Die Differenzierung von Neuronen ist ein entscheidender Prozess in der Entwicklung des Nervensystems. Er beinhaltet eine Reihe komplexer Schritte, die von der Induktion der Neuralplatte bis zur Ausbildung funktioneller neuronaler Netzwerke reichen. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Phasen der neuronalen Differenzierung, von der Entstehung der Neuronen aus neuralen Stammzellen bis hin zur Spezialisierung und Vernetzung dieser Zellen.
Frühe Entwicklung des Nervensystems
Zu Beginn der dritten Schwangerschaftswoche (SSW) wird die Neuralplatte induziert, wodurch das Gewebe des zukünftigen Zentralnervensystems (ZNS) erstmals erkennbar wird. Durch Falten und anschließende Wölbung der Ränder entsteht die Neuralrinne, die sich bis zum Ende der dritten SSW zum Neuralrohr schließt.
Proliferation und Migration
Etwa ab dem 23. Tag beginnen sich die Zellen des Neuralrohres sprunghaft zu teilen (Proliferation). Bis zu diesem Zeitpunkt sind die Vorläufer der späteren Nervenzellen, die Neuroblasten, noch nicht sehr spezialisiert, wodurch viele kleinere Schäden durch gesundes Gewebe ausgeglichen werden können. Im Anschluss an ihre Entstehung wandern die Neuronen von ihrem Ursprungsort entlang eines Netzwerks von Gliazellen (Stützzellen) zum Ort ihrer Bestimmung (Migration) und ordnen sich zunächst in Schichten, dann in Strukturen an (Aggregation).
Abschluss der Migration und Zelldifferenzierung
Etwa nach dem zweiten Drittel der Schwangerschaft (ca. 25. SSW) haben die meisten Zellen des Neokortex ihre Migration abgeschlossen, nur im Kleinhirn setzt sich die Migration bis nach der Geburt fort. Mit dem Erreichen des Zielorts finden Prozesse statt, welche die unspezifische Zelle in eine spezialisierte Form wandeln (Zelldifferenzierung): Ausbildung des Neuronentyps, Bildung von Zellfortsätzen und Synapsen.
Ausbildung von Neuronen und synaptischen Verbindungen
Durch das Wachsen von Dendriten und Axonen (charakteristische Form an den Axonen: Wachstumskegel) erlangen die Neuronen zunehmend ihre charakteristische Form und bilden durch neuronale Verknüpfungen (oft über weite Strecken) funktionale Einheiten. Dabei ist zunächst ein üppigeres Wachstum von synaptischen Verbindungen zu beobachten, als es zur Organisation des ZNS eigentlich nötig wäre.
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Selektiver Zelltod und synaptische Elimination
Bereits ab ca. der 25. SSW setzt der selektive Untergang von Nervenzellen (strategischer Zelltod, Apoptose) ein und führt zu einem Untergang von bis zu einem Drittel der ursprünglichen Neuronen. Ebenso folgt auf eine anfängliche Überproduktion von Synapsen (blooming) eine Phase der selektiven Elimination (pruning), wobei dieser Prozess abhängig ist von der Aktivität der beteiligten Synapsen: verschont bleiben vorrangig aktive funktionale Verbindungen.
Myelinisierung und neuronale Plastizität
Bereits pränatal setzt der Prozess der Myelinisierung entwicklungsgeschichtlich älterer Hirnregionen (Rückenmark, Hirnstamm) ein, der in den höheren kortikalen Regionen bis in späte Lebensjahrzehnte hinein reicht. Die Fähigkeit der Anpassung des ZNS an eine sich verändernde Umwelt wird als neuronale Plastizität bezeichnet. In diesem Zusammenhang ist innerhalb gewisser Grenzen auch eine Kompensation etwaiger Schädigungen möglich.
