Juli 9, 2009
LA JOLLA, CA – Obwohl die Tatsache, dass wir im Laufe des Lebens neue Gehirnzellen erzeugen, unbestritten ist, war ihr Zweck Gegenstand vieler Debatten. Nun hat eine internationale Forscherkooperation einen großen Schritt nach vorne gemacht, um zu verstehen, was all diese neugeborenen Neuronen tatsächlich tun könnten. Ihre Studie, die in der Ausgabe der Zeitschrift Science vom 10. Juli 2009 veröffentlicht wurde, zeigt, wie diese jungen Zellen unsere Fähigkeit verbessern, sich in unserer Umwelt zurechtzufinden.
„Wir glauben, dass neue Gehirnzellen uns helfen, zwischen Erinnerungen zu unterscheiden, die im Raum eng miteinander verbunden sind“, sagt der leitende Autor Fred H. Gage, Ph.D., Professor am Labor für Genetik am Salk Institute und am Vi and John Adler Chair for Research on Age-Related Neurodegenerative Diseases, der die Studie gemeinsam mit Timothy J. Bussey, Ph.D., leitete, ein leitender Dozent in der Abteilung für Experimentelle Psychologie der Universität Cambridge, Großbritannien, und Roger A. Barker, PhD., ehrenamtlicher Berater für Neurologie am Addenbrookes Hospital und Dozent an der Universität Cambridge.
Als die ersten Hinweise auftauchten, dass im Gehirn erwachsener Menschen ständig neue Neuronen entstehen, war einer der zentralen Grundsätze der Neurowissenschaften – wir werden mit allen Gehirnzellen geboren, die wir jemals haben werden – kurz davor, auf den Kopf gestellt zu werden. Obwohl es nie einfach ist, ein Paradigma zu ändern, stellt sich ein Jahrzehnt später nicht mehr die Frage, ob es Neurogenese gibt, sondern vielmehr, wofür all diese neuen Zellen eigentlich gut sind.
Das Bild zeigt eine PAL-Aufgabe (Paired Associates Learning), bei der Mäuse ein bestimmtes Objekt an der richtigen Stelle auf einem Touchscreen auswählen müssen, um eine Belohnung zu erhalten. Erwachsene Mäuse, denen die adulte Neurogenese fehlt, zeigten eine spezifische Beeinträchtigung der Mustertrennung, was auf eine spezifische Funktion des Gyrus dentatus für neugeborene Neuronen im erwachsenen Gehirn schließen lässt. Im Erwachsenenalter geborene Neuronen werden im roten Hintergrund dargestellt.
Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Jamie Simon, Salk Institute for Biological Studies
„Das Hinzufügen neuer Neuronen könnte ein sehr problematischer Prozess sein, wenn sie sich nicht richtig in die bestehenden neuronalen Schaltkreise integrieren“, sagt Gage. „Es muss ein klarer Nutzen vorhanden sein, der das potenzielle Risiko überwiegt.“
Der aktivste Bereich der Neurogenese liegt im Hippocampus, einem kleinen seepferdchenförmigen Bereich tief im Gehirn. Es verarbeitet und verteilt das Gedächtnis an die entsprechenden Speicherabschnitte im Gehirn, nachdem es die Informationen für einen effizienten Abruf vorbereitet hat. „Jeden Tag machen wir unzählige Erfahrungen, die Zeit, Emotionen, Absicht, Geruch und viele andere Dimensionen beinhalten“, sagt Gage. „Alle Informationen kommen vom Kortex und werden durch den Hippocampus geleitet. Dort werden sie zusammengepackt, bevor sie wieder an die Großhirnrinde abgegeben werden, wo sie gespeichert werden.“
Frühere Studien einer Reihe von Labors, darunter auch das von Gage, hatten gezeigt, dass neue Neuronen irgendwie zum Hippocampus-abhängigen Lernen und Gedächtnis beitragen, die genaue Funktion blieb jedoch unklar.
