Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, das aus fast 100 Milliarden Nervenzellen besteht, von denen jede durchschnittlich 1.000 Kontakte zu anderen Neuronen hat. Diese Verbindungen, Synapsen genannt, sind für die Übertragung von Informationen im Gehirn unerlässlich. Synapsen sind jedoch mehr als nur einfache Verbindungen; ihre komplexe Struktur umfasst eine Sendevorrichtung (Präsynapse), eine Empfängerstruktur (Postsynapse) und den dazwischenliegenden synaptischen Spalt.
Synaptische Übertragung und Homöostase
Die Übertragung von Informationen über den synaptischen Spalt erfordert die Freisetzung von Neurotransmittern aus der Präsynapse als Reaktion auf eingehende Spannungsimpulse. Diese Neurotransmitter wandern über den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Seite, wodurch in der Empfängerzelle elektrische Impulse ausgelöst werden. Die Menge an Neurotransmittern, die von der Präsynapse freigesetzt wird, und die Stärke der Reaktion der Postsynapse werden im Gehirn streng reguliert.
Beim Lernen werden bestimmte Synapsen verstärkt, so dass ein schwacher elektrischer Reiz im sendenden Neuron eine starke Reaktion in der Empfängerzelle auslösen kann. Umgekehrt verkümmern wenig genutzte Synapsen. Darüber hinaus verhindern ausgeklügelte Kontrollmechanismen, dass sich die elektrische Aktivität im Gehirn zu stark ausbreitet oder zu schnell wieder versiegt. Dieses Gleichgewicht wird als synaptische Homöostase bezeichnet. Die Prozesse, die dieses Gleichgewicht aufrechterhalten, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden.
Ein Mechanismus, mit dem das Gehirn auf anhaltende Veränderungen der neuronalen Aktivität reagiert, ist die so genannte homöostatische Plastizität. Es wurde gezeigt, dass das Protein RIM1 eine Schlüsselrolle in diesem Prozess spielt.
Die Rolle von RIM1 und Phosphorylierung
RIM1 besteht wie jedes Protein aus einer großen Anzahl von aneinandergereihten Aminosäuren. Es wurde nun nachgewiesen, dass einige dieser Aminosäuren durch ein Enzym mit einer Phosphatgruppe verbunden werden. Je nachdem, welche Aminosäure modifiziert wird, kann die Präsynapse mehr oder weniger Neurotransmitter freisetzen. Die Phosphatgruppen bilden sozusagen das "Gedächtnis" der Synapsen, mit dem diese sich das aktuelle Aktivitätsniveau merken.
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In der Präsynapse stehen transmittergefüllte Bläschen wie die Pfeile eines gespannten Bogens zum Abschuss bereit. Sobald ein Spannungsimpuls eintrifft, werden sie blitzschnell freigesetzt. Wenn die Präsynapse mehr Bläschen "abfeuern" kann, wird ihr Ruf über den synaptischen Spalt lauter. Nimmt dagegen die Anzahl der Bläschen durch Veränderungen im Phosphorylierungsstatus von RIM1 stark ab, ist der Ruf kaum noch hörbar. Welcher Effekt eintritt, hängt von der phosphorylierten Aminosäure ab.
Über RIM1 kann das Gehirn die Aktivität einzelner Synapsen also vermutlich sehr genau einstellen. Eine weitere Schlüsselrolle spielt dabei das Enzym SRPK2: Es hängt die Phosphatgruppen an die Aminosäuren von RIM1. Daneben gibt es aber noch weitere Akteure - zum Beispiel Enzyme, die die Phosphatgruppen im Bedarfsfall wieder entfernen.
Bedeutung des synaptischen Gleichgewichts
Das synaptische Gleichgewicht ist immens wichtig; ist es gestört, können Krankheiten wie Epilepsie, aber möglicherweise auch Schizophrenie oder Autismus die Folge sein. Interessanterweise ist die Erbinformation für RIM1 bei Menschen mit diesen psychischen Störungen oft verändert. Damit ist das RIM1-Protein bei ihnen eventuell weniger funktionsfähig. Es ist wichtig, diese Zusammenhänge weiter aufzuklären.
