Das erwachsene Gehirn schneidet verzweigte Verbindungen neuer Neuronen ab

Das erwachsene Gehirn schneidet verzweigte Verbindungen neuer Neuronen ab

Die Salk-Studie ist die erste, die die Entwicklung neuer Neuronen im erwachsenen Gehirn genau verfolgt und potenzielle Erkenntnisse über neurologische Entwicklungsstörungen wie Autismus und Schizophrenie liefert

LA JOLLA – Bei der Optimierung seiner Architektur arbeitet das erwachsene Gehirn wie ein Bildhauer – es fängt mit mehr an, als es braucht, und schneidet den Überschuss ab, um das perfekte Design zu erreichen. Zu diesem Ergebnis kommt eine neue Studie, die die Entwicklung von Zellen im Gehirn einer erwachsenen Maus in Echtzeit verfolgte.

Neue Gehirnzellen begannen mit einer Phase des Überwachsens und sendeten eine Fülle neuronaler Verzweigungen aus, bevor das Gehirn die Verbindungen zurückschnitt. Die Beobachtung wurde am 2. Mai 2016 in beschrieben Nature Neurosciencelegt nahe, dass neue Zellen im erwachsenen Gehirn mehr Gemeinsamkeiten mit denen im embryonalen Gehirn haben, als Wissenschaftler bisher angenommen haben, und dass dies Auswirkungen auf das Verständnis von Krankheiten haben könnte Autismus, geistige Behinderung und Schizophrenie.

„Wir waren überrascht über das Ausmaß der Beschneidung, die wir sahen“, sagt der leitende Autor Rusty Gage, Professor am Salk's Laboratory of Genetics und Inhaber des Vi und John Adler-Lehrstuhls für Forschung zu altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen.

Während die meisten der Milliarden Zellen des Gehirns vor der Geburt gebildet werden, haben Gage und andere zuvor gezeigt, dass sich Stammzellen im Erwachsenenalter in einigen ausgewählten Bereichen des Gehirns von Säugetieren zu neuen Neuronen entwickeln. In der neuen Studie konzentrierte sich Gages Gruppe auf Zellen im Gyrus dentatus, einem Bereich tief im Gehirn, von dem angenommen wird, dass er für die Bildung neuer Erinnerungen verantwortlich ist. Die Wissenschaftler nutzten eine neue Mikroskopietechnik, um die Bildung neuer Zellen im Gyrus dentatus erwachsener Mäuse zu beobachten.

„Dies ist das erste Mal, dass wir das Wachstum gezahnter Neuronen in einem lebenden Tier abbilden konnten“, sagt Tiago Gonçalves, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Gage-Labor und Erstautor der neuen Arbeit.

Gonçalves und Gage verfolgten über mehrere Wochen hinweg täglich das Wachstum von Neuronen. Wenn Tiere in Umgebungen mit vielen Reizen gehalten wurden – Laufräder, Plastikröhren und Kuppeln –, wuchsen die neuen Zellen schnell und sendeten Dutzende Zweige, sogenannte Dendriten, aus, die elektrische Signale von umgebenden Neuronen empfangen. In leeren Gehäusen wuchsen die neuen Neuronen etwas langsamer und sendeten im Durchschnitt ein paar Dendriten weniger aus. Aber in beiden Fällen begannen die Dendriten der neuen Zellen zurückzuschneiden.

„Was wirklich überraschend war, war, dass die Zellen, die zunächst schneller wuchsen und größer wurden, zurückgeschnitten wurden, sodass sie am Ende allen anderen Zellen ähnelten“, sagt Gonçalves. Er und seine Kollegen zeigten weiterhin, dass veränderte Signalwege einige der Auswirkungen der komplexen Umgebung nachahmen können – Zellen wuchsen anfangs stärker, schnitten aber auch früher zurück.

Warum sollte das Gehirn also Energie aufwenden, um mehr Dendriten zu entwickeln als nötig? Die Forscher vermuten, dass ein Neuron umso flexibler ist, um genau die richtigen Äste zurückzuschneiden, je mehr Dendriten es hat.

„Die Ergebnisse legen nahe, dass ein erheblicher biologischer Druck besteht, den Dendritenbaum dieser Neuronen zu erhalten oder zu erhalten“, sagt Gage.

Defekte in den Dendriten von Neuronen werden mit zahlreichen Erkrankungen des Gehirns in Verbindung gebracht, darunter Schizophrenie, Alzheimer, Epilepsie und Autismus. Die Darstellung, wie das Gehirn diese Zweige formt – sowohl während der Embryonalentwicklung als auch im Erwachsenenalter – könnte der Schlüssel zum Verständnis der psychischen Gesundheit sein.

„Das hat auch große Auswirkungen auf die regenerative Medizin“, sagt Gonçalves. „Könnten wir Zellen in diesem Bereich des Gehirns durch neue Stammzellen ersetzen und würden sie sich auf die gleiche Weise entwickeln? Wir wissen es noch nicht.“

Weitere Forscher an der Studie waren Cooper W. Bloyd, Matthew Shtrahman, Stephen T. Johnston, Simon T. Schafer, Sarah L. Parylak, Tranh Tran und Tina Chang vom Salk Institute.

Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden durch Zuschüsse von unterstützt Die James S. McDonnell Foundation, CIRM, G. Harold & Leila Y. Mathers Wohltätigkeitsstiftung, Annette Merle-Smith, JBP-Stiftung, NIH und Der Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust.