Der Verlust von Nervenzellen im Gehirn ist ein natürlicher Bestandteil des Alterungsprozesses. Mit zunehmendem Alter steigt jedoch auch das Risiko für neurodegenerative Erkrankungen, bei denen der Abbau von Nervenzellen beschleunigt wird. Dieser Artikel beleuchtet die Ursachen für das Absterben von Gehirnzellen und zeigt Möglichkeiten auf, wie dieser Prozess verlangsamt oder verhindert werden kann.
Neurodegenerative Erkrankungen: Eine wachsende Herausforderung
Der Anteil älterer Menschen an der Bevölkerung nimmt in Deutschland stetig zu. Daher stellen neurodegenerative Erkrankungen, die eng mit den Alterungsprozessen verbunden sind, eine wichtige medizinische Herausforderung der kommenden Jahrzehnte dar. Experten schätzen, dass bereits heute rund 1,5 Millionen Deutsche an einer Demenz erkrankt sind. Neben der Parkinson-Erkrankung und verschiedenen Demenzformen gibt es eine ganze Reihe weiterer neurodegenerativer Erkrankungen.
Die Anfälligkeit von Nervenzellen
Die Nervenzellen des Gehirns sind einerseits sehr langlebig, andererseits können sie sich bei Verletzungen nicht oder nur schwer regenerieren. Was letztlich zur Neurodegeneration, also dem Absterben der Nervenzellen führt, ist je nach Krankheit unterschiedlich und bisher oft nur teilweise bekannt.
Genetische Ursachen
Bei bestimmten Formen der Parkinson-Erkrankung oder der Creutzfeldt-Jacob-Erkrankung beispielsweise kommt es als Folge einer genetischen Besonderheit zu einer Zusammenlagerung von Eiweißstoffen in den Nervenzellen des Gehirns. Diese Aggregate beeinträchtigen die Funktion der Zellen und führen schließlich zu ihrem Tod. Bei Menschen mit Huntington-Erkrankung tritt eine ganz bestimmte genetische Sequenz im Erbgut sehr viel häufiger auf als bei gesunden Menschen.
Die Rolle des Immunsystems
Neuere wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen, dass auch unser Immunsystem Auswirkungen auf die Entstehung und den Verlauf neurodegenerativer Erkrankungen haben kann. Immunzellen, die den Körper eigentlich schützen sollen, könnten im Gehirn Schäden anrichten und so beispielsweise die Alzheimer-Krankheit antreiben.
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Selektiver Zelltod
Charakteristisch für neurodegenerative Erkrankungen ist, dass meist nicht das ganze Gehirn betroffen ist, sondern unterschiedliche, oft sehr genau umschriebene Bereiche beziehungsweise Zelltypen. Bei der Parkinson-Erkrankung beispielsweise sind ausschließlich Nervenzellen betroffen, die den Botenstoff Dopamin produzieren. Dopamin wird für die Bewegungssteuerung benötigt. Die entsprechenden Nervenzellen haben eine koordinierende Funktion. Folglich wirken Parkinson-Patientinnen und -Patienten in ihren Bewegungsabläufen steif und verlangsamt, oder sie zeigen sehr charakteristische Bewegungsmuster, etwa Muskelzittern (Tremor). Auch die Huntington-Erkrankung betrifft Nervenzellen, die an der Steuerung von Bewegungsabläufen beteiligt sind. In diesem Fall produzieren die absterbenden Nervenzellen den Botenstoff Glutamat. Die betroffenen Menschen zeigen ausladende Bewegungen, die wie ein Tanz wirken können. Bei der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) wiederum gehen selektiv sogenannte Motoneurone zugrunde. Das sind Nervenzellen, die das Gehirn mit der Muskulatur verbinden. Wenn Motoneurone sterben, dann kann das Gehirn die Muskeln nicht mehr „ansteuern“.
Schlaganfall: Ein Wettlauf gegen die Zeit
Alle drei Minuten erleidet irgendwo in Deutschland ein Mensch einen Schlaganfall. Ursache kann eine Hirnblutung oder ein Hirninfarkt sein, bei dem ein Blutgefäß durch ein Gerinnsel verstopft wird und das Gehirnareal dahinter von der Sauerstoffversorgung abschneidet. Der Schlaganfall ist in Deutschland nach Herzproblemen die zweithäufigste Todesursache und bei Erwachsenen der häufigste Grund für eine bleibende Behinderung.