Neurogenese im Erwachsenenalter
Auch im Erwachsenenalter werden im menschlichen Gehirn neue Nervenzellen gebildet. Diese Erkenntnis ist jedoch noch relativ jung: Erst seit Anfang dieses Jahrtausends ist wissenschaftlich belegt, dass auch noch nach der frühen Kindheit aus den das Nervengewebe stützenden Zellen, den Gliazellen, neue Neurone entstehen können.
Im erwachsenen Gehirn von Säugetieren kommen Nervenstammzellen nur in bestimmten Bereichen vor, den sogenannten Stammzellnischen. Um herauszufinden, was diese Regionen so besonders macht, wurde das Proteom dieser Nischen untersucht - also die gesamte Menge der dort vorhandenen Proteine. Dabei wurden zwei Regionen genauer untersucht: die größte Stammzellnische des Gehirns in der subventrikulären Zone und der Riechkolben im vorderen Teil des Gehirns, da neugebildete Neuronen hierhin wandern, sich dort ausdifferenzieren und in das neuronale Netz integrieren.
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Ein Merkmal der Stammzellnischen ist, dass diese Regionen besonders starr und wenig flexibel sind. Unter anderem liegt das daran, dass die extrazelluläre Matrix, also die Zellbestandteile, die außen an der Zelle haften, ein starkes Netzwerk ausbildet.
Alzheimer-Forschung und die Blut-Hirn-Schranke
Die Alzheimer-Forschung befindet sich im Wandel. Es wird immer deutlicher, welchen großen Einfluss pathologische Veränderungen der Blutgefäße auf die Alzheimer-Krankheit haben. Bei der sogenannten neurovaskulären Einheit geht es um einen Zellverband, welcher die Kommunikation zwischen Nervenzellen und Blutgefäßen im Gehirn sicherstellt. Dabei ist die Blut-Hirn-Schranke von essentieller Bedeutung, denn sie filtert, welche Stoffe aus dem Blut in das Gehirn gelangen und andersrum. Bei der Alzheimer-Krankheit ist diese wichtige Barriere häufig geschädigt.
Die Kommunikation zweier Zellarten (Perizyten und Astrozyten) spielt eine entscheidende Rolle bei der Funktion der Blut-Hirn-Schranke. Bei der Alzheimer-Krankheit lösen sich die Perizyten ab und die Blut-Hirn-Schranke wird instabil. Außerdem lagern sich Beta-Amyloid-Proteine im Gehirn ab, was durch die Ablösung der Perizyten noch verstärkt wird. Astrozyten reagieren auf diese Protein-Ablagerungen mit der Bildung von speziellen Enzymen. Es wird untersucht, ob diese Enzyme wiederum die Ablösung der Perizyten auslösen. Wenn diese Annahme bestätigt werden kann, wird versucht, die Enzyme mit einem Enzym-Hemmer zu bremsen.
Die Enzym-Hemmer könnten die Funktion der Blut-Hirn-Schranke stabilisieren und den Abtransport von Beta-Amyloid-Proteinen fördern. Somit entstünde ein neuer Therapieansatz, der den Verlauf der Alzheimer-Krankheit verlangsamen würde.
Einfluss von Schlafmangel auf das Gedächtnis
Ein internationales Wissenschaftlerteam hat einen Ansatz zur Behandlung von Gedächtnis- und Lernproblemen gefunden, wie sie häufig mit Schlafmangel einhergehen. In Experimenten mit Mäusen wurde ein molekularer Mechanismus im Hippocampus entdeckt ? einer für das Gedächtnis und das Lernen wichtigen zentralen Schaltstelle im Gehirn. Dieser Mechanismus wird durch Schlafmangel massiv beeinträchtigt und könnte durch gezielte Blockade eines Hilfsstoffs namens „PDE4“ wieder in Gang gesetzt werden.
