Die bemerkenswerte Fähigkeit des Gehirns: Neurogenese und die Neubildung von Nervenzellen

Das Gehirn, ein komplexes Organ, das uns zu dem macht, was wir sind, birgt noch immer viele Geheimnisse. Eines davon ist die Fähigkeit zur Neurogenese, der Neubildung von Nervenzellen. Lange Zeit ging die Wissenschaft davon aus, dass das Gehirn eines Erwachsenen keine neuen Nervenzellen mehr produziert. Doch diese Annahme hat sich in den letzten Jahrzehnten als falsch herausgestellt. Die Forschung hat gezeigt, dass die Neurogenese auch im Erwachsenenalter stattfindet, wenn auch in bestimmten Regionen und unter bestimmten Bedingungen. Dieser Artikel beleuchtet den Prozess der Neurogenese, seine Bedeutung und die Faktoren, die ihn beeinflussen.

Neurogenese: Ein lebenslanger Prozess

Die Neurogenese ist ein Prozess, bei dem neue Nervenzellen im Gehirn gebildet werden. Dabei teilen sich sogenannte neurale Stammzellen, die sich zu Nervenzellen weiterentwickeln können. Dieser Prozess ist vor allem während der Embryonalentwicklung aktiv. Im Erwachsenenalter befinden sich die meisten Stammzellen dagegen im Ruhezustand. Nur gelegentlich werden sie aktiviert und beginnen sich zu teilen, um neue Nervenzellen zu bilden. Die adulte Neurogenese, also die Produktion von heranreifenden Nervenzellen unter den Bedingungen des erwachsenen Gehirns, findet vor allem im Hippocampus statt, einem Bereich des Gehirns, der für Lern- und Gedächtnisvorgänge wichtig ist. Auch im Bulbus olfactorius, der unterhalb des Frontalhirns liegt und der Geruchswahrnehmung dient, kann man diese Neubildungen nachweisen.

Die Rolle von Yap1 bei der Neurogenese

Forscherinnen und Forscher des Instituts für Physiologische Chemie der Universitätsmedizin Mainz haben ein neues Schlüsselprotein identifiziert, das die Neubildung von Nervenzellen im Gehirn reguliert: das Protein Yap1. Sie fanden heraus, dass Yap1 eine Doppelrolle hat. Es aktiviert auf der einen Seite die Bildung von neuen Nervenzellen. Bei einer Überaktivierung könnte es auf der anderen Seite aber dazu beitragen, dass Stammzellen im Gehirn sich in Krebszellen entwickeln.

„Wir konnten erstmals zeigen, dass das Protein Yap1 maßgeblich an der Aktivierung neuraler Stammzellen beteiligt ist. Unsere Erkenntnisse können es ermöglichen, neuartige Wege zu finden, um die Neurogenese zu stimulieren. Dadurch könnte die Gedächtnis- und Lernfähigkeit des Gehirns im Alter aufrechterhalten werden“, erläutert Univ.-Prof. Dr. Benedikt Berninger, Arbeitsgruppenleiter am Institut für Physiologische Chemie der Universitätsmedizin Mainz.

In ersten vorklinischen Untersuchungen haben die Mainzer Forscherinnen und Forscher gemeinsam mit Wissenschaftler/-innen vom King’s College London sowie von der Friedrich-Alexander-Universität Nürnberg-Erlangen gezeigt, dass neurale Stammzellen mehr Yap1 herstellen als alle anderen Zellen. Die Inaktivierung von Yap1 führte dazu, dass auch zunehmend weniger Stammzellen aktiviert wurden. Durch die Aktivierung von Yap1 wurden dagegen die inaktiven Stammzellen stimuliert, sich zu teilen und neue Nervenzellen zu bilden. Bei einer Überaktivierung von Yap1 wurden allerdings vermehrt Proteine gebildet, die mit dem sogenannten Glioblastom in Verbindung gebracht werden. Dabei handelt es sich um eine Hirntumorart, die schnell wächst und sehr aggressiv ist.

Lesen Sie auch: Neue Erkenntnisse zu Alzheimer-Plaques

„Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass das Protein Yap1 ein Janusgesicht hat: Neben seiner wichtigen Rolle bei der Regulation der Neubildung von Nervenzellen hat es das Potenzial, neurale Stammzellen in Krebszellen umzuwandeln“, sagt Professor Berninger. Und ergänzt: „Um nur die positiven Effekte von Yap1 zu erhalten, müssten wir die Aktivität des Proteins genauestens kontrollieren. Dafür könnte zum Beispiel ein hemmender Wirkstoff verwendet werden. Die Herausforderung jedoch ist, dass die Hemmung gezielt in bestimmten Stammzellen des Gehirns erfolgt und nicht in anderen Zellen des Körpers, wo Yap1 ebenfalls vorkommt. Dafür ist es notwendig, die komplexen Prozesse rund um Yap1 noch tiefergehender zu verstehen.“

