Einführung
Das Gehirn ist ein komplexes Organ, das durch die Aktivität von Milliarden von Nervenzellen gesteuert wird. Diese Nervenzellen, auch Neuronen genannt, kommunizieren miteinander über Synapsen. Die synaptische Plastizität, also die Fähigkeit der Synapsen, ihre Stärke im Laufe der Zeit zu verändern, ist ein grundlegender Mechanismus für Lernen und Gedächtnis. Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie das Gehirn die synaptische Plastizität steuert, insbesondere im Zusammenhang mit der räumlichen Anordnung und dem Wettbewerb zwischen benachbarten Synapsen.
Die Rolle der Dendriten und Spines
Nervenzellen empfangen Tausende von synaptischen Signalen über ihre Dendriten, die als „Antennen“ der Zelle fungieren. Dauerhafte Veränderungen in der synaptischen Stärke korrelieren mit Veränderungen in der Größe dendritischer Dornfortsätze, den sogenannten Spines. Diese Spines sind pilzförmige Vorwölbungen an den Nervenzellen, die synaptische Verknüpfungen verstärken können.
Wettbewerb und Koordination zwischen Synapsen
Eine aktuelle Studie legt eine neue Sichtweise nahe, wie benachbarte Synapsen ihre Reaktion auf Plastizitätssignale koordinieren. Forschende aus Bonn und Japan haben herausgefunden, dass die gemeinsame Nutzung von Proteinen und Calcium die synaptische Plastizität zu einer kollektiven Aktion macht, bei der das Verhalten einer Synapse beeinflusst, wie die anderen reagieren können.
Prof. Tatjana Tchumatchenko vom Universitätsklinikum Bonn (UKB) erklärt: „Wenn mehrere Synapsen gleichzeitig potenzieren möchten und nahe beieinanderliegen, konkurrieren sie miteinander, sodass jede Synapse weniger stark potenziert, als wenn sie alleine wäre. Andererseits kann die gleichzeitige Potenzierung weniger Synapsen durch den Überlauf aktivierter Ressourcen die Plastizität anderer Synapsen erleichtern.“
Experimentelle Untersuchung der synaptischen Plastizität
Die Forschenden setzten die Freisetzung von Glutamat, einem wichtigen erregenden Botenstoff im Gehirn, in Verbindung mit computergestützten Modellen ein, um die molekularen Prozesse der Plastizität mehrerer Spines zu untersuchen. Dr. Thomas Chater vom RIKEN Center for Brain Science in Japan erklärt: „Die Glutamat-Freigabe ermöglicht eine präzise Manipulation ausgewählter Synapsen, was uns erlaubt hat, genau zu beobachten, wie viele Synapsen sich potenzieren und in welchem Ausmaß.“
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Dr. Maximilian Eggl, der bis vor kurzem als Postdoc der Universität Bonn am UKB forschte, ergänzt: „Diese Daten ermöglichten uns, ein Modell zu entwerfen und seine Parameter an einem Set von drei stimulierten Dornfortsätzen, also Spines, anzupassen, um dann vorherzusagen, wie sich sieben oder fünfzehn Dornfortsätze verhalten würden.“
Räumliche Anordnung und Gedächtnis
Die Studienleiterinnen Prof. Tchumatchenko und Prof. Goda waren besonders überrascht von dem Ausmaß der Konkurrenz unter benachbarten Dornfortsätzen, die in den ersten zwei bis drei Minuten nach der Auslösung der Plastizität am stärksten war und die Richtung und das Ausmaß der Plastizität beeinflusste.
Prof. Goda erklärt: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die räumliche Anordnung gleichzeitig stimulierter Synapsen die Dynamik des Wachstums oder Schrumpfens von Spines erheblich beeinflusst, was darauf hindeutet, dass mehrere auf demselben Dendriten gespeicherte Erinnerungen einander beeinflussen könnten.“
Die Rolle der Astrozyten bei der dendritischen Integration
Neben den Neuronen spielen auch Gliazellen, insbesondere Astrozyten, eine wichtige Rolle bei der dendritischen Integration synaptischer Aktivität. Prof. Dr. Christian Henneberger vom Universitätsklinikum Bonn erklärt: „Wir konnten zeigen, dass die sogenannten Astrogliazellen oder Astrozyten bei dieser Integration eine wesentliche Rolle spielen.“
Die Forschenden haben in ihrer Studie Neuronen im Hippocampus von Nagetieren unter die Lupe genommen, einer Region im Gehirn, die bei Gedächtnis-Prozessen eine zentrale Rolle spielt. Dr. Kirsten Bohmbach erläutert: „Wenn an vielen benachbarten Synapsen zur selben Zeit Signale eingehen, dann bildet sich im Dendrit ein starker Spannungspuls - ein sogenannter dendritischer Spike. Dieser Vorgang ist es, den wir als dendritische Integration bezeichnen: Nur wenn eine ausreichende Anzahl von Synapsen gleichzeitig aktiv ist, entsteht der Spike.“
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Die Studie zeigte, dass Astrozyten durch die Freisetzung von D-Serin die Entstehung und Stärke dendritischer Spikes beeinflussen, was wiederum die Speicherung und Wiedererkennung von Orten im Hippocampus beeinflusst.
