27. Februar 2002
La Jolla, Kalifornien – Wissenschaftler des Salk Institute haben zum ersten Mal beobachtet, dass neue Zellen im erwachsenen Gehirn im Laufe der Zeit wachsen und reifen und genauso funktionieren wie alle ihre benachbarten Neuronen.
Die Studie liefert den Beweis, dass neugeborene Zellen in bestehende neuronale Schaltkreise integriert werden und das Gehirn mit einem kontinuierlichen Reservoir an jugendlichen, aktiven Zellen versorgen. Solche Zellen könnten dann ältere Neuronen ersetzen oder möglicherweise dazu verwendet werden, das Gehirn umzugestalten, damit es lernen und sich an neue Erfahrungen anpassen kann.
„Dies ist der erste Beweis dafür, dass neue Zellen, die im erwachsenen Gehirn entstehen, funktionsfähig sind“, sagte er Fred Gage, Professor an der Salk University und leitender Autor einer Studie, die in der Nature-Ausgabe vom 28. Februar erschien und diese Ergebnisse beschreibt.
Es war Gage, der im November 1998 entdeckte, dass erwachsene Menschen, selbst ältere Menschen, im Laufe ihres Lebens in einem Prozess namens Neurogenese neue Gehirnzellen erzeugen können. Diese bahnbrechende Studie stellte das lang gehegte Dogma auf den Kopf, das besagte, dass wir mit einem vollen Vorrat an Gehirnzellen geboren werden, der im Laufe unseres Lebens stetig abnimmt.
Nachfolgende Studien von Gage und seinen Kollegen ergaben, dass die Anzahl neuer Gehirnzellen durch Aktivität und andere Umweltreize beeinflusst werden könnte. Das Gage-Team zeigte beispielsweise, dass laufende Mäuse mehr Gehirnzellen in einer für Lernen und Gedächtnis wichtigen Region – dem Hippocampus – wachsen lassen als ihre sesshaften Artgenossen.
Trotz dieser Arbeit wussten die Wissenschaftler immer noch nicht, ob diese neuen Zellen tatsächlich wie jedes andere Neuron funktionieren oder ob sie wie andere Gehirnzellen wachsen und reifen. Die aktuelle Studie, die die Entwicklung einer neuen Technik zur Messung der elektrischen Aktivität in lebenden Gehirnzellen erforderte, sollte diese Zweifel ausräumen.
Bisher basierten praktisch alle Neurogenese-Studien auf einer Methode, bei der bestimmte Marker verwendet wurden, die aufgenommen und in die DNA sich teilender Zellen integriert werden. Während diese unreifen Zellen im Laufe der Zeit wachsen, bieten die Marker eine visuelle Darstellung des anatomischen Schicksals dieser Zelle. So können Wissenschaftler Monate später sehen, ob die Zelle letztendlich zu einem Neuron oder etwas anderem wird.
Allerdings sagt diese Technik nichts über die Zellfunktion aus. Es liefert auch kein anschauliches Bild davon, wie oder ob Zellen so heranreifen, dass sie wie jedes andere vollständig integrierte Neuron aussehen. Einige haben spekuliert, dass diese neuen Gehirnzellen kurz nach der Geburt sterben, ohne zu normalen Zellen heranzureifen.
Um diese Fragen zu beantworten, mussten Gage und sein Team eine Technik erfinden, die es ihnen ermöglicht, lebende Gehirnzellen während ihrer Reifung zu beobachten, während sie andere seit langem akzeptierte Tests für elektrische Aktivität durchführen. Die Gruppe wandte sich Retroviren zu, von denen bekannt ist, dass sie sich in sich teilende Zellen integrieren; Es ist jedoch auch bekannt, dass diese Organismen während der Zellteilung abschalten. Um dieses Hindernis zu überwinden, hat das Gage-Team neue Retroviren entwickelt, deren „Ein-Schalter“ während dieses Prozesses und der nachfolgenden Zellteilungen aktiv bleibt. Dieses veränderte Retrovirus wurde dann in Kombination mit einem leuchtenden Marker namens grün fluoreszierendes Protein (GFP) Labortieren injiziert.
