Neuronale Funktion und die Rolle der Oligodendrozyten

Die komplexe Funktion des Gehirns beruht auf der effizienten Kommunikation zwischen Neuronen, die durch spezialisierte Zellen, den Oligodendrozyten, unterstützt wird. Diese Zellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Myelinisierung von Axonen, der Energieversorgung von Nervenzellen und der Reaktion auf neuronale Aktivität. Störungen in der Funktion von Neuronen und Oligodendrozyten können zu schwerwiegenden neurologischen Erkrankungen führen.

Die Myelinschicht: Isolation und schnelle Signalübertragung

Die Myelinschicht ist eine spezialisierte Struktur des Nervensystems, die für die schnelle und effiziente Weiterleitung elektrischer Signale unerlässlich ist. Sie umhüllt die Axone spezifischer Nervenzellen und dient als elektrische Isolierung. Eine Störung oder Schädigung der Myelinschicht kann schwerwiegende neurologische Erkrankungen zur Folge haben.

Die Myelinschicht (auch Myelinscheide oder Markscheide genannt) ist eine lipidreiche Umhüllung der Axone im zentralen (ZNS) und peripheren Nervensystem (PNS). Ihre wesentliche Aufgabe besteht darin, die Leitungsgeschwindigkeit von Nervenimpulsen zu erhöhen, indem sie die axonale Erregungsleitung beschleunigt.

Im zentralen Nervensystem wird die Myelinschicht von Oligodendrozyten gebildet. Ein einzelner Oligodendrozyt kann dabei mehrere Axone gleichzeitig myelinisieren. Die Myelinschicht besteht aus zahlreichen konzentrisch angeordneten Lamellen, die hauptsächlich aus Lipiden (circa 70 bis 80 Prozent) und Proteinen (etwa 20 bis 30 Prozent) zusammengesetzt sind. Zwischen den myelinisierten Segmenten befinden sich die sogenannten Ranvier-Schnürringe. Diese Unterbrechungen der Myelinschicht sind essenziell für die saltatorische Erregungsleitung, da hier die Ionenkanäle konzentriert sind.

Im PNS übernehmen Schwann-Zellen die Bildung der Myelinschicht. Im Gegensatz zu den Oligodendrozyten des ZNS myelinisiert jede Schwann-Zelle jeweils nur ein Axon. Während des Myelinisierungsprozesses wickelt sich die Schwann-Zelle mehrfach um das Axon und bildet so eine Myelinschicht aus konzentrischen Membranlamellen. Auch im PNS findet sich die segmentale Struktur mit Internodien (myelinisierte Abschnitte) und Ranvier-Schnürringen.

Lesen Sie auch: Ursachen, Symptome und Behandlungen von Motoneuron-Erkrankungen

Ernährung und Myelinbildung

Die Bildung und Erhaltung der Myelinschicht sind auf bestimmte Nährstoffe angewiesen. Omega-3-Fettsäuren unterstützen die Struktur der Myelinmembran, während Vitamin B12 an der Synthese von Myelin beteiligt ist. Ein Mangel an diesen Nährstoffen kann die Myelinisierung beeinträchtigen und das Risiko für neurologische Erkrankungen erhöhen.

Myelinisierungsprozesse im ZNS und PNS

Die Myelinisierung im ZNS beginnt während der späten Embryonalentwicklung und setzt sich bis ins frühe Erwachsenenalter fort. Oligodendrozyten entstehen aus Vorläuferzellen, die sich differenzieren und Kontakt zu den Axonen herstellen. Die Reifung der Myelinschicht (Myelogenese) erfolgt in verschiedenen Stadien. Zunächst bildet sich eine dünne Myelinschicht, die sich im Laufe der Zeit weiter verdickt.

Im PNS übernehmen Schwann-Zellen die Myelinisierung. Diese beginnen zunächst, das Axon durch mehrere Wicklungen ihrer Membran zu umhüllen, wodurch eine erste Myelinschicht entsteht, die im Verlauf weiter verdickt wird. Die Reifung der Myelinschicht im PNS ist entscheidend für die Funktion der peripheren Nerven. Die Myelinisierung wird durch verschiedene Wachstumsfaktoren und Signalwege reguliert. Die Aktivierung dieser Signalwege entscheidet, welche Axone myelinisiert werden und in welchem Ausmaß die Myelinschicht aufgebaut wird.

Demyelinisierende Erkrankungen: Wenn die Myelinschicht Schaden nimmt

Erkrankungen der Myelinschicht werden als demyelinisierende Erkrankungen bezeichnet. Diese können durch Autoimmunprozesse, genetische Defekte, Infektionen oder toxische Einflüsse entstehen.