"Time is brain": Jede Minute zählt
Wenn Menschen einen Schlaganfall erleiden, zählt jede Sekunde. Denn das Massensterben von Nervenzellen schreitet in rasendem Tempo voran. Direkt nach einem Hirninfarkt durch Verschluss eines großen Gefäßes sterben jede Minute rund 1,9 Millionen Nervenzellen ab, 14 Milliarden Synapsen und 12 Kilometer Nervenfasern. Im Vergleich zum normalen Alterungsprozess lässt dieses Massensterben das Gehirn pro Stunde um 3,6 Jahre altern.
Die Kettenreaktion des Zelltods
Eine unrühmliche Rolle spielt dabei der erregende Botenstoff Glutamat. Bei einem Schlaganfall allerdings können die Astrozyten durch die mangelnde Energieversorgung nicht genügend Glutamat aufnehmen. In der Folge sammelt sich Glutamat um die Nervenzellen herum an, die dadurch dauerhaft übererregt sind. Dann strömt übermäßig viel Kalzium in die Zelle ein. Ist dieser Einstrom zu stark, setzt ein zelluläres Programm ein, das den Zelltod auslöst. Die Nervenzellen sterben also ab.
Die Bedeutung der Stroke Unit
Mittlerweile wurde der 53-jährige in eine Stroke Unit gebracht, eine auf Schlaganfälle spezialisierte Abteilung. Nun läuft die Uhr auch für die behandelnden Ärzte. Sie überwachen akribisch Werte wie die Körpertemperatur, Atemfunktion und den Blutdruck. Die sogenannte Stroke Unit-Therapie trägt am meisten dazu bei, die Sterblichkeit, aber auch spätere Behinderungen zu verringern. Mit dem FAST-Test können auch medizinische Laien in kürzester Zeit typische Schlaganfall-Symptome wie halbseitige Gesichtslähmung, Lähmungserscheinungen einer Körperseite und Sprechstörungen überprüfen.
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Entzündungsreaktionen als Kollateralschaden
In den Tagen und Wochen nach dem Schlaganfall kommt es zu Kollateralschäden. Im Zuge des Schlaganfalls wandern Immunzellen wie T-Zellen aus dem Blut in das Gehirn ein. Sie sammeln sich zusammen mit Immunzellen des Gehirns (Mikrogliazellen) an der Stelle des geschädigten Gewebes an. Diese verzögerten Zellschäden spürt der Patient vor allem daran, dass er sich nicht gut von seinem Schlaganfall erholt. Nach Wochen oder sogar Monaten können die Entzündungsreaktionen sogar zu einer verzögerten Neurodegeneration führen.
Neuroplastizität: Die Reparaturzentrale des Gehirns
Schäden im Gehirn sind fatal, doch zum Glück kann sich unser Denkorgan selbst helfen. Der Prozess der Neuroplastizität ermöglicht es Nervenzellen, sich neu zu organisieren und geschädigte Funktionen zu kompensieren. Doch es gibt auch Grenzen. Ein Neuron kommuniziert über Synapsen mit etwa 10 000 anderen Nervenzellen.
Wie das Gehirn Ausfälle kompensiert
Ausgerechnet eine Hirnschädigung versetzt das Organ in einen höchst formbaren Zustand. Während die Hirnrinde zunächst weniger aktiv ist, steigt die Erregbarkeit vor allem in bestimmten Regionen, die an der Neuorganisation der geschädigten Gebiete beteiligt sind. Dabei findet die Reorganisation meist in Arealen statt, die entweder ähnliche Aufgaben erfüllen wie der geschädigte Bereich oder in räumlicher Nähe dazu liegen. Wird zum Beispiel durch einen Schlaganfall ein Areal geschädigt, das die Hand steuert, können Nervenzellen aus den angrenzenden Arealen die verloren gegangenen Funktionen übernehmen. Ist ein Hirnschaden relativ klein, kann das Gehirn ihn durch die neue Verkabelung meist recht gut aus eigener Kraft beheben. Bei größeren Läsionen, die weite Teile einer Hirnhälfte betreffen, ist das allerdings nicht mehr möglich, da es keine direkt benachbarten oder funktionell verwandten Schaltkreise mehr gibt. In dem Fall kann das Gehirn aber womöglich auf die andere, noch gesunde Hirnhälfte zurückgreifen.