Der Gyrus dentatus ist die erste Relaisstation im Hippocampus für Informationen aus dem Kortex. Beim Durchgang werden die eingehenden Signale aufgeteilt und auf zehnmal so viele Zellen verteilt. Es wird angenommen, dass dieser Prozess, der als Mustertrennung bezeichnet wird, dem Gehirn dabei hilft, einzelne Ereignisse zu trennen, die Teil eingehender Erinnerungen sind. „Da der Gyrus dentatus zufällig auch der Ort ist, an dem die Neurogenese stattfindet, dachten wir ursprünglich, dass das Hinzufügen neuer Neuronen bei der Mustertrennung helfen könnte“, sagt Gage.
Diese Hypothese ermöglichte es der Doktorandin Claire Clelland, die ihre Zeit zwischen den Labors in La Jolla und Cambridge aufteilte, Experimente zu entwerfen, die diese Funktion des Gyrus dentatus gezielt herausfordern würden, indem sie verschiedene Verhaltensaufgaben und zwei unterschiedliche Strategien nutzten, um die Neurogenese im Dentatus selektiv zu unterbrechen Gyrus.
Neurogenese Im menschlichen Gehirn entstehen im Laufe des Lebens neue Neuronen (grün dargestellt), insbesondere im Hippocampus, dem Lern- und Gedächtniszentrum des Gehirns.
Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Sebastian Jessberger, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
In der ersten Reihe von Experimenten mussten Mäuse die Position einer Futterbelohnung lernen, die relativ zur Position einer früheren Belohnung in einem achtarmigen radialen Labyrinth präsentiert wurde. „Mäuse ohne Neurogenese hatten keine Probleme, den neuen Standort zu finden, solange er weit genug vom ursprünglichen Standort entfernt war“, sagt Clelland, „aber sie konnten die beiden nicht unterscheiden, wenn sie nahe beieinander waren.“
Ein Touchscreen-Experiment bestätigte die Unfähigkeit von Mäusen mit Neurogenese-Mangel, zwischen nahe beieinander liegenden Orten zu unterscheiden, zeigte aber auch, dass diese Mäuse im Allgemeinen keine Probleme damit hatten, räumliche Informationen abzurufen. „Neurogenese hilft uns, feinere Unterscheidungen zu treffen und scheint eine ganz spezifische Rolle bei der Bildung räumlicher Erinnerungen zu spielen“, sagt Clelland. Gage fügt hinzu: „Es ist wertvoll, etwas über die Beziehung zwischen einzelnen Ereignissen zu wissen, und je näher sie kommen, desto wichtiger werden diese Informationen.“
Aber die Mustertrennung ist möglicherweise nicht die einzige Rolle, die neue Neuronen bei der Gehirnfunktion von Erwachsenen spielen: Ein Computermodell, das die neuronalen Schaltkreise im Gyrus dentatus auf der Grundlage aller verfügbaren biologischen Informationen simuliert, deutete auf eine zusätzliche Funktion hin. „Zu unserer Überraschung stellte sich heraus, dass neugeborene Neuronen tatsächlich eine Verbindung zwischen einzelnen Elementen zeitlich dicht aufeinanderfolgender Episoden herstellen“, sagt Gage.
Vor diesem Hintergrund planen er und sein Team nun Experimente, um herauszufinden, ob neue Neuronen auch für die Kodierung zeitlicher oder kontextueller Beziehungen von entscheidender Bedeutung sind.
Zu den Forschern, die ebenfalls zu der Arbeit beigetragen haben, gehören M. Choi, A. Fragniere und P. Tyers vom Centre for Brain Repair der Universität Cambridge, Großbritannien, sowie C. Romberg und L. M Saksida von der Abteilung für Experimentelle Psychologie der Universität Cambridge Universität Cambridge, Großbritannien, Doktorand G. Dane Clemenson Jr. im Labor für Genetik am Salk Institute for Biological Studies und Assistenzprofessor Sebastian Jessberger, MD am Institut für Zellbiologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, Schweiz .
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