Brain Basics: Leben und Tod eines Neurons

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Einführung
Die Architektur des Neurons
Geburt
Migration
Differenzierung
Tod
Hoffnung durch Forschung

Einführung

Bis vor kurzem dachten die meisten Neurowissenschaftler, dass wir mit allen Neuronen geboren wurden, die wir jemals haben würden. Als Kinder könnten wir einige neue Neuronen produzieren, um die Wege – sogenannte neuronale Schaltkreise – aufzubauen, die als Informationsautobahnen zwischen verschiedenen Bereichen des Gehirns fungieren. Aber Wissenschaftler glaubten, dass, sobald eine neuronale Schaltung vorhanden war, das Hinzufügen neuer Neuronen den Informationsfluss stören und das Kommunikationssystem des Gehirns deaktivieren würde.

1962 stellte der Wissenschaftler Joseph Altman diesen Glauben in Frage, als er Beweise für Neurogenese (die Geburt von Neuronen) in einer Region des erwachsenen Rattengehirns, dem Hippocampus, sah. Er berichtete später, dass neugeborene Neuronen von ihrem Geburtsort im Hippocampus in andere Teile des Gehirns wanderten. 1979 bestätigte ein anderer Wissenschaftler, Michael Kaplan, Altmans Befunde im Rattenhirn, und 1983 fand er neuronale Vorläuferzellen im Vorderhirn eines erwachsenen Affen.

Diese Entdeckungen über die Neurogenese im erwachsenen Gehirn waren für andere Forscher überraschend, die nicht glaubten, dass sie beim Menschen wahr sein könnten. Aber in den frühen 1980er Jahren schlug ein Wissenschaftler, der versuchte zu verstehen, wie Vögel singen lernen, vor, dass Neurowissenschaftler die Neurogenese im erwachsenen Gehirn erneut betrachten und beginnen zu sehen, wie es sinnvoll sein könnte. In einer Reihe von Experimenten zeigten Fernando Nottebohm und sein Forschungsteam, dass die Anzahl der Neuronen im Vorderhirn männlicher Kanarienvögel während der Paarungszeit dramatisch anstieg. Dies war die gleiche Zeit, in der die Vögel neue Lieder lernen mussten, um Frauen anzulocken.

Warum haben diese Vogelhirne Neuronen zu einem so kritischen Zeitpunkt des Lernens hinzugefügt? Nottebohm glaubte, dass frische Neuronen dazu beitrugen, neue Liedmuster in den neuronalen Schaltkreisen des Vorderhirns zu speichern, dem Bereich des Gehirns, der komplexe Verhaltensweisen steuert. Diese neuen Neuronen ermöglichten das Lernen. Wenn Vögel neue Neuronen bildeten, um ihnen zu helfen, sich zu erinnern und zu lernen, dachte Nottebohm, dass die Gehirne von Säugetieren auch könnten.

Andere Wissenschaftler glaubten, dass diese Ergebnisse nicht auf Säugetiere zutreffen könnten, aber Elizabeth Gould fand später Hinweise auf neugeborene Neuronen in einem bestimmten Bereich des Gehirns bei Affen, und Fred Gage und Peter Eriksson zeigten, dass das erwachsene menschliche Gehirn in einem ähnlichen Bereich neue Neuronen produzierte.

Für einige Neurowissenschaftler ist die Neurogenese im erwachsenen Gehirn immer noch eine unbewiesene Theorie. Aber andere denken, dass die Beweise faszinierende Möglichkeiten über die Rolle von erwachsenen generierten Neuronen beim Lernen und Gedächtnis bieten.

Die Architektur des Neurons

Das zentrale Nervensystem (einschließlich Gehirn und Rückenmark) besteht aus zwei Grundtypen von Zellen: Neuronen (1) und Glia (4) & (6). Glia sind in einigen Teilen des Gehirns zahlreicher als Neuronen, aber Neuronen sind die Hauptakteure im Gehirn.

Neuronen sind Informationsboten. Sie verwenden elektrische Impulse und chemische Signale, um Informationen zwischen verschiedenen Bereichen des Gehirns und zwischen dem Gehirn und dem Rest des Nervensystems zu übertragen. Alles, was wir denken, fühlen und tun, wäre ohne die Arbeit von Neuronen und ihren Stützzellen, den Gliazellen, die Astrozyten (4) und Oligodendrozyten (6) genannt werden, unmöglich.

Neuronen haben drei grundlegende Teile: einen Zellkörper und zwei Erweiterungen, die als Axon (5) und Dendrit (3) bezeichnet werden. Innerhalb des Zellkörpers befindet sich ein Zellkern (2), der die Aktivitäten der Zelle steuert und das genetische Material der Zelle enthält. Das Axon sieht aus wie ein langer Schwanz und sendet Nachrichten aus der Zelle. Dendriten sehen aus wie die Zweige eines Baumes und empfangen Nachrichten für die Zelle. Neuronen kommunizieren miteinander, indem sie Chemikalien, sogenannte Neurotransmitter, über einen winzigen Raum, eine Synapse genannt, zwischen den Axonen und Dendriten benachbarter Neuronen senden.