Sensible Phasen und Umwelterfahrungen
Empirische Befunde stützen die Annahme, dass es jeweils Stadien (spezifische Zeitfenster) in der Entwicklung des ZNS (sensible Phasen) gibt, in denen bestimmte Erfahrungen optimalen (maximalen) Einfluss nehmen und in denen das Ausbleiben von Erfahrung maximalen "Schaden" verursacht. Auch beim Menschen verfügen verschiedene Areale dabei über eigene Zeitpläne, die für den ungünstigen Fall sensorischer Deprivation das Zeitfenster zum Teil deutlich über den Rahmen normaler Entwicklung offen halten. Die sensible Phase zur Ausbildung der Sehfunktion beim Menschen erstreckt sich etwa bis zum Schulalter, weshalb zum Beispiel Augenfehlstellungen innerhalb dieser Zeit korrigiert werden sollten, danach sind diejenigen Synapsen verloren, die zum Aufbau eines normalen Sehvermögens notwendig gewesen wären.
Erfahrungserwartende und erfahrungsabhängige Prozesse
Im Hinblick auf die Organisation des ZNS im Zusammenspiel mit Umwelterfahrungen lassen sich erfahrungserwartende Prozesse und erfahrungsabhängige Prozesse unterscheiden. Erfahrungserwartende Prozesse stehen häufig in Zusammenhang mit solchen Umweltreizen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit für alle Individuen auftreten (erwartet werden können). Grundlage ist eine Vorbereitung auf die Erfahrung durch Synapsenüberproduktion, dabei sind der Entwicklung tendenziell enge Zeitfenster gegeben. Lernerfahrungen gehen allem Anschein nach mit der Repräsentation räumlich-zeitlicher Aktivitätsmuster im ZNS einher und bewirken synaptische Veränderungen. In Bezug auf "Alltagslernen" sind somit eher Berührungspunkte zu erfahrungsabhängigen Prozessen gegeben.
Synaptische Veränderungen und Hebbsche Regel
Die Speicherung von Erfahrung findet allem Anschein nach in aktivitätsabhängigen Veränderungen in der synaptischen Übertragung statt. Hebb (1949) formulierte mit der Hebbschen Regel ("Cells that fire together, wire together") die Hypothese, dass die Synapsen zwischen zwei Zellen, die gleichzeitig aktiv sind, "gestärkt" wird. Somit reichen bei stabilisierten Erregungsmustern bereits geringe Reizstärken an einer präsynaptischen Nervenzelle aus, um auch die postsynaptische Zelle zu erregen. Von weiterer Bedeutung für Lernprozesse scheint die Neubildung von Nervenzellen auch im erwachsenen Gehirn (adulte Neurogenese) zu sein.
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Hirnfunktionsstörungen und ihre Ursachen
Von Hirnfunktionsstörungen wird gesprochen, wenn der Nachweis einer funktionellen organischen Beeinträchtigung gelingt. Für viele (neuropsychologischen) Störungen ist zwar ebenfalls eine organische Ursache anzunehmen, jedoch ist es häufig nicht möglich, eine funktionell wirksame organische Schädigung nachzuweisen. Im Wesentlichen gelingt ein solcher Nachweis über bildgebende Verfahren wie z.B. Single-Photon-Emissionscomputertomografie (SPECT; ähnlich dem PET, aber mit genauerer räumlicher Auflösung).
Ursachen von Fehlbildungen des ZNS
Fehlbildungen des ZNS können verschiedene Ursachen haben:
- genetische Ursachen (genetische Syndrome)
- Intoxikationen (z.B. durch Substanzmissbrauch)
- Stoffwechselstörungen (metabolische Veränderungen; häufig in Zusammenhang mit genetischen Erbgängen)
- Infektionen (der Mutter [z.B. Röteln] und des Kindes)
- Traumata oder Tumoren (mechanische Einwirkung auf das Gewebe)
- Geburtskomplikationen (z.B. Sauerstoffmangel, Sepsis)
Die Rolle des Zeitpunkts der Entstehung von Neuronen
Bei manchen Nervenzellen im Gehirn entscheidet der Zeitpunkt ihrer Entstehung über ihre weitere Karriere. Das zeigt eine aktuelle Studie am Institut für Rekonstruktive Neurobiologie der Universität Bonn. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben in ihrer Studie einen spezifischen Typ von Zellen untersucht: die dopaminergen Neurone im Mittelhirn. Die dopaminergen Neurone im Mittelhirn sind nicht alle gleich. „Wir kennen heute eine ganze Reihe von unterschiedlichen Typen, die sehr wahrscheinlich alle spezifische Aufgaben im Gehirn erfüllen“, erklärt Prof. Dr. Sandra Blaess vom Institut für Rekonstruktive Neurobiologie. „Sie entsenden sehr lange Nervenfasern, Axone genannt, in verschiedene Hirnbereiche. Über diese Fasern transportieren sie unter anderem Dopamin in die jeweilige Zielregion.“ Dennoch stammen die meisten dieser Typen vermutlich von denselben Vorläuferzellen ab.
