Neugeborene Neuronen hängen gerne unter der Masse

7. Mai 2007

Neugeborene Neuronen hängen gerne unter der Masse

7. Mai 2007

La Jolla, Kalifornien – Wie jedes neue Kind in der Nachbarschaft, das versucht, sich anzupassen, müssen neugeborene Gehirnzellen ihren Platz im bestehenden Netzwerk von Neuronen finden. Die Neulinge stürzen sich direkt ins Getümmel und greifen bevorzugt auf reife Gehirnzellen zu, die bereits gut mit den etablierten Schaltkreisen verbunden sind, berichten Wissenschaftler des Salk Institute for Biological Studies in der Online-Ausgabe von Nature Neuroscience.

Zuerst erschnüffeln sie vorsichtig bereits bestehende Verbindungen zwischen Gehirnzellen, aber wenn die neuen Neuronen mit der Zeit heranreifen, werden sie ermutigt und drängen die alten Nervenzellen heraus. „Das Hinzufügen neuer Neuronen könnte ein sehr problematischer Prozess sein, wenn neugeborene Zellen überall Verbindungen herstellen würden“, erklärt Fred H. Gage, Ph.D., Professor am Gene Expression Laboratory und am Vi und John Adler Lehrstuhl für Forschung zu altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen. „Aber wenn sie nur bereits bestehende Verbindungen ersetzen, ist die Fehlerwahrscheinlichkeit geringer“, fügt er hinzu.

Neuronen nehmen über spezielle Strukturen, sogenannte Synapsen, Kontakt auf. Wenn ein Signal, das sich entlang eines Nervenzweigs ausbreitet, im präsynaptischen Bereich ankommt, wird ein chemisches Signal ausgelöst. Die Signalmoleküle wandern über die Synapse und induzieren ein Signal auf der benachbarten, empfangenden Nervenfaser oder dem Dendriten. Ein typisches Neuron verfügt über etwa 7,000 Synapsen, über die es mit etwa 1,000 anderen Zellen in Kontakt bleibt. Es war jedoch unklar, wie junge Neuronen ihre Anwesenheit bekannt machen und sich mit bereits gut vernetzten Älteren verbinden.

„Wenn Sie hoffen, dass neuronale Stammzellen eines Tages beschädigte Neuronen bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson ersetzen können, müssen Sie sicherstellen, dass diese Zellen ordnungsgemäße Verbindungen herstellen, funktionelle Synapsen bilden und sich in den Rest des Gehirns integrieren“, sagt der Postdoktorand Nicolas Toni, Ph.D., der die aktuelle Studie leitete.

Um herauszufinden, wie die Neuankömmlinge das machen, injizierten die Salk-Forscher ein Virus, das das Gen für grün fluoreszierendes Protein trägt, in den Hippocampus, eine Gehirnregion, die neuronale Stammzellen beherbergt, die neue Neuronen hervorbringen. Mit dem Virus infizierte neugeborene Neuronen wurden mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert, der es den Forschern ermöglichte, ihr Schicksal im Laufe der Zeit zu verfolgen, während sie versuchten, in die bestehenden Schaltkreise aufgenommen zu werden.

Mit Hilfe eines ganzen Arsenals an High-Tech-Bildgebungstechnologie und der Elektronentomographie-Expertise von Mark. H. Ellisman, Ph.D., Professor am National Center for Microscopy and Imaging Research an der University of California, San Diego, zoomte Toni dann im Nanometerbereich heran und beobachtete, wie Jung und Alt einander kennenlernten.

Er beobachtete, dass neugeborene Neuronen drei bis vier Wochen nach der Injektion des Virus dendritische Filopodien aussendeten – winzige Fühler, die die Umgebung erforschen. „Als wir sie dreidimensional analysierten, war die Spitze der Filopodien bevorzugt mit Synapsen verbunden, die bereits mit anderen Neuronen verbunden waren“, erklärt Toni.

Als jedoch die neuen Neuronen heranreiften, füllten sich die winzigen Spitzen und begannen, die synaptischen Verbindungen zu monopolisieren. „Das ist unserer Meinung nach der Kern der Studie: Das Überleben neuer Neuronen hängt möglicherweise von der Fähigkeit ab, die älteren vorhandenen Neuronen zu verdrängen“, sagt Gage. Frühere Studien hatten gezeigt, dass junge Neuronen verkümmern und absterben, wenn sie keine Signale von anderen Gehirnzellen empfangen. Durch die Verbindung mit funktionellen Synapsen stellen die neugeborenen Neuronen sicher, dass sie nicht auf Deadbeats zugreifen.

Das Gage-Labor identifizierte zuvor eine Untereinheit des NMDA-Rezeptors, eines Proteinkomplexes, der von benachbarten Zellen gesendete Signale weiterleitet, als lebensrettende Ausrüstung neugeborener Neuronen. 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. Für junge Neuronen bedeutet dieses Signal Überleben.

Tatsächlich gelingt es nur etwa der Hälfte aller neugeborenen Neuronen, sich erfolgreich in das bestehende Netzwerk von Gehirnzellen zu integrieren, zumindest bei Mäusen, die in einfachen Standardkäfigen leben. Wenn man den Mäusen eine anregende, bereichernde Umgebung bietet – große Käfige voller Laufräder, farbiger Tunnel und Spielgefährten – erhöht sich die Anzahl der Neuronen, die es schaffen, sich mit dem bestehenden Netzwerk zu verbinden, auf 80 Prozent, was die Beobachtung verstärkt, dass die Nutzung der eigenen Gehirnzellen sinnvoll ist beste Möglichkeit, die Gehirnfunktion ein Leben lang zu optimieren.

Außerdem beteiligten sich die Postdoktoranden E. Matthew Teng, Ph.D., James B. Aimone, Ph.D., Chunmei Zhao, Ph.D., Antonella Consiglio, Ph.D., die wissenschaftliche Mitarbeiterin Henriette van Praag, an der Studie. Ph.D., alle am Salk Institute, und die Postdoktoranden Eric A. Bushong, Maryann E. Martone, Ph.D. und Mark H. Ellisman am National Center for Microscopy and Imaging Research der University of California, San Diego.

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.