Es gibt drei Klassen von Neuronen:

1. Sensorische Neuronen transportieren Informationen von den Sinnesorganen (wie Augen und Ohren) zum Gehirn.
2. Motoneuronen steuern willkürliche Muskelaktivitäten wie Sprechen und transportieren Botschaften von Nervenzellen im Gehirn zu den Muskeln.
3. Alle anderen Neuronen werden Interneurone genannt.

Wissenschaftler glauben, dass Neuronen die vielfältigste Art von Zelle im Körper sind. Innerhalb dieser drei Klassen von Neuronen gibt es Hunderte von verschiedenen Typen mit jeweils spezifischen Fähigkeiten zum Tragen von Nachrichten.

Wie diese Neuronen miteinander kommunizieren, indem sie Verbindungen herstellen, macht jeden von uns einzigartig, wie wir denken, fühlen und handeln.

Inwieweit neue Neuronen im Gehirn entstehen, ist unter Neurowissenschaftlern umstritten. Obwohl die Mehrheit der Neuronen zum Zeitpunkt unserer Geburt bereits in unserem Gehirn vorhanden ist, gibt es Hinweise darauf, dass die Neurogenese (das wissenschaftliche Wort für die Geburt von Neuronen) ein lebenslanger Prozess ist.

Neuronen werden in Bereichen des Gehirns geboren, die reich an Konzentrationen neuronaler Vorläuferzellen (auch neuronale Stammzellen genannt) sind. Diese Zellen haben das Potenzial, die meisten, wenn nicht alle der verschiedenen Arten von Neuronen und Glia im Gehirn zu erzeugen.

Neurowissenschaftler haben beobachtet, wie sich neuronale Vorläuferzellen im Labor verhalten. Obwohl dies möglicherweise nicht genau ist, wie sich diese Zellen verhalten, wenn sie sich im Gehirn befinden, gibt es uns Informationen darüber, wie sie sich verhalten könnten, wenn sie sich in der Umgebung des Gehirns befinden.

Die Wissenschaft der Stammzellen ist noch sehr neu und könnte sich mit zusätzlichen Entdeckungen ändern, aber die Forscher haben genug gelernt, um beschreiben zu können, wie neuronale Stammzellen die anderen Zellen des Gehirns erzeugen. Sie nennen es Stammzellenlinie und es ist im Prinzip einem Stammbaum ähnlich.

Neurale Stammzellen vermehren sich, indem sie sich in zwei Teile teilen und entweder zwei neue Stammzellen oder zwei frühe Vorläuferzellen oder jeweils eine produzieren.

Wenn sich eine Stammzelle teilt, um eine andere Stammzelle zu produzieren, soll sie sich selbst erneuern. Diese neue Zelle hat das Potenzial, mehr Stammzellen herzustellen.

Wenn sich eine Stammzelle teilt, um eine frühe Vorläuferzelle zu produzieren, soll sie sich differenzieren. Differenzierung bedeutet, dass die neue Zelle in Form und Funktion spezialisierter ist. Eine frühe Vorläuferzelle hat nicht das Potenzial einer Stammzelle, viele verschiedene Zelltypen herzustellen. Es kann nur Zellen in seiner bestimmten Linie herstellen.

Frühe Vorläuferzellen können sich selbst erneuern oder auf zwei Arten gehen. Ein Typ wird zu Astrozyten führen. Der andere Typ produziert letztendlich Neuronen oder Oligodendrozyten.

Migration

Sobald ein Neuron geboren ist, muss es zu dem Ort im Gehirn reisen, an dem es seine Arbeit verrichten wird.

Woher weiß ein Neuron, wohin es gehen soll? Was hilft es, dorthin zu gelangen?

Wissenschaftler haben gesehen, dass Neuronen mindestens zwei verschiedene Methoden verwenden, um zu reisen:

1. Einige Neuronen wandern, indem sie den langen Fasern von Zellen folgen, die als radiale Glia bezeichnet werden. Diese Fasern erstrecken sich von den inneren Schichten zu den äußeren Schichten des Gehirns. Neuronen gleiten entlang der Fasern, bis sie ihr Ziel erreichen.
2. Neuronen reisen auch mit chemischen Signalen. Wissenschaftler haben spezielle Moleküle auf der Oberfläche von Neuronen gefunden – Adhäsionsmoleküle -, die mit ähnlichen Molekülen an nahe gelegenen Gliazellen oder Nervenaxonen binden. Diese chemischen Signale führen das Neuron zu seinem endgültigen Standort.

Nicht alle Neuronen sind auf ihrer Reise erfolgreich. Wissenschaftler glauben, dass nur ein Drittel ihr Ziel erreicht. Einige Zellen sterben während des Prozesses der neuronalen Entwicklung.

Einige Neuronen überleben die Reise, landen aber dort, wo sie nicht sein sollten. Mutationen in den Genen, die die Migration steuern, erzeugen Bereiche von verlegten oder seltsam geformten Neuronen, die Störungen wie Epilepsie im Kindesalter verursachen können. Einige Forscher vermuten, dass Schizophrenie und die Lernstörung Legasthenie teilweise auf fehlgeleitete Neuronen zurückzuführen sind.

