Einleitung
Die Vorstellung, dass das Gehirn im Erwachsenenalter keine neuen Nervenzellen mehr bildet, hat sich in den letzten Jahren grundlegend gewandelt. Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Neurogenese, die Bildung neuer Nervenzellen, auch im Erwachsenenalter stattfindet, insbesondere im Hippocampus und im Bulbus olfactorius. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Perspektiven für die Behandlung neurologischer Erkrankungen, die mit dem Verlust von Nervenzellen einhergehen.
Neurogenese im Hippocampus: Neue Erkenntnisse
Eine aktuelle Studie im Fachjournal »Science« hat neue Erkenntnisse über die Neurogenese im Hippocampus erwachsener Menschen geliefert. Ein Team um Dr. Ionut Dumitru vom Karolinska-Institut in Stockholm analysierte über 400.000 Zellkerne aus Hippocampus-Gewebe von Individuen unterschiedlichen Alters mithilfe der Einzelkern-RNA-Sequenzierung. Die Forschenden konnten in den Proben von Jugendlichen und Erwachsenen neuronale Vorläuferzellen nachweisen, darunter NSC, INP und Neuroblasten. Diese Zellen waren spezifisch in der granularen Zellschicht des Gyrus dentatus lokalisiert, der Eingangsstation des Hippocampus.
Diese Ergebnisse liefern einen wichtigen Beitrag zur Klärung der Frage, ob im Hippocampus von erwachsenen Menschen noch neue Nervenzellen entstehen. Während frühere Studien bereits Hinweise auf eine Nervenzellbildung im erwachsenen Gehirn lieferten, war der Nachweis proliferierender neuronaler Vorläuferzellen schwierig. Die aktuelle Studie schafft hier Klarheit und zeigt, dass auch im erwachsenen Hippocampus neuronale Vorläuferzellen vorhanden sind, die sich zu Nervenzellen entwickeln können.
Neuronale Stammzellen: Die Quelle der Regeneration
Die Fähigkeit des Gehirns, sich auch im hohen Alter zu regenerieren, ermöglichen neuronale Stammzellen. Diese sind offenbar in allen Hirnregionen anzutreffen, ruhen aber in den meisten Fällen. Dr. med. Gerd Kempermann, Leiter der Arbeitsgruppe „Neuronale Stammzellen“ am Max Delbrück Centrum für Molekulare Medizin (MDC), Berlin-Buch, erläutert, dass die Neurogenese des erwachsenen Gehirns einer subtilen funktionellen Regulation unterliegt, aber auch von ererbten Faktoren bestimmt wird.
Kempermanns Forschung an Mäusen hat gezeigt, dass sich die neuronalen Stammzellen im erwachsenen Gehirn ähnlich verhalten wie während der embryonalen Entwicklung. Dies deutet darauf hin, dass das erwachsene Gehirn über ein größeres Regenerationspotenzial verfügt, als bisher angenommen.
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Regulation der adulten Neurogenese
Die adulte Neurogenese unterliegt einer komplexen Regulation, die sowohl genetische als auch funktionelle Faktoren umfasst. Kempermann beobachtete, dass sich die Teilungsaktivität der neuronalen Stammzellen im erwachsenen Hippocampus zwischen verschiedenen angezüchteten Mausstämmen deutlich unterscheidet. Dies deutet darauf hin, dass Gene die Teilungsaktivität, das Überleben und die Differenzierung der Stammzellen beeinflussen.
Auch die Umwelt spielt eine wichtige Rolle bei der Regulation der Neurogenese. Mäuse, die in einer reizreichen Umgebung lebten, zeigten eine gesteigerte Neurogenese im Hippocampus. Die verschiedenen Reize setzen an unterschiedlichen Stufen der Regulation an.
Dr. rer. nat. Georg Kuhn, Stammzellforscher im Neurobiologischen Labor der Universitätsklinik Regensburg, beschäftigt sich mit der molekularen Regulation der adulten Neurogenese in vivo. Er erklärt, dass eine Steigerung der Neurogenese prinzipiell auf zwei Wegen zu erreichen ist: einerseits durch eine Steigerung der Proliferation durch Wachstumsfaktoren, andererseits durch die gezielte Verhinderung der Apoptose von jungen Neuronen.
Kuhn beobachtete, dass zunächst eine „Überproduktion“ von Stammzellen und neuen Nervenzellen im Gehirn stattfindet. Diese unterliegen einem enormen Selektionsdruck. Im Hippocampus und im Bulbus olfactorius sterben dabei zehn bis 100 mal mehr Zellen ab als in anderen Hirnregionen. Der Zelltod lässt sich beispielsweise durch das antiapoptotische Molekül Bcl-2 verhindern.
Wachstumsfaktoren können ebenfalls die adulte Neurogenese fördern. So stimulierte die Gabe von epidermalem Wachstumsfaktor (EGF) massiv die Proliferation, besonders die von Gliazellen. Der Fibroblasten-Wachstumsfaktor (FGF-2) stimulierte die Proliferation dagegen in geringerem Ausmaß, förderte jedoch die neuronale Differenzierung.
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Stammzellen reisen mit einem "Rückflugticket"
Das Forschungsteam von Ana Martin-Villalba vom DKFZ verfolgte die Stammzellen auf ihrem Entwicklungsweg zu ausgereiften Nervenzellen, den Neuronen. Die Forscher analysierten bei jedem Schritt, welche Gene eingeschaltet wurden und von welchen tatsächlich neue Proteine abgelesen wurden. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Stammzellgene nicht abgeschaltet, sondern einfach auf Standby gesetzt wurden: Die Gene wurden zwar abgeschrieben, doch die Zellen nutzen diese Abschriften nicht zur Proteinproduktion.