Multiple Sklerose ist die häufigste demyelinisierende Erkrankung im zentralen Nervensystem. Es handelt sich um eine chronisch-entzündliche, autoimmun vermittelte Erkrankung, bei der das Immunsystem die Myelinschicht der Axone angreift. Durch die Entzündungsreaktionen kommt es zur Bildung von Plaques, die aus Narbengewebe und Demyelinisierungsherden bestehen. Typische Symptome umfassen Sehstörungen, Sensibilitätsstörungen und Muskelschwäche. Auch Koordinationsprobleme und eine ausgeprägte Fatigue gehören zu den häufigen Beschwerden.

Lesen Sie auch: Fliegen und Drohnen im Fokus

Bei NMOSD greift das Immunsystem gezielt das Aquaporin-4-Protein in Astrozyten an, was zu einer sekundären Demyelinisierung führt. Die Symptome reichen von einem teilweisen oder vollständigen Sehverlust bis hin zu einer Querschnittslähmung.

GBS ist eine akute, entzündliche demyelinisierende Polyneuropathie des peripheren Nervensystems. Die Erkrankung beginnt oft mit einer aufsteigenden, symmetrischen Muskelschwäche in den Beinen, die sich innerhalb kurzer Zeit auf Arme und Gesicht ausweiten kann. Betroffene klagen zudem über Sensibilitätsstörungen. Genetisch bedingte Erkrankungen wie die Leukodystrophien oder die Charcot-Marie-Tooth-Krankheit führen ebenfalls zur Schädigung der Myelinschicht.

Remyelinisierung und therapeutische Ansätze

Die Myelinschicht verfügt grundsätzlich über eine gewisse Regenerationsfähigkeit. Im zentralen Nervensystem (ZNS) sind es Oligodendrozyten-Vorläuferzellen (OPCs), die sich zu reifen Oligodendrozyten differenzieren und neue Myelinschichten um geschädigte Axone bilden können. Jedoch ist die Fähigkeit zur Remyelinisierung bei chronischen demyelinisierenden Erkrankungen wie der Multiplen Sklerose oft eingeschränkt.

Mehrere Faktoren spielen eine Rolle bei der Regeneration der Myelinschicht. Dazu zählen Wachstumsfaktoren, die Aktivierung von OPCs und die Kontrolle entzündlicher Prozesse. Auch die Mikroglia, die Immunzellen des ZNS, können die Remyelinisierung sowohl fördern als auch hemmen.

Therapeutische Ansätze zur Förderung der Remyelinisierung umfassen:

Lesen Sie auch: Die Rolle des Zellkörpers in Neuronen

• Stammzelltherapie: Durch die Transplantation von neuralen Stammzellen oder OPCs sollen geschädigte Myelinschichten wiederhergestellt werden.
• Pharmakologische Ansätze: Substanzen wie Clemastin, ein Antihistaminikum, haben in Studien eine stimulierende Wirkung auf die Remyelinisierung gezeigt.

Oligodendrozyten: Mehr als nur Myelinproduzenten

Bis ins 20. Jahrhundert ging man davon aus, dass Gliazellen nur eine Stütz- und Schutzfunktion im Nervensystem übernehmen. Dass Gliazellen, und besonders Oligodendrozyten, auch anderen Aufgaben übernehmen, wird im Folgenden erklärt.

Definition und Ursprung

Oligodendrozyten, auch Oligodendroglia genannt, sind eine Untergruppe der Gliazellen im Zentralnervensystem. Sie gehören zusammen mit den Astrozyten zu den Makroglia. Diese haben entwicklungsbedingt den gleichen Ursprung, unterscheiden sich jedoch sowohl in ihrer Form als auch in ihren Funktionen erheblich. Makroglia (Astrozyten und Oligodendrozyten) unterscheiden sich von den Mikroglia dadurch, dass sie sich nicht aus dem Dottersack entwickeln, sondern aus dem Neuroektoderm.

Aussehen und Vorkommen

Die Zellkerne der Oligodendrozyten sind klein und rund. Sie besitzen einen hohen Anteil an Heterochromatin. Heterochromatin sind stark verdichtete, “eingepackte” Chromosomen. Im Gegensatz zu Astrozyten besitzen Oligodendrozyten nur wenige Zellfortsätze. Diese sind auch weniger verzweigt. So wie man sich Astrozyten als Sterne vorstellen kann, erinnern Oligodendrozyten an Laubbäume.