Faktoren, die die Kompensation beeinflussen
Wie gut eine Funktion von anderen Regionen übernommen werden kann, hängt von verschiedenen Faktoren ab: dem Ausmaß der Verletzung, dem Ort des Geschehens und dem zeitlichen Verlauf von Schädigung und Reha. Kleine Schäden könne das Gehirn vor allem dann kompensieren, wenn sie langsam auftreten, berichtet Christian Grefkes-Hermann. Das zeige sich an neurodegenerativen Krankheiten wie Parkinson, bei denen Nervenzellen schleichend absterben.
Magnetstimulation und intelligente Orthesen
Der Neurologe und sein Team setzen auf ein technologisches Verfahren, um die Reparatur des Gehirns nach einem Schlaganfall oder einer Hirnblutung zu unterstützen: die Stimulation mit Magnetfeldern. Das magnetische Feld einer Magnetspule bewirkt im Nervensystem einen Stromfluss. Damit lassen sich ausgewählte Areale aktivieren oder hemmen, was die Hirnregeneration in die richtigen Bahnen lenkt. Am Universitätsklinikum Tübingen versucht ein Team am Institut für Neuromodulation und Neurotechnologie, die Neuroplastizität mit intelligenten Orthesen zu unterstützen. Sie sollen etwa Menschen mit gelähmten Händen helfen.
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Aktives Training und äußere Reize
Sich einfach eine Magnetspule an den Kopf zu halten, reicht allerdings nicht aus, um sich von einem Schlaganfall zu erholen. Die Stimulation von außen regt das Hirn zwar an und versetzt es in einen Lernmodus. Neue Verknüpfungen entstehen aber nur, wenn die verloren gegangenen Fähigkeiten immer wieder geübt werden. Die Reha der Zukunft könnte deshalb vielleicht so aussehen, dass vor jeder Physiotherapie- oder Logopädieeinheit eine drei- bis zehnminütige Magnetstimulation steht, um die Patientin oder den Patienten in einen lernfähigen Zustand zu versetzen. Danach, so die Hoffnung, kann das Training besser wirken. Auch Erholungsphasen sind dabei wichtig, denn guter Schlaf verbessert die Neuroplastizität ebenfalls - und damit den Rehabilitationserfolg.
Karte des Hirnverschleißes: Welche Zellen altern schneller?
Wenn unser Körper altert, verschleißen nicht nur Gelenke, Knochen und Muskeln, sondern auch unser Nervensystem. Nervenzellen sterben ab, werden nicht mehr in vollem Maße ersetzt und das Gehirn schrumpft. Das hat ein Team um Kelly Jin vom Allen Institute for Brain Science in Seattle nun genauer untersucht. Dafür verglichen die Neurowissenschaftler, was im Gehirn von zwei Monate „jungen“ und 18 Monate „alten“ Mäusen vor sich geht.
Gliazellen als empfindliche Zelltypen
Dabei zeigte sich, dass manche Hirnzellen empfindlicher sind und schneller altern als andere. Bei den älteren Mäusen wiesen diese Zellen ein deutlich anderes Muster der Genaktivität auf als bei den jungen Tieren und der Kontrast war stärker als bei anderen Hirnzellen. Die meisten dieser empfindlichen Zelltypen waren Gliazellen, die als Stützzellen des Gehirns bekannt sind.
Alterungs-Hotspot im Hypothalamus
An einer bestimmten Stelle des Gehirns, angrenzend an den dritten Ventrikel des Hypothalamus, traten diese beiden Effekte sogar zusammen auf. An dieser Drehschreibe fanden die Forschenden auch Zelltypen mit stark veränderter Genaktivität - darunter Tanyzyten, Ependymzellen und Neuronen -, die für den Nährstoff- und Energiestoffwechsel wichtig sind. Jin und ihre Kollegen schließen daraus, dass die Alterung des Gehirns auch mit der Ernährung und anderen Lebensstilfaktoren wie Schlaf zusammenhängen könnte.
Ursachenforschung und Therapieansätze
Das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e. V. (DZNE) erforscht die Ursachen von Störungen des Nervensystems und entwickelt Strategien zur Prävention, Therapie und Pflege bei Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Amyotrophe Lateralsklerose (ALS). Dabei kooperiert es eng mit Universitäten, deren Kliniken und außeruniversitären Einrichtungen auf nationaler und internationaler Ebene.
Proteinaggregate im Visier
In Hirnzellen von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen können Mediziner und Forscher unter dem Mikroskop Proteinverklumpungen sehen, die auch Aggregate genannt werden. Wissenschaftler um Mark Hipp und Ulrich Hartl vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried haben jetzt gezeigt, dass der Ort der Proteinaggregate innerhalb der Zelle ihr Überleben stark beeinflusst. Während Aggregate im Zellkern die Zellfunktion kaum beeinträchtigen, stören die Verklumpungen im Zellplasma wichtige Transportwege zwischen Zellplasma und Zellkern.
Verhalten sich Nervenzellen wie Tumorzellen?
Leipziger Wissenschaftler entdeckten, dass auch Nervenzellen zumindest versuchen sich zu teilen. In Gehirnzellen von Alzheimer-Patienten entdeckte er drei oder gar vier DNA-Stränge. Hinweis auf eine beginnende Zellteilung, bei der das Erbgut zunächst verdoppelt werden muss. Doch bei Nervenzellen ist eine Teilung ausgeschlossen. " Und an diesem Dilemma, des begonnenen Zellteilungsprozesses und dem gleichzeitigen Unvermögen diesen Prozess zu vollenden, sterben sie offensichtlich.
Spinale Muskelatrophie: Eine genetisch bedingte Erkrankung
Die spinale Muskelatrophie, kurz SMA, ist eine genetisch bedingte neuromuskuläre Erkrankung, bei der bestimmte Nervenzellen im Rückenmark nicht gut funktionieren. Betroffen sind vor allem die sogenannten Motoneuronen im Vorderhorn des Rückenmarks. Diese Nervenzellen steuern jene Muskeln, die wir bewusst bewegen - etwa in Armen, Beinen oder beim Schlucken und Atmen.
Ursache und Diagnose
Ursache der spinalen Muskelatrophie ist eine genetische Veränderung, die vererbt wird. Betroffen sind Kinder, die von beiden Eltern ein entsprechende Genvariante erhalten haben. Seit Oktober 2021 gehört die Untersuchung auf SMA in Deutschland zum erweiterten Neugeborenenscreening.
Behandlungsmöglichkeiten
Es gibt mehrere Therapien, die gezielt an der Ursache der spinalen Muskelatrophie ansetzen - dem Mangel an SMN-Proteinen. In der Europäischen Union zugelassen ist zum Beispiel unter bestimmten Voraussetzungen eine Gentherapie mit dem Wirkstoff Onasemnogen abeparvovec. Zwei andere, häufig eingesetzte Behandlungen setzen auf die Wirkstoffe Nusinersen und Risdiplam.
Vorbeugung und Risikofaktoren
Was sind Auslöser eines Schlaganfalls?Dr. Glumm: Die Gefahr eines Schlaganfalls ist bei Menschen mit den Risikofaktoren Bluthochdruck, Zuckererkrankung und Vorhofflimmern besonders hoch.
Wie kann ich einen Schlaganfall vermeiden?Dr. Glumm: Neben unvermeidbaren Risikofaktoren wie einem hohen Lebensalter und männliches Geschlecht gibt es auch behandelbare wie Bluthochdruck, Diabetes oder Vorhofflimmern. Und natürlich kann auch eine gesunde Lebensweise zur Vermeidung von Schlaganfällen beitragen. Auch deshalb werde ich nicht müde, auf vermeidbare Risikofaktoren wie Rauchen, Übergewicht und Bewegungsmangel hinzuweisen. Bei Bedarf erhalten die Patienten Unterstützung für eine Entwöhnung oder Ernährungsumstellung.
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