Martin-Villalba und ihre Mitarbeiter fanden heraus, dass Stammzellen immer mit einem „Rückflugticket“ reisen. Durch Ein- oder Ausschalten von TOR können die Zellen sich vom Stammzellstadium zum Neuron oder wieder zurück entwickeln. „So bleiben die Entscheidungen einer Stammzelle, ein Neuron zu werden, noch einige Zeit reversibel“, sagt Avni Baser, die Erstautorin der Publikation.
Im Normalfall verläuft die Reise von der Stammzelle in Richtung Nervenzelle. Es sei denn, es geht etwas schief: Wenn Stammzellen ihr TOR-Signal nicht richtig kontrollieren können, treten sie immer wieder die Rückreise an in Richtung Stammzellen. Dabei besteht langfristig die Gefahr, dass Hirntumoren entstehen.
Unterschiede zwischen menschlichen und Neandertaler-Gehirnen
Obwohl Neandertaler und moderne Menschen ähnlich große Gehirne haben, gibt es Unterschiede in der Anzahl der Nervenzellen. Eine Studie der Forschungsgruppe von Wieland Huttner am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden hat gezeigt, dass eine einzige Aminosäureveränderung im Protein Transketolase-like 1 (TKTL1) zu einer vermehrten Bildung von Nervenzellen im sich entwickelnden Frontallappen des Neokortex von modernen Menschen führt.
Bei modernen Menschen enthält TKTL1 an der betreffenden Sequenzposition ein Arginin, während es bei Neandertalern die verwandte Aminosäure Lysin ist. Die Forscher fanden heraus, dass mit dem Neandertaler-Typ der Aminosäure in TKTL1 weniger basale radiale Gliazellen produziert wurden als mit dem Moderne-Menschen-Typ, und folglich auch weniger Nervenzellen.
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Therapeutische Ansätze: „Neurogenese vor Ort“
Die Erkenntnis, dass auch im adulten Gehirn noch neue Nervenzellen entstehen, macht sich ein Forschungsansatz in der Stammzellforschung zunutze. Die Vision: Ließe sich die adulte Neurogenese gezielt stimulieren, könnte man Zellersatz quasi „vor Ort“ herstellen. Neurologische Erkrankungen, die mit Zellverlusten einhergehen, ließen sich möglicherweise heilen - auch ohne Transplantation von Ersatzgewebe.
Kempermann betont jedoch, dass eine therapeutische Anwendung in weiter Ferne liegt. Zunächst müssen wir die Stammzellbiologie des erwachsenen Gehirns besser kennenlernen, um dann Möglichkeiten zu finden, die adulte Neurogenese gezielt zu beeinflussen.
Die Widerstandsfähigkeit des Gehirns: Neuronale Netzwerke reorganisieren sich
Wissenschaftler des Instituts für Physiologie der Universitätsmedizin Mainz haben entschlüsselt, wie das Gehirn in der Lage ist, seine Funktion bei einem Verlust von Nervenzellen weitestgehend aufrechtzuerhalten. Bei Untersuchungen im Tiermodell fand das Forschungsteam heraus, dass sich neuronale Netzwerke in der Großhirnrinde innerhalb eines kurzen Zeitraums reorganisieren, indem andere Nervenzellen die Aufgaben der verlorenen Neuronen übernehmen.
Die Forscher fanden heraus, dass sich die auditive Repräsentationskarte bei einem experimentell gezielt hervorgerufenen Verlust von nur wenigen spezifischen Nervenzellen zunächst destabilisierte. Dies deutet darauf hin, dass sich das für die Geräuschwahrnehmung zuständige neuronale Netzwerk prinzipiell in einer empfindlichen Balance befindet. Die Wissenschaftler beobachteten jedoch, dass sich bereits nach wenigen Tagen sehr ähnliche Aktivitätsmuster neu bildeten.
Professor Rumpel erklärt, dass neuronale Netzwerke im Gehirn über ein bemerkenswertes Potential zur Reorganisation verfügen. Dieser neu entdeckte neuronale Mechanismus könnte auch eine wichtige Rolle für den Verlust von Nervenzellen bei natürlichen Alterungsprozessen sowie bei neurodegenerativen Erkrankungen spielen.
Das alternde Gehirn: Weniger Abbau als gedacht
Forschende des DZNE, der Universität Magdeburg und des Hertie-Instituts für klinische Hirnforschung (HIH) an der Universität Tübingen haben herausgefunden, dass das menschliche Gehirn weniger altert als gedacht und schichtweise - jedenfalls in dem für den Tastsinn zuständigen Bereich der Hirnrinde.
Mittels Magnetresonanztomografie (MRT) konnten die Forschenden diesen Bereich der Hirnrinde mit bislang unerreichter Genauigkeit vermessen. Sie stellten fest, dass die Schichten des primären somatosensorischen Cortex unterschiedlich altern. Obwohl die Hirnrinde insgesamt dünner wird, bleiben manche ihrer Schichten stabil oder sind im Alter überraschenderweise sogar dicker.
Die Forschenden fanden allerdings Hinweise darauf, dass Mechanismen in den tiefen Hirnschichten sich dem altersbedingten Funktionsverlust zu einem gewissen Grad widersetzen. Obwohl die tiefen Schichten der Hirnrinde mit zunehmendem Alter dünner wurden, nahm ihr Myelin-Gehalt überraschenderweise zu.