Die Fortsätze der Oligodendrozyten wickeln sich spiralförmig um die Axone der Neuronen. Oligodendrozyten kommen hauptsächlich in der weißen Substanz des Zentralnervensystems vor. Das Myelin der Oligodendrozyten besteht zu 70 % aus Fett. Daher erscheint es unter dem Mikroskop weiß. Stellen im Nervensystem, die einen hohen Anteil an Myelin besitzen, werden deshalb “weiße Substanz” genannt. Die Anteile mit wenig Myelin und dafür vielen Zellkernen, wird “graue Substanz” genannt.

Funktionen der Oligodendrozyten

Die Funktionen der Oligodendrozyten sind vielfältig:

• Isolation der Axone durch Myelinbildung
• Depolarisation durch Neurotransmitterrezeptoren
• Bildung von Glianarben
• Energieversorgung der Axone

Isolation der Axone und saltatorische Erregungsleitung

Oligodendrozyten produzieren Myelin. Mit diesem umwickeln sie die Axone der Neuronen. Dadurch werden die Nervenbahnen elektrisch isoliert und eine schnellere Signalübertragung kann stattfinden. Myelin ist eine Biomembran. Diese wird um die Axone herumgewickelt. Sowohl die Axone der Neuronen im peripheren als auch im zentralen Nervensystem werden von Myelin umgeben. Im Zentralnervensystem sind die Oligodendrozyten dafür verantwortlich, im peripheren Nervensystem die Schwann-Zellen. Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem = Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem.

Das Umwickeln der Axone mit Myelin ist aber nicht kontinuierlich. Es wird immer ein bisschen Platz zwischen zwei Abschnitten gelassen. Ein Abschnitt wird Myelinscheide genannt. Da diese "Lücken" so klein sind, sieht es unter dem Mikroskop so aus, als ob das Myelin nur eingeschnürt wird. Daher kommt der Begriff "Ranvier-Schnürringe". Es handelt sich aber um einzelne, voneinander unabhängige Zellfortsätze.

Die Isolation und die Ranvier-Schürringe ermöglichen die sogenannte saltatorische Erregungsleitung. Der Vorteil der saltatorischen Erregungsleitung gegenüber der kontinuierlichen Erregungsleitung ist, dass das Aktionspotential nicht die gesamte Strecke des Axons zurücklegen muss. Das Aktionspotential kann von einem Ranvier-Schnürring zum anderen “springen”. Genauer gesagt wird es an jeder Lücke neu gebildet. Die saltatorische Erregungsleitung ermöglicht eine 100-fach schnellere Signalübertragung im Vergleich zur kontinuierlichen Erregungsleitung. Die Umwicklung der Neuronen mit Oligodendrozyten ist also der Grund für die menschliche Intelligenz.

Wirbellose Tiere besitzen keine den Oligodendrozyten ähnlichen Zellen. Um eine hohe Signalübertragung zu erlangen, sind die Axone der Wirbellosen sehr viel dicker. Wären unsere Nervenbahnen nicht mit Oligodendrozyten umwickelt, müssten diese so dick wie Baumstämme sein, um eine angemessene Signalübertragung zu gewährleisten. Ein Oligodendrozyt kann bis zu vierzig Myelinscheiden ausbilden. Und das auch an unterschiedlichen Axonen!

Neurotransmitterrezeptoren und Depolarisation

Oligodendrozyten besitzen wie auch andere Nervenzellen Rezeptoren für Neurotransmitter an ihrer Zelloberfläche. Der am meisten vorkommende Rezeptor ist der ionotrope Glutamat-Rezeptor. Dadurch können Oligodendrozyten wie Neuronen depolarisiert werden. Glutamat kann für das Nervensystem sehr gefährlich werden. Eine nur sehr geringe Erhöhung der innerzellulären Konzentration führt, sowohl bei Neuronen als auch Oligodendrozyten, zum Zelltod.

Bildung von Glianarben

Werden Nervenbahnen im Zentralnervensystem zerstört, können diese nur aufwendig repariert werden. Ein Grund hierfür sind Astrozyten und Oligodendrozyten. Diese Gliazellen schütten bestimmte Wachstumsinhibitoren aus, welche verhindern, dass Nervenbahnen regenerieren. Eine Verletzung im Zentralnervensystem regt zudem die Teilung der Astrozyten und Oligodendrozyten an. Dies führt zur Bildung sogenannter Glianarben.

