16. August 2006
La Jolla, Kalifornien – Ob neugeborene Nervenzellen in erwachsenen Gehirnen leben oder sterben, hängt davon ab, ob sie sich ihren Weg in Netzwerke bahnen können, die von reifen Neuronen besetzt sind. Neurowissenschaftler am Salk Institute for Biological Studies haben die molekulare Überlebensausrüstung herausgefunden, die ein junges Neuron benötigt, um erfolgreich ins Getümmel zu springen und sich mit anderen Zellen zu verbinden.
In einer Studie, die in einer kommenden Ausgabe von veröffentlicht wird Natur, Forscher im Labor von Fred H. Gage, Ph.D., Professor am Labor für Genetik und am Vi und John Adler-Lehrstuhl für Forschung zu altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen, identifizieren eine Untereinheit des NMDA-Rezeptors, eines Proteinkomplexes, der von benachbarten Zellen gesendete Signale weiterleitet lebensrettende Ausrüstung der Zellen, die es ihnen ermöglicht, sich in die bestehenden Schaltkreise des Gehirns zu integrieren.
Der NMDA-Rezeptor wird durch den Neurotransmitter Glutamat aktiviert, eine Chemikalie, die von Neuronen freigesetzt wird, um Informationen an benachbarte Zellen zu übertragen. Immer wenn der Rezeptor ein Glutamatsignal aufnimmt, wird er stimuliert und leitet das Signal weiter. Aber für neugeborene Neuronen bedeutet dieses Signal etwas ganz anderes – Überleben.
„Als wir den NMDA-Rezeptor entfernten, also wenn Zellen als Reaktion auf Glutamat in der Umgebung Verbindungen herstellen, verkümmerten die neugeborenen Neuronen und starben in einem bestimmten Stadium ihrer Reifung“, erklärt Gage. „Der NMDA-Rezeptor moduliert die Synapsenbildung und bestimmt, welches Muster an Eingabeaktivität neue Neuronen erhalten, was wiederum über Überleben oder Tod entscheidet.“
Durch die Kombination von Mausgenetik und Gentransfertechniken injizierten Gage und ein Team unter der Leitung des ehemaligen Postdoktoranden Ayumu Tashiro, Ph.D., ein Virus, das ein Paar molekularer Scheren trug, die in der Lage waren, ein Gen, das für einen Teil des NMDA-Rezeptors kodiert, im Hippocampus zu löschen Gehirnregion, die neuronale Stammzellen beherbergt, die neue Neuronen hervorbringen. Mit dem Virus infizierte neugeborene Neuronen wurden mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert, der den Nachweis von Neuronen ermöglichte, die von diesen Zellen stammten.
Einige Wochen später zeigten Tiere, die das Virus erhalten hatten, weniger fluoreszierende Neuronen im Vergleich zu Mäusen, denen ein gutartiges Virus ohne Scherwirkung injiziert worden war, was bedeutet, dass weniger neue Neuronen überlebt hatten, die aus neuralen Stammzellen stammten, in denen der NMDA-Rezeptor eliminiert worden war.
Wenn man Gage zuhört, hat man den Eindruck, dass der Hippocampus ein gefährlicher Ort für ein junges Neuron ist, das versucht, sich seinen Weg in bereits bestehende Netzwerke zu bahnen. „Es ist rau da drin!“ er gibt zu. „Das durch den NMDA-Rezeptor vermittelte Ereignis ist ein Wettbewerb zwischen reifen Zellen, die um Konnektivität wetteifern, und jungen Leuten, die sowohl mit den reifen Zellen als auch mit ihren Artgenossen konkurrieren, um sich anzupassen. Sie wählen die Zelle aus, die in dieser Umgebung am besten funktioniert.“
Das Gage-Labor zeigte zuvor, dass die Geschwindigkeit, mit der neue Neuronen aus Stammzellen entstehen, von der Aktivität eines Tieres abhängt. „Wenn man Tiere in eine angereicherte Umgebung bringt und ihnen Zugang zu Laufrädern gibt, erhöht man das Überleben neuer Gehirnzellen.“ sagt Gage. „Jetzt zeigen wir, dass die Stimulation teilweise über den NMDA-Rezeptor vermittelt werden kann.“
Diese Studien hatten auch gezeigt, dass „trainierte“ Ratten im jungen und mittleren Alter bei Lernaufgaben wie Labyrinthschwimmen bessere Leistungen erbringen, was darauf hindeutet, dass neue Neuronen mehr als nur eine Backup-Versorgung sind, sondern tatsächlich das Lernen fördern.
„Bemerkenswerterweise entstehen neue Neuronen im Hippocampus, einer Struktur, deren Funktion darin besteht, neue Informationen zu erfassen“, sagt Gage. „Das deutet darauf hin, dass neue Zellen daran beteiligt sind, wie wir lernen.“
Dieser anhaltende Kampf um Verbindungen zwischen jungen und reifen Neuronen ist offenbar mehr als nur ein Spektakel, das Mutter Natur bei Laune halten soll: Die Tatsache, dass verbessertes Lernen mit der Neurogenese bei Erwachsenen korreliert, legt nahe, dass ständige Neuordnungen innerhalb neuronaler Netzwerke unbedingt notwendig sind, damit Lernen stattfinden kann.
Tatsächlich bekräftigen Daten aus Studien im Gage-Labor die weit verbreitete Überzeugung, dass die Nutzung der eigenen Gehirnzellen der beste Weg ist, die Gehirnfunktion ein Leben lang zu optimieren.
„Im natürlichen Verlauf des Alterns kommt es zu einem kognitiven Verfall“, sagt Gage. „Wir wissen, dass wir mit zunehmendem Alter die Fähigkeit verlieren, neue Neuronen zu erzeugen. Wir versuchen derzeit herauszufinden, wie wir so viele Neuronen wie möglich erzeugen können, um möglicherweise das Lernen zu verbessern oder den Umfang der Neurogenese bei Erwachsenen zu steigern.“
Zu dieser Studie trugen auch die Postdoktoranden des Gage-Labors Vladislav Sandler, Ph.D., Nicolas Toni, Ph.D. und Chunmei Zhao, Ph.D. bei. Tashiro forscht jetzt an der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim.
Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich grundlegenden Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, MD, dessen Polio-Impfung 1955 die lähmende Krankheit Poliomyelitis nahezu ausgerottet hatte, eröffnete das Institut 1965 mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung des March of Dimes.
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