Die Vorstellung, dass sich das Gehirn ein Leben lang verändern und erneuern kann, hat in den letzten Jahrzehnten einen Paradigmenwechsel in der Neurowissenschaft ausgelöst. Lange Zeit galt es als unmöglich, dass sich im erwachsenen Gehirn neue Nervenzellen bilden können. Doch die Forschung hat gezeigt, dass die sogenannte adulte Neurogenese tatsächlich stattfindet, wenn auch in begrenztem Umfang. Diese Erkenntnisse haben nicht nur unser Verständnis des Gehirns erweitert, sondern auch neue Hoffnung für die Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer geweckt.
Die adulte Neurogenese: Ein lebenslanger Prozess
Die adulte Neurogenese ist die Bildung neuer Nervenzellen im Gehirn von Erwachsenen. Dieser Prozess findet hauptsächlich in zwei Regionen statt: dem Riechkolben und dem Hippocampus. Der Hippocampus, eine Hirnregion, die für das Lernen und die Gedächtnisbildung von entscheidender Bedeutung ist, spielt eine zentrale Rolle bei der Verknüpfung von gelerntem Wissen mit neuen Informationen. Die Neurogenese in dieser Region ermöglicht flexibles Lernen und die Anpassung an neue Situationen.
Untersuchungen an Nagetieren haben gezeigt, dass die Bildung neuer Nervenzellen im Gehirn in mehreren Phasen abläuft. Unausgereifte Neuroblasten durchlaufen dabei eine charakteristische Abfolge von Differenzierungsschritten, bevor sie zu voll ausgereiften Neuronen werden.
Eine Studie, die im Gyrus dentatus, einem Teil des Hippocampus, durchgeführt wurde, entdeckte Tausende unreife Neuronen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien bei Erwachsenen ohne neurologische Erkrankungen. Diese neuen Nervenzellen waren sogar in Gewebeproben von fast 90-Jährigen vorhanden. Die Neurogenese scheint zwar mit zunehmendem Alter etwas abzunehmen, aber neurodegenerative Erkrankungen haben offenbar einen deutlich stärkeren Einfluss auf den Erneuerungsprozess.
Neurogenese und neurodegenerative Erkrankungen
Die Forschung hat gezeigt, dass die Neurogenese durch pathologische Alterungsprozesse wie bei Alzheimer beeinträchtigt wird. So war die Zahl und der Reifegrad der neuen Gehirnzellen im Gewebe von Alzheimer-Patienten deutlich verringert. Dies deutet darauf hin, dass die Wiederherstellung eines normalen Neurogenese-Levels ein potenzieller Therapieansatz sein könnte, um dem Fortschreiten dieser bisher unheilbaren Erkrankung entgegenzuwirken.
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Stammzellen und ihre Entwicklung zu Nervenzellen
Die Forschung hat auch den Entwicklungsweg von Stammzellen zu ausgereiften Nervenzellen, den Neuronen, verfolgt. Dabei wurde analysiert, welche Gene in jedem Schritt eingeschaltet und von welchen tatsächlich neue Proteine abgelesen wurden.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass Stammzellen ihre Stammzellgene nicht einfach abschalten, um zu einem Neuron zu werden, sondern sie lediglich auf Standby setzen. Die Gene werden zwar abgeschrieben, aber die Zellen nutzen diese Abschriften nicht zur Proteinproduktion. Um in diesen Standby-Modus zu gelangen und so den Entwicklungsweg zu einem Neuron zu starten, fahren Stammzellen das als "TOR" bezeichnete innere Signal zurück, das sie anregt, sich zu teilen und zu vermehren.
Eine weitere überraschende Entdeckung war, 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. Im Normalfall verläuft die Reise von der Stammzelle in Richtung Nervenzelle. Wenn Stammzellen ihr TOR-Signal jedoch nicht richtig kontrollieren können, treten sie immer wieder die Rückreise an in Richtung Stammzellen, was langfristig die Gefahr birgt, dass Hirntumoren entstehen.
Die Bedeutung der synaptischen Übertragung für die Regeneration
Eine Studie hat gezeigt, dass die Unfähigkeit von ausgewachsenen Nervenzellen des zentralen Nervensystems, sich nach einer Schädigung zu regenerieren, eng mit ihrer Fähigkeit zusammenhängt, miteinander zu kommunizieren. Konkret wurde festgestellt, dass zwei Proteine, die für die synaptische Übertragung zwischen Nervenzellen entscheidend sind, das Auswachsen von Zellfortsätzen verhindern.
Die identifizierten Moleküle, Munc13 und RIMs, treten im präsynaptischen Endknöpfchen auf, dem äußersten Ende eines Axons. Beide Proteine sind an einem Prozess beteiligt, der als Vesikel-Priming bezeichnet wird und letztlich zur Freisetzung von Neurotransmittern führt, chemischen Verbindungen, über die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Experimente haben gezeigt, dass Munc13 und RIMs die Regeneration von Nervenzellen hemmen.
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Die Forschung hat auch gezeigt, dass eine Abschwächung der synaptischen Übertragung das Wachstum von Axonen fördern kann. Zu diesem Zweck wurde Mäusen mit einer Rückenmarksläsion das Medikament Baclofen verabreicht, das die Erregbarkeit von Nervenzellen und die synaptische Übertragung verringert. Die Behandlung mit Baclofen regte tatsächlich das Wachstum und die Regeneration von Axonen im verletzten Rückenmark an.
Neuronale Resilienz: Schutzmechanismen reifer Nervenzellen
Die Forschung hat auch zelluläre Anpassungen in menschlichen Nervenzellen untersucht, die neuronale Resilienz garantieren. Dabei wurde festgestellt, dass die Schwelle für den Eintritt in den Zelltod bei menschlichen Nervenzellen besonders hoch ist. Reife Nervenzellen sind mit komplexen und redundanten Präventivstrategien ausgestattet, um sich vor Stress und Zelltod zu schützen.
Wichtige Komponenten der Zelltodmaschinerie wie Caspasen werden stark herunterreguliert oder vollständig abgeschaltet, während Schutzwege wie anti-apoptotische Proteine der Bcl-2-Familie oder Inhibitoren von Apoptose Proteine (IAPs) hochreguliert werden. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn ein sehr ausgeklügeltes, komplexes und komplementäres Netzwerk zum Schutz vor Zelltod entwickelt hat, wahrscheinlich eine evolutionäre Anpassung an seine reduzierte Regenerationsfähigkeit.
Diese Schutzmechanismen in reifen Nervenzellen können auch teilweise erklären, warum die meisten neurodegenerativen Erkrankungen meist über viele Jahrzehnte hinweg abwehrbar sind und erst im fortgeschrittenen Alter auftreten.
Die Rolle von Mikrotubuli bei der Regeneration
Die Forschung hat gezeigt, dass die Stabilisierung zellinterner Protein-Röhrchen, der Mikrotubuli, eine wichtige Bedeutung beim Wachsen von Nervenzellen zukommt. Mikrotubuli sind winzige Protein-Röhrchen, deren koordiniertes Vorstoßen zur Verlängerung des Axons führt.
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Wird ein Axon im peripheren Nervensystem durchgeschnitten, so bildet sich an seiner Spitze ein Wachstumskegel, und das Axon wächst erneut aus. Auch im zentralen Nervensystem bildet sich an der verletzten Axonspitze eine Verdickung, die sogenannte Verkürzungsknolle. Anders als beim Wachstumskegel im peripheren Bereich zeigt diese jedoch keinerlei Bestreben zum Weiterwachsen.
Experimente haben gezeigt, dass das Durcheinanderbringen der Mikrotubuli in der Verkürzungsknolle eine der Hauptursachen für den Wachstumsstopp des Axons ist. Umgekehrt konnte durch die Stabilisierung der Mikrotubuli mit dem Wirkstoff Paclitaxel die Ausbildung der Verkürzungsknolle unterdrückt und das Auswachsen verletzter Nervenzellen des zentralen Nervensystems gefördert werden.
Die Bedeutung von Nährstoffen für die Nervenregeneration
Die Nervenregeneration ist ein komplexer Prozess, der von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Neben den zellulären und molekularen Mechanismen spielen auch Nährstoffe eine entscheidende Rolle.
Uridinmonophosphat (UMP) und Cytidinmonophosphat (CMP) sind Nukleotide, die an der Herstellung von Nervenzellproteinen und Membranlipiden beteiligt sind, die für die Nervenregeneration unverzichtbar sind. Verschiedene Vitamine des B-Komplexes tragen zur normalen Funktion des Nervensystems bei. Ein Mangel an B-Vitaminen, insbesondere ein Vitamin-B-12-Mangel, kann zu einer Nervenschädigung beitragen.
Vitamin B12 ist wichtig für den Energiestoffwechsel, die Zellteilung sowie die Übertragung von Methylgruppen und spielt eine besondere Rolle bei der Herstellung wichtiger Nervenzellproteine und dem schützenden Myelin. Vitamin B6 übernimmt eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Nervenbotenstoffen, die für die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen wichtig sind, und wird als Cofaktor für die Herstellung von Myelin benötigt. Vitamin B1 ist für den Abbau von Glukose mitverantwortlich, wodurch der Nervenzelle ausreichend Energie zur Verfügung steht, und unterstützt die Bereitstellung von Nervenbotenstoffen und Myelin. Folsäure ist für das Wachstum und die Teilung der Nervenzelle von Bedeutung und trägt dazu bei, das Stoffwechselprodukt Homocystein abzubauen, welches in großen Mengen nervenschädigend sein kann.
Neue Techniken zur Erforschung der Nervenzellfunktion
Die Entwicklung neuer Techniken ermöglicht es Forschern, die Funktion von Nervenzellen genauer zu untersuchen. Mit der zap-and-freeze-Technik werden Nervenzellen elektrisch stimuliert und wenige Millisekunden später schockgefroren. Dank dieser Methode können Bewegungen von Zellbestandteilen für die Beobachtung unter dem Elektronenmikroskop festgehalten werden.
Diese Technik ermöglicht es Forschern, direkt zu verfolgen, wie sich nach der Freisetzung von Nervenbotenstoffen die Zellmembran im menschlichen Gehirn schnell wieder erneuert. Mit dieser Methode können die Gehirnzellen quasi beim Lernen beobachtet werden.
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