Experimentelle Ergebnisse
Die Forschenden markierten die Vorläuferzellen zu verschiedenen Zeiten so, dass sämtliche Neurone, die in den Folgetagen aus diesen gefärbten Vorläuferzellen hervorgingen, unter dem Mikroskop grün aufleuchteten. Diejenigen Nervenzellen, die bereits zuvor aus ungefärbten Vorläufern entstanden waren, blieben dagegen dunkel. „Auf diese Weise haben wir festgestellt, dass früh geborene Zellen sich noch in sämtliche Typen von dopaminergen Neurone im Mittelhirn entwickeln können“, sagt Blaess‘ Mitarbeiterin Franca Fries. „Je später sie jedoch geboren werden, desto mehr verengen sich ihre Möglichkeiten.“
Zellbasierte Modelle zur Untersuchung des Nervensystems
In der Neurowissenschaft werden unterschiedliche zellbasierte Modelle verwendet, um das zentrale und das periphere Nervensystem zu untersuchen. Die Arbeit an neuronalen Zellen in Kultur erfolgt seit langem durch die Entnahme einer Probe von Säugetiergehirngewebe und dessen Kultivierung in einem physiologisch relevanten Medium in einer Kulturschale. Eine alternative Zellquelle sind die neuralen Vorläuferzellen (NPCs), die aus der neuralen Differenzierung von embryonalen oder induzierten pluripotenten Stammzellen (ESCs bzw. iPS-Zellen) gewonnen werden. Diese Kulturen werden häufig in Sphäriodkulturen, den so genannten Neurosphären, gezüchtet und können durch regelmäßiges Passagieren aufrechterhalten werden. Die Differenzierung in ein verfeinertes in vivo-relevantes neuronales System wurde durch die Entwicklung von zerebralen Organoiden oder Mini-Gehirnen enorm vorangetrieben.
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Herausforderungen bei der Kultivierung neuronaler Zellen
Eine der ersten und grundlegendsten Herausforderungen bei der Kultivierung neuronaler Zellen ist die Beibehaltung einer strengen Kontrolle der Zellzahl sowohl bei der Einrichtung des Kultursystems als auch bei der Pflege, Differenzierung und Prüfung. Der automatisierte Zellzähler bietet Zählanwendungen speziell für Zellen, die in Suspension oder adhärent, auf Mikroträgern und in organoiden Kulturen wachsen.
Regulation der Entstehung neuer Nervenzellen
Die Entstehung neuer Nervenzellen im Gehirn wird äußerst strikt reguliert. In einer aktuellen Studie der Universität Bonn und des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) wurde nun ein Schlüsselmechanismus dieser Regulation identifiziert. Für ihre Experimente nutzten sie neurale Stammzellen, aus denen sich menschliche Nervenzellen erzeugen lassen. „Wir konnten zeigen, dass an der Regulation dieser Zellen zwei verschiedene Komponenten beteiligt sind“, erklärt Dr. Laura Stappert vom Institut für Rekonstruktive Neurobiologie der Universität Bonn. Beide Komponenten kontrollieren sich quasi gegenseitig. Der eine Akteur in diesem Regelkreis ist der so genannte Notch-Signalweg. Er sorgt dafür, dass sich die Stammzellen munter vermehren. Gleichzeitig verhindert er, dass sich die Zellen spezialisieren, also in Neuronen oder Gliazellen umwandeln. Gegenspieler des Notch-Weges ist ein Molekül mit dem kryptischen Namen miR-9/9. Dieses unterbindet die Teilung der Stammzellen. Stattdessen sorgt es dafür, dass sie den Karrierepfad in Richtung Nervenzellen einschlagen. MiR-9/9 steht also für die Ausreifung und Differenzierung von Stammzellen, Notch für ihre Vermehrung.