Sobald ein Neuron sein Ziel erreicht hat, muss es sich einleben, um zu arbeiten. Dieser letzte Schritt der Differenzierung ist der am wenigsten gut verstandene Teil der Neurogenese.

Neuronen sind für den Transport und die Aufnahme von Neurotransmittern verantwortlich – Chemikalien, die Informationen zwischen Gehirnzellen weiterleiten.

Abhängig von seinem Standort kann ein Neuron die Aufgabe eines sensorischen Neurons, eines Motoneurons oder eines Interneurons erfüllen und spezifische Neurotransmitter senden und empfangen.

Im sich entwickelnden Gehirn hängt ein Neuron von molekularen Signalen anderer Zellen wie Astrozyten ab, um seine Form und Position, die Art des Senders, den es produziert, und mit welchen anderen Neuronen es sich verbinden wird, zu bestimmen. Diese frisch geborenen Zellen etablieren neuronale Schaltkreise – oder Informationspfade, die Neuronen mit Neuronen verbinden -, die während des gesamten Erwachsenenalters vorhanden sein werden.

Aber im erwachsenen Gehirn sind neuronale Schaltkreise bereits entwickelt und Neuronen müssen einen Weg finden, sich anzupassen. Wenn sich ein neues Neuron einnistet, sieht es aus wie umgebende Zellen. Es entwickelt ein Axon und Dendriten und beginnt mit seinen Nachbarn zu kommunizieren.

Tod

Obwohl Neuronen die am längsten lebenden Zellen im Körper sind, sterben viele von ihnen während der Migration und Differenzierung.

Das Leben einiger Neuronen kann abnormale Wendungen nehmen. Einige Erkrankungen des Gehirns sind das Ergebnis des unnatürlichen Todes von Neuronen.

– Bei der Parkinson-Krankheit sterben Neuronen, die den Neurotransmitter Dopamin produzieren, in den Basalganglien ab, einem Bereich des Gehirns, der die Körperbewegungen steuert. Dies verursacht Schwierigkeiten, eine Bewegung einzuleiten.

– Bei der Huntington-Krankheit verursacht eine genetische Mutation eine Überproduktion eines Neurotransmitters namens Glutamat, der Neuronen in den Basalganglien abtötet. Infolgedessen drehen und winden sich die Menschen unkontrolliert.

– Bei der Alzheimer-Krankheit bauen sich ungewöhnliche Proteine in und um Neuronen im Neokortex und Hippocampus auf, Teile des Gehirns, die das Gedächtnis steuern. Wenn diese Neuronen absterben, verlieren die Menschen ihre Erinnerungsfähigkeit und ihre Fähigkeit, alltägliche Aufgaben zu erledigen. Körperliche Schäden am Gehirn und anderen Teilen des Zentralnervensystems können auch Neuronen töten oder deaktivieren.

– Schläge auf das Gehirn oder die durch einen Schlaganfall verursachten Schäden können Neuronen direkt töten oder ihnen langsam den Sauerstoff und die Nährstoffe entziehen, die sie zum Überleben benötigen.

– Rückenmarksverletzungen können die Kommunikation zwischen Gehirn und Muskeln stören, wenn Neuronen ihre Verbindung zu Axonen verlieren, die sich unterhalb der Verletzungsstelle befinden. Diese Neuronen können noch leben, aber sie verlieren ihre Fähigkeit zu kommunizieren.

Hoffnung durch Forschung

Wissenschaftler hoffen, dass sie durch das Verständnis von Leben und Tod von Neuronen neue Behandlungen und möglicherweise sogar Heilmittel für Gehirnerkrankungen und -störungen entwickeln können, die das Leben von Millionen von Amerikanern beeinflussen.

Die aktuellste Forschung legt nahe, dass neuronale Stammzellen viele, wenn nicht alle der verschiedenen Arten von Neuronen im Gehirn und im Nervensystem erzeugen können. Zu lernen, wie man diese Stammzellen im Labor in bestimmte Arten von Neuronen manipuliert, könnte eine frische Versorgung mit Gehirnzellen erzeugen, um diejenigen zu ersetzen, die gestorben oder beschädigt wurden.

Therapien könnten auch entwickelt werden, um Wachstumsfaktoren und andere Signalmechanismen im Gehirn zu nutzen, die Vorläuferzellen anweisen, neue Neuronen zu bilden. Dies würde es ermöglichen, das Gehirn von innen heraus zu reparieren, umzuformen und zu erneuern.

Informationen zu anderen neurologischen Störungen oder Forschungsprogrammen, die vom Nationalen Institut für neurologische Störungen und Schlaganfall finanziert werden, erhalten Sie über das Brain Resources and Information Network (BRAIN) des Instituts unter:

BRAIN
P.O. Box 5801
Bethesda, MD 20824
(800) 352-9424
www.ninds.nih.gov

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Erstellt von:
Büro für Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit
Nationales Institut für neurologische Störungen und Schlaganfall
Nationale Gesundheitsinstitute
Bethesda, MD 20892

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