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Das Enzym PDE4 baut das Molekül „cAMP“ ab. Diese Substanz benötigt das Gehirn, um neue Nervenverbindungen herzustellen, wie es beim Lernen und Speichern von Informationen der Fall ist. Bei Schlafmangel steigt die Konzentration von PDE4 und führt damit zu einem Absinken der cAMP-Konzentration. Daher wurden die Mäuse mit einer Substanz behandelt, die ihrerseits das Enzym PDE4 blockiert. Mit diesem Ansatz könnten sich künftig Medikamente entwickeln lassen, die in den cAMP-Signalweg im Gehirn stützen. Damit könnten Patienten behandelt werden, die an Schlaf- und Konzentrationsstörungen leiden.
Fettsäuresynthase und neuronale Stammzellen
Neurale Stammzellen sind nicht nur für die frühe Gehirnentwicklung verantwortlich, sie bleiben ein Leben lang aktiv. Sie teilen sich und bilden laufend neue Nervenzellen und ermöglichen es dem Gehirn, sich kontinuierlich an neue Anforderungen anzupassen. Verschiedene genetische Veränderungen beeinträchtigen die Aktivität neuraler Stammzellen und führen so bei betroffenen Menschen zu einer eingeschränkten Lern- und Gedächtnisleistung.
Ein internationales Forschungsteam hat nun erstmals gezeigt, dass ein Enzym des Fettstoffwechsels die lebenslange Aktivität von Stammzellen im Gehirn reguliert. Dieses Enzym, die sogenannte Fettsäuresynthase (FASN), ist für die Bildung von Fettsäuren zuständig. Sowohl in der Maus als auch im menschlichen Gewebe führte die FASN-Mutation zur verminderten Teilung von Stammzellen, die laufend neue Nervenzellen bilden. Verantwortlich dafür ist die Überaktivität des mutierten Enzyms: Dadurch sammeln sich Fette im Zellinnern an, was die Stammzellen unter Stress setzt und ihre Teilungsfähigkeit reduziert. Ähnlich wie die kognitiven Einbußen betroffener Menschen zeigten auch die Mäuse aufgrund der Mutation Lern- und Gedächtniseinschränkungen. Der nun identifizierte Mechanismus zeigt, wie der Fettstoffwechsel die Aktivität neuronaler Stammzellen reguliert und damit die Gehirnentwicklung beeinflusst.
NOX5 und die Folgen eines Schlaganfalls
Nach einem Schlaganfall muss das Gehirn wieder durchblutet werden - das Blutgerinnsel wird entweder durch Medikamente aufgelöst oder mechanisch entfernt. Dabei steigt als erstes Anzeichen der Calcium-Spiegel im Blut stark an. Die Forscher haben deshalb nach einem Enzym gesucht, das durch Calcium aktiviert wird und sind dabei auf NOX5 aufmerksam geworden.
Je stärker NOX5 aktiv ist, desto mehr freie Sauerstoffradikale entstehen, die in hoher Konzentration das umliegende Gewebe schädigen. Sie lassen zudem die Blut-Hirn-Schranke zusammenbrechen, die das Gehirn vor Blutbestandteilen wie Immunzellen schützt. Wenn man während der Wiederdurchblutung NOX-Hemmer einsetzt, könnten möglicherweise mehr Komplikationen verhindert werden.
Mitochondrien und Energieversorgung des Gehirns
Damit die Kommunikation zwischen den Nervenzellen reibungslos abläuft, sind diese auf eine konstante und zuverlässige Energieversorgung angewiesen. Diese Energie wird in Form von ATP (Adenosintriphosphat) bereitgestellt - und zwar direkt in den Mitochondrien, die in fast jeder unserer Zellen vorkommen. Im Gehirn sind Mitochondrien besonders zahlreich vertreten: In einigen Neuronen finden sich mehrere Tausend Mitochondrien pro Zelle, um den hohen Energiebedarf zu decken.
Die Aufgaben der Mitochondrien im Gehirn gehen dabei weit über die bloße Energieproduktion hinaus. Sie regulieren auch den Kalziumhaushalt, steuern zelluläre Stressreaktionen, sind an der Bildung von Neurotransmittern beteiligt und spielen eine Rolle bei der „Zellentsorgung“ geschädigter Strukturen. Kurz gesagt: Ohne gesunde Mitochondrien kann dein Gehirn nicht klar denken.