Energieversorgung der Axone

Neuere Forschung zeigt, dass Oligodendrozyten eine weitere wichtige Aufgabe im Gehirn haben: Sie versorgen die Nervenzellfortsätze, die so genannten Axone, gezielt mit Energie. Sie nehmen aus den Blutgefäßen energiereiche Stoffe, vor allem Glucose, auf. Diese verarbeiten sie in die leichter verdauliche Milchsäure und geben diese wiederum über die Myelinscheiden direkt an die Axone ab. Die Energie muss von anderer Stelle kommen - und hier kommen die Oligodendrozyten ins Spiel. Sie nehmen aus den Blutgefäßen energiereiche Stoffe, vor allem Glucose, auf. Diese verarbeiten sie in die leichter verdauliche Milchsäure und geben diese wiederum über die Myelinscheiden direkt an die Axone ab. Kanalmoleküle, so genannte Monocarboxylat-​Transporter, die diesen energiereichen Stoff gezielt durch die Zellhüllen, also die Membranen, hindurch transportieren.

Oligodendrozyten und Multiple Sklerose

Oligodendrozyten bilden Myelin und sind dadurch essenziell für eine schnelle Informationsweiterleitung. Bei der Autoimmunkrankheit Multiple Sklerose werden die Myelinscheiden der Nervenfasern angegriffen. Es entstehen viele kleine Entzündungsherde. Dadurch kommt es zum Abbau von Myelin. Man spricht auch von “Entmarkung”. Werden die Nervenfasern nicht mehr ausreichend isoliert, kommt es folglich zu einer erschwerten Informationsweiterleitung. Es können alle Oligodendrozyten im Zentralnervensystem angegriffen werden. Sowohl das Rückenmark, als auch das Gehirn ist davon betroffen.

Die Symptome der Multiplen Sklerose sind abhängig vom Ort der Entzündungsherde. Typisch für die Krankheit ist jedoch, dass sie meistens in Schüben auftritt. Vor allem anfangs kommt es zu Sehproblemen, Taubheitsgefühlen und Schmerzen. Im weiteren Verlauf kann es zur Lähmung der Extremitäten, oder auch spastischen Bewegungsabläufen kommen. Die Ursachen für eine Erkrankung an Multipler Sklerose sind noch nicht bekannt. Genauso wenig ist Multiple Sklerose heilbar. Multiple Sklerose ist die bei jungen Menschen die zweithäufigste neuronale Erkrankung.

Oligodendrozyten reagieren auf neuronale Aktivität

Spezialisierte Zellen namens Oligodendrozyten reagieren auf die Aktivität der Hirnzellen und versorgen die langen Nervenverbindungen bedarfsgerecht mit Energie, wie UZH-Forschende zeigen. Wird bei Mäusen diese zelluläre Kommunikation unterbrochen, treten mit fortschreitendem Alter Schäden an den Nervenfasern auf, die jenen bei neurodegenerativen Erkrankungen ähneln. Die Gehirnfunktion ist abhängig von der schnellen Weiterleitung elektrischer Signale entlang der Axone. Diese langen Ausläufer der Nervenzellen verbinden Milliarden von Hirnzellen miteinander. Um eine schnelle und effiziente Signalübertragung zu gewährleisten, werden die Axone von speziellen Zellen umhüllt und isoliert: den Oligodendrozyten.

Nun hat ein Team von Neurowissenschaftlern unter der Leitung von Aiman Saab am Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Zürich (UZH) eine neue zentrale Funktion dieser isolierenden Zellen im Mäusegehirn entdeckt: «Die Oligodendrozyten nehmen die Signale aktiver Nervenfasern nicht nur wahr, sondern reagieren auch unmittelbar darauf, indem sie den Verbrauch der primären Energiequelle Glukose beschleunigen», sagt Saab. Sie liefern folglich energiereiche Moleküle an die schnell feuernden Axone, um deren dynamischen Energiebedarf zu decken.

Um zu verstehen, wie aktive Axone mit den sie umgebenden Oligodendrozyten kommunizieren, untersuchten die Forschenden den Sehnerv der Maus. Um nach der Stimulierung das «Feuern» der Nervenfasern zu beobachten, wie die Oligodendrozyten darauf reagieren, verwendeten sie winzige Biosensoren: künstlich hergestellte Proteine, die als mikroskopische Detektoren für molekulare Veränderungen dienen. «Damit konnten wir zeigen, dass Kalium das Schlüsselsignal ist, das die Oligodendrozyten aktiviert. Es wird von den Axonen während des Feuerns freigesetzt», sagt Zoe Looser, die Erstautorin der Studie.