Neuronale Stammzellen und die Entwicklung des Gehirns
Die Entwicklung des Gehirns ist ein komplexer Prozess, der von neuronalen Stammzellen gesteuert wird. Diese Stammzellen sind der Grundbaustein für unser Gehirn und müssen bei dessen Entwicklung enorme Aufgaben bewältigen.
Laura Stappert und ihre Kollegen haben zwei Faktoren untersucht, die die Entwicklung der neuralen Stammzellen strikt kontrollieren: den Notch-Signalweg und die Mikro-RNA 9. Diese beiden Faktoren wirken wie Gas und Bremse im Auto und steuern gemeinsam die Geschwindigkeit der Entwicklung von der Stammzelle zur Nervenzelle.
Die Bedeutung von Neuronen und Gliazellen
Im Gehirn gibt es zwei wichtige Zellpopulationen: Neurone und Gliazellen. Neurone sind für die Signalübertragung verantwortlich, während Gliazellen die Neurone unterstützen und ihre Umgebung regulieren.
Oligodendroglia, eine Art von Gliazellen, ummanteln die Axone von Neuronen und beschleunigen dadurch die Reizweiterleitung. Astrozyten regulieren das chemische Milieu im extrazellulären Raum und beeinflussen die Funktionen der benachbarten Zellen.
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Die Blut-Hirn-Schranke
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist eine physiologische Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem Zentralnervensystem. Sie schützt das Gehirn vor Krankheitserregern und Giftstoffen, erschwert aber auch den Transfer von Neurotransmittern und Wirkstoffen, mit denen Ärzte eine neurobiologische Erkrankung behandeln wollen.
Energieverbrauch und Gehirnkapazität
Der Energieverbrauch im Gehirn ist enorm hoch. Fast ein Viertel des Gesamtenergiebedarfs des Körpers entfällt auf das Gehirn. Die Gehirnkapazität ist deutlich größer als die, die wir im Alltag tatsächlich nutzen. Das bedeutet: Ein Großteil unserer Gehirnkapazität ist ungenutzt.
Wie das Gehirn funktioniert
Ein reibungsloses Funktionieren aller Organe und Gewebe im Körper sowie ein sinnvolles Verhalten sind nur möglich, wenn alle Organfunktionen von einer übergeordneten Kontrollinstanz koordiniert und kontrolliert werden und alle Informationen, die uns die Umwelt liefert, aufgenommen, verarbeitet und beantwortet werden. Diese Aufgabe leistet unser Gehirn, das Netzwerk aus Milliarden von Nervenzellen (Neuronen).
Die Gehirnzellen sind durch Synapsen, Kontaktstellen zwischen den Zellen, miteinander verbunden. Diese Kontaktstellen spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung der Nachrichten. Informationen aus dem Körper oder der Umwelt gelangen etwa in Form von Hormonen über das Blut oder als elektrische Impulse aus den Sinneszellen über Nervenbahnen bis ins Gehirn. Dort werden sie bewertet und verarbeitet. Als Reaktion werden entsprechende Signale vom Gehirn wieder ausgesendet - zum Beispiel an Muskeln, um sich zu bewegen, an Drüsen, um Sekrete zu produzieren und abzugeben, oder an Sinnesorgane, um Reize aus der Umwelt zu beantworten.
Ermüdungsfreie Signalübertragung im Gehirn
Die etwa 100 Milliarden Nervenzellen unseres Gehirns sind erstaunliche Wunderwerke der Biologie. Die Anzahl der zwischen Nervenzellen ausgetauschten Signale variiert aktivitätsabhängig in vielen Hirnbereichen von nur einigen wenigen bis zu über 100 pro Sekunde. Einige Nervenzellen können sogar weit über 1000 Signale pro Sekunde übertragen - und das oft ausdauernd über längere Zeiträume.
