinstoffwechsel in den Synapsen verändert, welchen Einfluss das Immunsystem hat und wie sich die Neuromodulation auf die Synapsen und ihre Funktionseinschränkung auswirkt.
Molekulare Umbauvorgänge
Von besonderem Interesse für die Forschenden sind molekulare Umbauvorgänge, die in den Nervenzellen und ihrer Umgebung, insbesondere an den vielen Billiarden Nerven-Kontaktstellen (Synapsen) ablaufen. Man kann sie sich als mikroskopisch kleine Brauseköpfe von Duschen vorstellen. Daraus strömen statt Wassertropfen verschiedene Moleküle, sogenannte Neurotransmitter. Diese werden von anderen „Post-Synapsen“ aufgefangen und weiterverarbeitet. In jungen Jahren sind diese Prozesse sehr dynamisch und das Lernen fällt leicht. Mit zunehmendem Alter reagieren Nervenzellen und Nervenzellnetzwerk weniger flexibel.
Die Rolle des Insulins
Dazu gehört der sogenannte Insulin-Rezeptor-Pathway, der Hinweise darauf liefern könnte, warum Menschen mit einem langjährigen Diabetes mellitus u. a. auch ein deutlich erhöhtes Demenzrisiko haben. Das zeigten Studien mit den Daten von über 145.000 Diabetes-Patienten im Alter von über 60 Jahren, die bei der Krankenkasse AOK versichert sind. Darüber hinaus zeigen aktuelle Untersuchungen, dass entzündungshemmende Antidiabetika eine vor Demenz schützende Wirkung haben. Die Analysen der molekularen Mechanismen könnten in Zukunft vielleicht zu gezielt wirkenden Therapien führen, hoffen die Forscher des GRK wie beispielsweise Dr.
Technische Ausstattung
Den jungen Forschenden stehen an der Magdeburger Universität und den außeruniversitären Forschungseinrichtungen gebündelt in der Forschungsstruktur des CBBS die modernsten technischen Instrumentarien zur Verfügung von hochauflösender Mikroskopie und Optogenetik über Proteinanalytik (Proteomics) bis hin zu MRT-Imagingtechniken, transgenen Tiermodellen und verschiedensten Kultivierungsmethoden, die auch die im Altern sich verändernde mechanische Elastizität von Zellen nachstellen können. „Zudem können die verhaltensbiologischen Konsequenzen des Alterungsprozesses unmittelbar nachverfolgt und analysiert werden“, so der Ko-Sprecher Professor Oliver Stork vom Institut für Biologie. „Das macht es uns möglich, die Lern- und Alterungsprozesse im Gehirn auf mehreren Ebenen vom Molekül über die Zelle bis hin zum Nervensystem und dem Verhalten in Nagern und im Menschen - zu untersuchen“, unterstreicht Professorin Dieterich.
Geistige Fitness im Alter
Die gute Nachricht ist: Dagegen lässt sich etwas tun. In jedem Alter und zu jedem Zeitpunkt des Lebens können Sie das Gehirn trainieren, damit sich Synapsen neu bilden. Wer sich im Alter geistig fit halten möchte, kann dafür sorgen, dass die Verbindungen zwischen den Nervenzellen aktiv bleiben - indem er sie beansprucht. Werden Synapsen nicht benutzt, sterben sie ab und kognitive Fähigkeiten gehen verloren.
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Neuroplastizität
Die Fähigkeit des Gehirns, seine Struktur und die Funktionen durch die Bildung von Zellen und Synapsen so zu verändern, dass es sich immer wieder auf Einflüsse von außen einstellen kann, beschreiben Mediziner als Neuroplastizität. Sie lässt sich auch im Alter noch gezielt fördern. Forscher sehen dies als wichtige Voraussetzung dafür, um dem altersbedingten Abbau der Hirnleistung vorzubeugen und geistig fit zu bleiben.
Möglichkeiten des Gehirntrainings
Forscher haben bereits verschiedene Möglichkeiten entdeckt, wie sich das Gehirn trainieren und die geistige Fitness verbessern lässt:
- Musik: Musik beflügelt Körper und Geist. Sie stimuliert die Hirnnerven und wirkt sich auf die Ausschüttung bestimmter Botenstoffe aus.
- Fremdsprachen: Wer eine neue Sprache lernt, nutzt eine Vielzahl umfangreicher Nervennetzwerke im Gehirn. Das fördert die Neuroplastizität und kann die Gehirnleistung verbessern - und zwar in jedem Alter.
- Körperliche Aktivität: Wer Sport treibt und aktiv lebt, tut auch etwas für seine geistige Fitness. Regelmäßige Bewegung und Sport kann die Hirngesundheit fördern - und den Alterungsprozess verlangsamen.
Die Entwicklung des Gehirns im Lebensverlauf
Die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem beginnt bereits im Embryo und setzt sich nach der Geburt fort.
Embryonale Entwicklung
Die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem beginnt beim Embryo mit der 3. Schwangerschaftswoche. Bis zum Ende der 8. Woche sind Gehirn und Rückenmark fast vollständig angelegt. In den folgenden Wochen und Monaten wird im Gehirn eine Unmenge von Nervenzellen durch Zellteilung gebildet. Von diesen wird ein Teil vor der Geburt wieder abgebaut. Während der gesamten Schwangerschaft sind die neuronalen Strukturen äußerst empfindlich und damit anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Alkoholkonsum, Rauchen, Strahlung, Jodmangel und bestimmte Erkrankungen der Mutter, wie beispielsweise Infektionskrankheiten können zu einer Schädigung des sich entwickelnden Nervensystems führen. Auch Medikamente sollten nur nach Absprache mit dem Arzt eingenommen werden, um eventuelle negative Auswirkungen auf den Embryo zu verhindern. Schon im Mutterleib nimmt das Gehirn des Ungeborenen Informationen auf. So geht man davon aus, dass durch das Wahrnehmen der Sprache der Eltern das Erlernen der Muttersprache schon vor der Geburt geprägt wird.
Entwicklung nach der Geburt
Mit der Geburt ist die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem noch lange nicht abgeschlossen. Zwar sind zu diesem Zeitpunkt bereits die große Mehrheit der Neuronen, etwa 100 Milliarden, im Gehirn vorhanden, sein Gewicht beträgt dennoch nur etwa ein Viertel von dem eines Erwachsenen. Die Gewichts- und Größenzunahme des Gehirns im Laufe der Zeit beruht auf der enormen Zunahme der Verbindungen zwischen den Nervenzellen und darauf, dass die Dicke eines Teils der Nervenfasern zunimmt. Das Dickenwachstum ist auf eine Ummantelung der Fasern zurückzuführen. Dadurch erhalten sie die Fähigkeit, Nervensignale mit hoher Geschwindigkeit fortzuleiten.
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Synaptogenese und synaptische Plastizität
Im Gehirn nimmt die Anzahl der Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, in den ersten 3 Lebensjahren rasant zu. In dieser Zeit entsteht das hochkomplexe neuronale Netz, in dem jede Nervenzelle mit Tausenden anderer Neurone verbunden ist. Mit 2 Jahren haben Kleinkinder so viele Synapsen wie Erwachsene und mit 3 Jahren sogar doppelt so viele. Diese Zahl bleibt dann etwa bis zum zehnten Lebensjahr konstant. In den darauffolgenden Jahren verringert sich die Zahl der Synapsen wieder um die Hälfte. Ab dem Jugendalter treten bei der Zahl der Synapsen keine größeren Veränderungen mehr auf. Die große Zahl der Synapsen bei 2 bis 10-Jährigen ist ein Zeichen für die enorme Anpassungs- und Lernfähigkeit der Kinder in diesem Alter. Art und Anzahl der sich formenden und bestehen bleibenden Synapsen hängen mit speziellen erlernten Fertigkeiten zusammen. Bei der weiteren Entwicklung des Gehirns treten dann andere Dinge in den Vordergrund. Die wenig benutzten und offenbar nicht benötigten Verbindungsstellen werden abgebaut, die anderen Nervenfasern zwischen den Neuronen dagegen intensiver genutzt. Das ist der Grund für den Abbau der Synapsen ab dem 10. Lebensjahr um die Hälfte.
Das alternde Herz und seine Auswirkungen auf das Gehirn
Es ist vor allem die linke Herzkammer, die das Blut durch den Körperkreislauf pumpt, aber im Lauf des Lebens Spuren des Alterns zeigt: Sie wird größer und kann mitunter vernarben, was die Pumpfunktion beeinträchtigt. Dem Herzen fällt es danach schwerer, auf entsprechende Anforderungen unter Belastungssituationen mit der Herzschlagfrequenz, dem Puls, zu reagieren. Es kommt sozusagen aus dem Takt.
Das Zusammenspiel von Nervensystem und Blutgefäßen im Herzen
Das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Stefanie Dimmeler und dem wissenschaftlichen Mitarbeiter Dr. Julian Wagner widmete sich dem Zusammenspiel zwischen Nervensystem und Blutgefäßen im Herzen. Während schon länger bekannt ist, dass die das Herz mit Blut versorgenden Gefäße in ihrer Funktion mit zunehmendem Alter nachlassen, war bisher nicht bekannt, ob die Wechselwirkung mit den das Herz versorgenden Nerven durch den Alterungsprozess ebenfalls beeinflusst werden kann.
Die Rolle von Semaphorin-3A
Ausgelöst wird diese Reaktion dadurch, dass Blutgefäße im Herzen mit zunehmendem Alter u.a. den Botenstoff Semaphorin-3A in ihre Umgebung freisetzen, der das Wachstum und die Aussprossung von Nervenzellen im Herzmuskelgewebe hemmt. Die Folge der verringerten Nerven im Herzen selbst ist, dass die Herzmuskelzellen nicht mehr von Impulsen der Nervenzellen „informiert“ werden, etwa durch einen schnelleren Herzschlag einen erhöhten Bedarf der Sauerstoffversorgung des Körpers unter Belastung zu gewährleisten.
Seneszente Zellen im Fokus
Eine zentrale Rolle für den Rückgang der Nervenzellen im Herzen scheinen alternde, sogenannte ‚seneszente‘ Zellen des Gefäßsystems zu spielen. Verhindert man experimentell die Anzahl dieser ‚seneszenten‘ Zellen durch gezielte Medikamente (sogenannte Senolytica), wachsen die Nervenzellen wieder nach, und das Herz gewinnt die autonome Kontrolle über die Pulsregulation wieder zurück.
Neue Perspektiven für die Herzforschung
Mit ihren Erkenntnissen über ein gestörtes Zusammenspiel von Blut- und Nervenzellen im Herzgewebe, das mit zunehmendem Alter einhergeht, rücken die Frankfurter Forscher einen bislang weitgehend unbeachteten Schwerpunkt der Herzforschung in den Vordergrund. Diese Forschung stelle einen wichtigen Schritt dar, um die komplexen Mechanismen besser zu verstehen, die Herzkrankheiten zugrunde liegen.
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