Faktoren, die die Neurogenese beeinflussen

Die Neurogenese ist ein dynamischer Prozess, der von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Dazu gehören:

• Körperliche Aktivität: Bewegung, insbesondere Ausdauertraining, stimuliert die Neurogenese im Hippocampus. Das Laufen in einem Hamsterrad aktiviert die Stammzellen im Gehirn und es werden neue Nervenzellen in großer Zahl gebildet. Durch Bewegung haben sich Netzwerke von Neuronen, ihre Verschaltungen und wohl auch ihre Funktion fundamental verändert.
• Geistige Aktivität: Lernen, Lesen, Puzzeln und andere geistige Aktivitäten fördern die Bildung neuer Nervenzellen und deren Integration in bestehende Netzwerke.
• Soziale Interaktion: Der Austausch mit anderen Menschen, sei es mit Freunden, Familie oder Kollegen, wirkt sich positiv auf die Neurogenese aus.
• Ernährung: Eine ausgewogene Ernährung mit viel Obst, Gemüse und Omega-3-Fettsäuren kann die Neurogenese unterstützen.
• Umgebung: Eine anregende Umgebung mit vielen Reizen fördert die Neurogenese.
• Transkranielle Pulsstimulation: Mit der Transkraniellen Pulsstimulation werden diese äußerst niederfrequenten Stoßwellen über einen Hand-Applikator nicht-invasiv durch die Schädeldecke hindurch in das Gehirngewebe übertragen und man kann gezielt bestimmte Regionen im Gehirn erreichen und behandeln. Dabei werden Stoffwechselprozesse an den synaptischen Schaltstellen (den Axonen) der Nervenzellen aktiviert und regelrecht trainiert, also stimuliert.

Neurogenese und neurologische Erkrankungen

Die Forschung hat gezeigt, dass die Neurogenese bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen beeinträchtigt sein kann. Dazu gehören:

• Alzheimer-Krankheit: Bei Alzheimer-Patienten ist die Neurogenese im Hippocampus deutlich reduziert.
• Depression: Studien haben gezeigt, dass Antidepressiva die Neurogenese im Hippocampus stimulieren können.
• Schlaganfall: Nach einem Schlaganfall kann die Neurogenese dazu beitragen, beschädigte Hirnregionen zu reparieren.
• Neurodegenerative Erkrankungen: Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen könnten in Zukunft von diesen Ergebnissen profitieren. Pharmaunternehmen suchen derzeit nach Substanzen, die eine Neubildung von Nervenzellen stimulieren und somit den Untergang von Neuronen ausgleichen könnten. Entsprechende Wirkstoffe befinden sich aber noch in der präklinischen Phase der Entwicklung.

Die Bedeutung der Neurogenese für das Gehirn

Die Neurogenese spielt eine wichtige Rolle für die Funktion des Gehirns. Sie trägt zur:

• Lernfähigkeit und Gedächtnisbildung: Neue Nervenzellen sind leichter zu erregen als alte Neurone und können schneller Synapsen aus- oder rückbilden. Dies ermöglicht es dem Gehirn, sich an neue Situationen anzupassen und neue Informationen zu speichern.
• Stimmungsregulation: Die Neurogenese im Hippocampus spielt eine Rolle bei der Regulation der Stimmung. Eine reduzierte Neurogenese kann zu Depressionen führen.
• Stressbewältigung: Die Neurogenese kann dazu beitragen, die Auswirkungen von Stress auf das Gehirn zu reduzieren.
• Reparatur von Hirnschäden: Nach einem Schlaganfall oder einer anderen Hirnverletzung kann die Neurogenese dazu beitragen, beschädigte Hirnregionen zu reparieren.
• Kognitiven Flexibiliät: Die neugeborenen Nervenzellen spielen eine wichtige Rolle bei der räumlichen Orientierung und der Mustererkennung („pattern separation“). Es wird vermutet, daß sie zur Aufrechterhaltung kognitiver Flexibiliät, also der Integration neuer Gedächtnisinhalte mit bereits bestehende und ohne Zerstörung dieser, beitragen.

Neue Ansätze zur Förderung der Neurogenese

Angesichts der Bedeutung der Neurogenese für die Gesundheit des Gehirns suchen Forscher nach neuen Wegen, um diesen Prozess zu fördern. Dazu gehören:

Lesen Sie auch: Bildung und Gehirn: Ein detaillierter Einblick

• Medikamente: Es gibt verschiedene Medikamente, die die Neurogenese stimulieren können. Diese befinden sich jedoch noch in der präklinischen Phase der Entwicklung.
• Gentherapie: Die Gentherapie könnte eingesetzt werden, um die Produktion von Wachstumsfaktoren im Gehirn zu erhöhen und so die Neurogenese zu fördern.
• Transkranielle Magnetstimulation (TMS): Die TMS ist eine nicht-invasive Methode, bei der Magnetfelder eingesetzt werden, um die Aktivität von Nervenzellen im Gehirn zu stimulieren. Studien haben gezeigt, dass die TMS die Neurogenese im Hippocampus fördern kann.
• Stammzelltherapie: Die Stammzelltherapie könnte eingesetzt werden, um neue Nervenzellen in beschädigte Hirnregionen zu transplantieren.