Neurobiologen haben sich lange gefragt, wie eine solche ermüdungsfreie Signalübertragung ermöglicht wird. Die Herausforderung, vor der Nervenzellen dabei stehen, wird deutlich, wenn man sich veranschaulicht, dass ihr Informationsaustausch auf einem hoch komplexen zellbiologischen Mechanismus basiert: Nervenzellen kommunizieren miteinander an spezialisierten Zell-Zell-Kontakten, sogenannten Synapsen. Wird eine sendende Nervenzelle erregt, schüttet sie Neurotransmitter aus. Diese Signalmoleküle binden an Rezeptoren auf der Zellmembran von empfangenden Nervenzellen und beeinflussen so deren Aktivitätszustand.
Hauptakteure in diesem Prozess sind synaptische Vesikel, kleine von einer Membran umhüllte Bläschen, die mit Neurotransmitter-Molekülen beladen sind und diese durch Verschmelzung mit der Zellmembran freisetzen. Um auch bei hochfrequenter und langanhaltender Reizung dauerhaft Neurotransmitter freisetzen zu können, müssen Nervenzellen permanent neue schnell freisetzbare Vesikel zur Verfügung stellen. Der Prozess dieser Vesikelbereitstellung ist eigentlich vergleichsweise langsam, muss aber bei entsprechendem Bedarf schnell um mehr als das Zehnfache beschleunigt werden - unter Umständen auf tausende neue freisetzbare Vesikel pro Sekunde.
Stimulation von Munc13
Wie Nervenzellen das bewerkstelligen und wie der zu Grunde liegende Prozess der Vesikelbereitstellung reguliert wird, war lange unbekannt. "Unsere Arbeitsgruppe hat bereits vor über 20 Jahren einen Eiweißbaustein entdeckt, der für die Vesikelbereitstellung an Synapsen verantwortlich ist", erklärt Holger Taschenberger. "Unsere neue Studie zeigt, dass dieses Munc13 genannte Protein durch dieselben intrazellulären Signale stimuliert wird, die auch die eigentliche Freisetzung von Neurotransmittern steuern."
Die elektrische Reizung von Nervenzellen führt zum Einstrom von Kalziumionen, die an der Synapse die Fusion der mit Neurotransmittern beladen Vesikel auslösen. Ist eine Nervenzelle kontinuierlich aktiv, wirkt sich ihr erhöhter intrazellulärer Kalziumspiegel auch auf die Munc13-Proteine aus. "Unsere Experimente zeigen, dass Munc13-Proteine bei erhöhtem Kalziumspiegel an die Zellmembran binden. Diese biochemische Aktivierung von Munc13 beschleunigt die Rate, mit der neue schnell freisetzbare Vesikel bereitgestellt werden", fasst Noa Lipstein ihre Ergebnisse zusammen. "So können Synapsen auch über längere Zeiträume und bei hochfrequenter Aktivität zuverlässig funktionieren. Blockiert man dagegen diesen Regulationsmechanismus, arbeiten Synapsen ungenauer, ermüden stärker in Phasen langanhaltender Belastung und erholen sich im Anschluss daran langsamer."
Lipstein und Taschenberger sind überzeugt, einen wichtigen Schlüsselmechanismus entdeckt zu haben, der die Signalverarbeitung im Gehirn bestimmt: "Wir haben jetzt für zwei Hirnregionen gezeigt, wie kritisch dieses Regulationsprinzip für die Funktion von Nervenzellnetzwerken ist - für das Richtungshörsystem und den Hippokampus, der Lern-und Gedächtnisleitungen steuert - und wir erwarten, dass andere Hirnregionen ähnliche Mechanismen nutzen, um ihre Rechenleistung zu optimieren", meint Lipstein. Zusammen mit Holger Taschenberger und Nils Brose will sie nun untersuchen, wie sich der neu entdeckte Regelprozess auf Hirnfunktion und Verhalten auswirkt. Die Vorhersage der theoretischen Neurowissenschaften ist, dass die durch Munc13 regulierten Synapseneigenschaften so grundverschiedene Schlüsselprozesse wie Arbeitsgedächtnis, Richtungshören oder die Anpassung von Sinnessystemen an wechselnde Reize kontrollieren.
Neurodegenerative Erkrankungen und das Kleinhirn
Wenn ein bestimmtes Protein im Kleinhirn fehlt, führt dies dort zur Degeneration der wichtigsten Zellen und zu unheilbaren Hirnerkrankungen. Eine solche fortschreitende neurodegenerative Erkrankung ist die so genannte spinozerebelläre Ataxie. Sie führt zu Bewegungsstörungen und nach weiteren Symptomen schließlich zum Tod.