Zunächst konnten sie nicht genügend Gehirnzellen infizieren, um eindeutige Ergebnisse zu erzielen.
„Wir wussten, dass wir die Zahl der sich teilenden Zellen erhöhen mussten“, sagte Henriette van Praag, wissenschaftliche Mitarbeiterin in Gages Labor und Hauptautorin der Studie, die durch Zuschüsse der National Institutes of Health, der Christopher Reeve Paralysis Foundation und unterstützt wurde Der Lookout Fund.
„Also haben wir an das Laufrad gedacht. Wenn wir die Tiere in ein Laufrad setzen würden, wie wir aus früheren Experimenten gelernt haben, würden wir die Wahrscheinlichkeit erhöhen, mehr infizierte Zellen zu bekommen. Und genau das ist passiert.
„Nachdem wir diesen Tieren das Virus injiziert hatten, sahen wir viele, viele weitere Zellen.“
Vier Wochen später betrachteten die Wissenschaftler die Ergebnisse unter einem Fluoreszenzmikroskop. Das von den neugeborenen Gehirnzellen aufgenommene grüne Protein enthüllte nun die Anatomie junger Neuronen mit langen Axonen, die elektronische Nachrichten übertragen, und Dendriten, den Antennen, die Signale aus der Umgebung empfangen.
Um dann zu sehen, ob diese Zellen tatsächlich funktionieren, wandten sich die Wissenschaftler einem Gerät namens Patch-Clamp zu, das die elektrische Aktivität überwacht. Elektrophysiologische Studien, durchgeführt von Alexandro F. Schinder und Brian R. Christie, den Co-Autoren der Studie, zeigten, dass diese Zellen fast wie jedes andere Neuron elektrische Impulse erzeugten und empfingen.
„Alle elektrophysiologischen Parameter dieser einen Monat alten Zelle entsprachen denen unbeschrifteter Zellen, mit Ausnahme der Kapazität, die das Volumen misst“, sagte Gage. „Es stellte sich heraus, dass die Volumina in diesen ein Monat alten Zellen relativ klein waren.“
„Wir dachten nicht, dass unser Virus vier Monate oder länger überleben würde, aber wir hatten eine separate Gruppe von Tieren, die vier Monate alt waren, und so haben wir sie uns angesehen.“
Zur Überraschung des Teams überlebte das Virus bei diesen älteren Tieren und zeigte unter dem Mikroskop größere und reifere Neuronen als ihre jüngeren Artgenossen, mit dichten Wäldern komplexer Dendriten, die von anderen reifen Neuronen nicht zu unterscheiden waren.
„Der Unterschied, den wir zwischen einem Monat und vier Monaten sehen, spiegelt die dynamische Natur dieser Zellen und die dynamische Natur des Zentralnervensystems wider“, sagte Gage. „Das ist wirklich eine aufregende Entwicklung.“
In ihren nächsten Studien hofft das Gage-Team herauszufinden, was diese neuen Neuronen tatsächlich tun.
„Eine mögliche Hypothese ist, dass möglicherweise neue Neuronen erforderlich sind, um sterbende Neuronen zu ersetzen“, sagte er.
„Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass junge Neuronen dem reifen Gehirn ein höheres Maß an Plastizität verleihen. Diese erhöhte Plastizität würde durch die Integration neuer Funktionseinheiten deutlich werden, deren Konnektivität durch Erfahrung geformt werden kann.“
An der Studie nahmen auch Nicolas Toni und Theo D. Palmer teil.
Das Salk Institute for Biological Studies mit Sitz in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Einrichtung, die sich grundlegenden Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und den Bedingungen sowie der Ausbildung zukünftiger Generationen von Forschern widmet. Das Institut wurde 1960 von Jonas Salk, MD, mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung der March of Dimes Birth Defects Foundation gegründet.
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