Die Rolle der Mechanik bei der Gehirnentwicklung

Ein internationales Team unter Beteiligung von Forschenden des Max-Planck-Zentrums für Physik und Medizin (MPZPM) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat herausgefunden, dass bei der Entwicklung dieser Verschaltungen und der Entstehung elektrischer Signale mechanische Eigenschaften des Gehirns eine wichtige Rolle spielen. Die Erkenntnisse könnten neue Ansätze für das Verständnis neurologischer Entwicklungsstörungen eröffnen.

Die aktuelle Studie zeigt, dass sich in besonders weichen Regionen des Gehirns mehr Synapsen bilden - und beleuchtet den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus. Während seiner Entwicklung hat das Gehirn eine sehr weiche Konsistenz, etwa vergleichbar mit der von Frischkäse. Je nach Region variiert jedoch seine Steifigkeit. Die Wissenschaftler/-innen bewiesen so, dass mechanische Eigenschaften des Gehirns aktiv beeinflussen, wie schnell und wo Synapsen gebildet werden.

Neuronen nehmen diese Steifigkeit über den mechanosensitiven Ionenkanal Piezo1 wahr. Die Wissenschaftler/-innen maßen dann die Expression Tausender Gene und entdeckten, dass Piezo1 die neuronale Entwicklung in steiferen Umgebungen verzögert, indem es die Expression von Transthyretin reduziert - einem Protein, von dem kürzlich gezeigt wurde, dass es die Synapsenbildung reguliert.

Die Forschung am Zebrafisch

Forschende des DZNE Dresden versuchen diese Frage zu beantworten, indem sie Zebrafische untersuchen. In vorherigen Studien hatten Dr. Caghan Kizil und Kollegen gezeigt, dass der „Zebrafisch“, ein kleiner Süßwasserfisch, unter experimentellen Bedingungen ein Alzheimer-ähnliches Krankheitsbild entwickeln kann und als Gegenreaktion auf die neuronalen Schäden neue Nervenzellen bildet. Dieses Phänomen wird „Neurogenese“ genannt. Stammzellen spielen dabei eine entscheidende Rolle.

„Das menschliche Gehirn hat im Erwachsenenalter recht begrenzte Fähigkeiten zur Neurogenese. Wir haben uns deshalb angeschaut, was diesen Fisch so besonders macht“, erläutert Kizil, der am DZNE-Standort Dresden eine Helmholtz-Nachwuchsgruppe leitet.

Lesen Sie auch: Liquor-Zirkulation verstehen

„Wir haben nun herausgefunden, dass der Organismus des Zebrafisches die Produktion von Serotonin unter Alzheimer-ähnlichen Bedingungen senken kann, um die Aktivität neuraler Stammzellen zu erhöhen und damit die Bildung neuer Nervenzellen zu fördern. Das ist ein komplexer Mechanismus. Die spezielle Kopplung zwische Immun- und Nervenzellen scheint eine Spezialität des Zebrafisches zu sein. Bei Mäusen, so fanden die Forscher heraus, existiert sie nicht. „Das ist ein evolutionärer Unterschied zwischen den Gehirnen von Zebrafischen und Säugetieren”, sagt Kizil. „Weitere Studien werden das zeigen müssen, aber es könnte Wege geben, die während der Evolution verloren gegangene Regenerationsfähigkeit zu reaktivieren.

Neurogenese und Alterung

Die Fähigkeit zur Neurogenese nimmt mit dem Alter ab. Dies könnte zu einem Rückgang der kognitiven Funktionen im Alter beitragen. Eine Untersuchung von Neuromedizinern aus Madrid im Hippocampus älterer Erwachsener zehntausende noch unreife Neuronen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien identifizieren konnten. Die jetzt im Journal Nature Medicine publizierten Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Fähigkeit zur Neurogenese mit zunehmendem Alter lediglich moderat abnimmt. Demnach könnte eine stark verminderte Zahl neugebildeter und heranreifender Neurone, unabhängig vom Lebensalter der Betroffenen, ein Marker für Hirnerkrankungen sein.

Unabhängig vom Lebensalter beeinträchtigten neurodegenerative Prozesse die Neurogenese spürbar. Im Vergleich zu den Hirngesunden fanden sich bei den Alzheimer-Patienten konstant mehrere Zehntausende neue Hirnzellen weniger. Sie wiesen zudem noch im Schnitt einen vergleichsweise geringeren Reifegrad auf.

tags: #bildung #neuer #nervenzellen #gehirn #dauer