Ein Team um Prof. Smita Saxena vom Institut für Zellbiologie der Universität Bern hat einen zellulären Mechanismus entdeckt, der zur Degeneration dieser Purkinje-Zellen beiträgt und damit einen vielversprechenden Ansatz zur Entwicklung einer Therapie bietet. Sie fanden heraus, dass das Protein Homer-3, das bei der Verbindung der Purkinje-Zellen eine zentrale Funktion einnimmt, vermindert vorhanden war. Mithilfe einer Gentherapie erhöhten sie den Gehalt von Homer-3 in Purkinje-Zellen, wodurch die Symptome abgeschwächt und der Krankheitsverlauf verzögert wurden.
Diese Erkenntnis könnte laut Smita Saxena auch für andere neurodegenerative Krankheiten wie Autismus oder geistige Behinderungen von Bedeutung sein, da diese ebenfalls mit Störungen dieses spezifischen Signalwegs im Zusammenhang stehen.
Sensorisches und motorisches Nervensystem
Über das Nervensystem tritt der Mensch in Kontakt mit seiner Umwelt. So nehmen beispielsweise Augen, Ohren, Nase, Zunge und Sensoren in der Haut, wie beispielsweise Temperatur- und Berührungssensoren, Reize aus der Umwelt wahr und leiten sie weiter zum Zentralnervensystem. Auch Informationen über den Zustand des eigenen Organismus, wie z.B. die Stellung des Körpers oder Hunger und Durst, werden registriert. Dieser Teil des Nervensystems wird als sensorisches Nervensystem bezeichnet.
Dem gegenüber steht das motorische Nervensystem. Mit ihm reagiert der Organismus auf Signale aus seiner Umgebung oder vom Körper selbst. So steuert das motorische Nervensystem die Muskulatur und ermöglicht uns damit, Handlungen auszuführen und sich in der Umwelt zu bewegen.
Vegetatives Nervensystem
Neben dem willkürlichen Nervensystem hat das Nervensystem aber auch Aufgaben, die wir nicht bewusst kontrollieren können. Jeder kennt die Situation: Beim Sport oder in Stresssituationen erhöht sich automatisch der Herzschlag, die Atmung wird schneller und man beginnt zu schwitzen. Verantwortlich dafür ist das vegetative Nervensystem, das auch als autonomes oder unwillkürliches Nervensystem bezeichnet wird, weil es nicht unserem Willen unterworfen ist.
Das vegetative Nervensystem kontrolliert die Muskulatur aller Organe, regelt also lebenswichtige Körperfunktionen wie Herztätigkeit, Atmung, Kreislauf, Stoffwechsel, Verdauung, Ausscheidung, Schweißbildung, Körpertemperatur und Fortpflanzung. Außerhalb von Gehirn und Rückenmark besteht es aus dem Sympathikus und seinem Gegenspieler, dem Parasympathikus.
Die Rolle der verschiedenen Hirnabschnitte
Das Gehirn ist die Informationszentrale unseres Körpers. Hier werden Informationen aus der Umwelt und über den Zustand des Organismus zusammengetragen und zu Reaktionen weiterverarbeitet. Der am höchsten entwickelte Abschnitt des Gehirns ist das Großhirn mit der Großhirnrinde. Hier liegen die Verarbeitungszentren für Signale, die von den Augen (Sehrinde), den Ohren (Hörzentrum) und anderen Sinnesorganen kommen.
Die weiteren Abschnitte des Gehirns sind Zwischenhirn, Mittelhirn, Kleinhirn und Nachhirn. Im Zwischenhirn werden beispielsweise vegetative Funktionen wie Körpertemperatur, das Hunger- und Durstgefühl sowie das Sexualverhalten gesteuert. Das Mittelhirn steuert u.a. den Wach-Schlaf-Rhythmus und kann die Aufmerksamkeit auf bestimmte Sinneseindrücke lenken. Verantwortlich für den richtigen Ablauf aller Körperbewegungen ist das Kleinhirn. Mit dem Nachhirn grenzt das Gehirn an das Rückenmark. Hier werden die Atmung, der Kreislauf und viele Abläufe in den Organen gesteuert.
Signalübertragung zwischen Nervenzellen
Die Aufgabe der Nervenzellen besteht darin, Signale aufzunehmen und an andere Nervenzellen oder Muskel- und Drüsenzellen weiterzuleiten. Entlang einer Nervenzelle werden die Signale elektrisch fortgeleitet. Die Kontaktstelle zwischen 2 Nervenzellen ist die Synapse. Hier erfolgt die Übertragung des elektrischen Signals von einer Nervenzelle zur nächsten mit Hilfe von Botenstoffen, die auch als Transmitter bezeichnet werden.
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