Die wichtigste Methode, mit der Mitochondrien Energie herstellen, nennt sich oxidative Phosphorylierung. Dabei werden Nährstoffe aus deiner Nahrung - vor allem Zucker (Glukose) und Fette - Schritt für Schritt in Energie umgewandelt. Dafür nutzen die Mitochondrien eine Art „biochemisches Förderband“, an dessen Ende ATP entsteht.
Damit die Enzyme arbeiten können, brauchen sie Helferstoffe wie B-Vitamine, Magnesium oder Zink. Die Mitochondrien besitzen spezielle Membranen, die helfen, den Energiefluss zu kontrollieren. Bei der Energieherstellung entstehen auch sogenannte reaktive Sauerstoffverbindungen (ROS) - also Abfallprodukte, die die Mitochondrien selbst schädigen können.
Wenn einer dieser Faktoren gestört ist - durch Dauerstress, Schlafmangel, Entzündungen oder Nährstoffmangel - arbeiten deine Mitochondrien weniger effizient. Die Folge: Dein Gehirn hat weniger Energie zur Verfügung. Unser Gehirn reagiert besonders sensibel auf Energiemangel. Anders als andere Organe kann es Energie nicht in nennenswertem Umfang speichern - es ist also auf eine stetige ATP-Versorgung aus den Mitochondrien angewiesen.
Damit deine Nervenzellen im Alltag leistungsfähig bleiben, brauchen sie mehr als nur Kalorien - sie brauchen gezielte Mikronährstoffe, die deine Mitochondrien dabei unterstützen, ausreichend ATP zu produzieren. Allen voran stehen die B-Vitamine (B1, B2, B3, B5, B6, B7, B9 und B12): Sie fungieren als Coenzyme in der Atmungskette und im Citratzyklus - also genau dort, wo deine Zellen aus Nährstoffen Energie gewinnen. Auch Magnesium spielt eine zentrale Rolle. Es aktiviert über 300 Enzyme im Körper - viele davon sind direkt an der Bildung und Freisetzung von ATP beteiligt. Cholin, das unter anderem in Sojalecithin enthalten ist, ist wichtig für die Bildung von Acetylcholin - einem Neurotransmitter, der Konzentration, Aufmerksamkeit und Lernfähigkeit direkt beeinflusst. Zink schützt deine Mitochondrien vor oxidativem Stress. Aminosäuren wie Taurin, Glycin, L-Tyrosin und L-Theanin sowie eine moderate Menge Koffein wirken zusätzlich auf die Neurotransmitter-Balance.
Eine ausgewogene, nährstoffreiche Ernährung bildet die Grundlage für einen gesunden Energiestoffwechsel im Gehirn - viele der genannten Mikronährstoffe und bioaktiven Substanzen lassen sich auch darüber gezielt zuführen. Es ist wichtig, auf eine ausgewogene, vitalstoffreiche Ernährung mit ausreichend B-Vitaminen, Magnesium, Cholin und sekundären Pflanzenstoffen zu achten. Chronischer Stress schädigt Mitochondrien nachhaltig. Ausreichender Schlaf, erholsame Rituale und digitale Pausen sind kein Luxus, sondern Voraussetzung für mentale Klarheit.
Dnmt3a2 und Gedächtnisverbesserung
Ein bestimmtes Enzym kann das Gedächtnis verbessern - zumindest bei Mäusen. Dnmt3a2 ist ein "epigenetischer Regulator". Er modifiziert die DNA so, dass sie bestimmte Proteine verstärkt herstellt, die ihrerseits die Erinnerung beeinflussen. Das Enzym spielt aber nicht nur eine entscheidende Rolle beim Erinnern, sondern auch beim Vergessen. Auf diese Weise ließen sich womöglich auch posttraumatische Belastungsstörungen (Posttraumatic Stress Disorder, PTSD) bei Menschen besser behandeln.
Die Dnmt3a2-Ergebnisse könnten auch bei der Herstellung neuer Medikamente gegen verschiedene Alterserkrankungen helfen, die mehr und mehr Menschen plagen. Denkbar wäre auch die Behandlung von Angststörungen mit dem neuen Ansatz. Dabei ließen sich neue Medikamente, die die Produktion oder Aktivität des Enzyms steigern, mit der Konfrontationstherapie kombinieren.