Die Forscher identifizierten auch einen spezifischen Kaliumkanal namens «Kir4.1» als Schlüsselakteur bei der Kommunikation zwischen Nervenfasern und Oligodendrozyten. Um dessen Rolle zu untersuchen, verwendete das Team genetisch veränderte Mäuse, denen diese Kanäle in den Oligodendrozyten fehlten. Bei diesen Mäusen wiesen Axone verringerte Laktatwerte auf und reagierten weniger auf den Laktatanstieg bei der Aktivierung. Laktat ist ein wichtiges Nebenprodukt des Glukosestoffwechsels und zeigt an, wie schnell dieser Prozess läuft. «Die fehlenden Kaliumkanäle führten zu einem verminderten Glukosestoffwechsel in den Nervenfasern und schliesslich, wenn die Mäuse alterten, zu schweren Axonschäden», ergänzt Looser. Oligodendrozyten spielen somit eine wesentliche Rolle bei der Regulierung der Stoffwechselprozesse in den Axonen, die für gesunde Nervenverbindungen im Gehirn unerlässlich sind. Zudem versorgt Glukose die Axone nicht nur mit Energie, sondern unterstützt auch Schutzmechanismen gegen Zellschäden durch oxidativen Stress. «Ist aufgrund von Schäden in den Oligodendrozyten der Glukosestoffwechsel in den Nervenfasern gestört, kann das längerfristig Nervenzellschäden verursachen. Diese sind vergleichbar mit Nervenzellschäden, die im Alter sowie bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Multipler Sklerose und Alzheimer auftreten», sagt Aiman Saab. Diesen Zusammenhang wollen die Forschenden nun genauer untersuchen.

EPO und Oligodendrozyten

Der Wachstumsfaktor Erythropoietin (EPO), bekannt aus der Blutbildung, hat auch wichtige Effekte im Gehirn - insbesondere auf sogenannte Oligodendrozyten. Diese Zellen sind zuständig für die Bildung von Myelin, der „Isolierung“ der Nervenfasern, die eine schnelle Signalübertragung ermöglicht. Die Ergebnisse der Forschenden des Max-Planck-Instituts für Multidisziplinäre Naturwissenschaften in Göttingen und des Zentralinstituts für Seelische Gesundheit in Mannheim deuten darauf hin, dass EPO nicht nur zur Blutbildung nützlich ist, sondern auch eine Schlüsselrolle für Lern- und Denkprozesse spielt.

Im Gehirn ist nicht nur wichtig, dass Nervenzellen Signale senden, sondern auch wie schnell sie das können. Damit Informationen reibungslos fließen, ist eine Art biologische Isolierung notwendig. Dafür bildet das Gehirn spezialisierte Zellen aus, sogenannte Oligodendrozyten. Sie umhüllen die langen Fortsätze von Nervenzellen, die Axone, mit einer schützenden Myelinschicht. Ähnlich wie die Isolierung von Stromkabeln sorgt diese Schicht dafür, dass elektrische Signale effizient und schnell übertragen werden.

Ein Team unter der Leitung von Prof. Dr. Dr. Hannelore Ehrenreich und Prof. Dr. Klaus-Armin Nave konnte anhand von Versuchen an Mäusen zeigen, dass der Wachstumsfaktor Erythropoietin (EPO), bekannt aus der Blutbildung, die Entwicklung und Reifung der Oligodendrozyten fördert - von unreifen Vorläuferzellen bis hin zu vollständig ausgereiften myelinbildenden Zellen. Besonders spannend: Auch körpereigenes EPO, das bei geistiger oder körperlicher Anstrengung im Gehirn gebildet wird, zeigt ähnliche Effekte. „Wir konnten nachweisen, dass EPO die Entwicklung von Oligodendrozyten anregt und somit die Bildung der schützenden Myelinschichten um Nervenzellen unterstützt. Interessanterweise wirkt EPO dabei nicht nur als Medikament von außen, sondern wird auch vom Körper selbst gebildet, etwa durch körperliche oder geistige Aktivität“, sagt Prof. Dr. Dr. Hannelore Ehrenreich.

Zudem zeigten Mäuse, denen ein bestimmter EPO-Rezeptor in reifen Oligodendrozyten fehlte, leichte Störungen in der Myelinstruktur des Hippocampus - ein Bereich, der für das Lernen und Gedächtnis wichtig ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass EPO nicht nur zur Blutbildung nützlich ist, was ihm seinen Namen eingebracht hat, sondern auch eine Schlüsselrolle für Lern- und Denkprozesse spielt. Da EPO bereits als Medikament zugelassen ist und im Körper natürlich gebildet werden kann, ergeben sich neue Therapie-Perspektiven. „EPO könnte künftig helfen, kognitive Störungen oder neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer zu behandeln - sei es als Medikament oder durch gezielte Aktivierung des körpereigenen EPO-Systems, zum Beispiel durch motor-kognitives Training“, sagt Prof.

tags: #neuron #mit #oligodendrozyt