Implikationen für die Behandlung von Hirntumoren
Möglicherweise eignet sich miR-9/9* daher auch, um das Wachstum von Tumoren zu unterbinden. Die Bonner Wissenschaftler haben sich auf die Gewinnung von Nervenzellen aus Stammzellen spezialisiert. Sie setzen diese für den Zellersatz im Gehirn ein. Dazu müssen sie genau wissen, auf welche Weise der Ausreifungsprozess kontrolliert wird. Neu identifizierte Regulationsfaktoren wandern direkt in die Werkzeugkiste der Forscher, da sie noch mehr Kontrolle über die Zellen erlauben.
Molekulare Prozesse bei der Ausbildung der neuronalen Polarität
Während der Entwicklung des Nervensystems ist die Ausbildung einer polarisierten Morphologie mit einem Axon und mehreren Dendriten ein wesentlicher Schritt in der Differenzierung von Neuronen. Die molekularen Prozesse, die zur Etablierung intrazellulärer Asymmetrien und Bildung molekular und morphologisch unterscheidbarer Axone und Dendriten führen, sind bisher nur teilweise verstanden. Die Restriktion von RaplB auf einen Neurit ist der entscheidende Schritt bei der Festlegung welcher Neurit zum Axon wird. Neben RaplB spielen auch die Serin/Threonin-Kinasen SadA und SadB eine wichtige Rolle bei der Spezifikation von Axonen.
Rolle des Enzyms UBE2K bei neurologischen Entwicklungsstörungen
Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vom Exzellenzcluster CECAD haben einen Mechanismus gefunden, durch den neurologische Entwicklungsstörungen von Zellen erklärt werden können: Der Verlust eines bestimmten Enzyms, UBE2K, behindert die Differenzierung von Stammzellen, indem es die Genexpression von Genen unterdrückt, die wichtig für neuronale Differenzierung und dadurch für die Entwicklung und Entstehung von Nervenzellen sind. UBE2K reguliert die Aktivierung von Histonen. Schlüsselproteinen, die die DNA zusammenpacken und organisieren und die Genexpression regulieren.
Zusammenhang mit dem Ubiquitin-Proteasom-System
Die Wissenschaftler fanden, dass embryonale Stammzellen eine hohe Expression von UBE2K (Ubiquitin-conjugating enzyme E2 K) aufweisen. Diese Enzyme sind bekannt dafür, dass sie wichtig für den Proteinabbau und damit für die der Zellen sind. Der Verlust dieser Enzyme in den embryonalen Stammzellen führte zu einem Anwachsen des Niveaus des Stoffes SETDB1. Dadurch kam es während der Ausdifferenzierung der Zellen zu einer Unterdrückung jener Gene, die die Entstehung von Nervenzellen steuern. Als Ergebnis behinderte der Verlust von UBE2K die Fähigkeit von Stammzellen sich in neurale Vorläuferzellen zu verwandeln, ein Zelltyp aus dem sich dann im weiteren Nervenzellen und andere Zellen des Nervensystems entwickeln.
Implikationen für die Behandlung von Krankheiten
Da epigenetische Markierungen reversibel sind, wäre es für die Wissenschaftler interessant zu erfahren, ob der epigenetische Zustand von Stammzellen von Patienten auch durch die Kontrolle des Proteasomsystems und UBE2K moduliert werden kann. Um das Erscheinungsbild der Krankheit zu korrigieren, könnten neue Strategien entworfen werden, um die epigenetischen Veränderungen in frühen Entwicklungsstadien zu korrigieren und auf diese Weise möglicherweise neue Behandlungen für Krankheiten zur Verfügung zu stellen.
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