Grundlagen des Gehirns: Leben und Tod eines Neurons
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Einführung
Der Aufbau des Neurons
Geburt
Wanderung
Differenzierung
Tod
Hoffnung durch Forschung
Einführung
Bis vor kurzem dachten die meisten Neurowissenschaftler, dass wir mit allen Neuronen geboren werden, die wir jemals haben werden. Als Kinder produzieren wir vielleicht einige neue Neuronen, um die Bahnen – die so genannten neuronalen Schaltkreise – aufzubauen, die als Informationsautobahnen zwischen verschiedenen Bereichen des Gehirns dienen. Die Wissenschaftler glaubten jedoch, dass, sobald ein neuronaler Schaltkreis vorhanden ist, das Hinzufügen neuer Neuronen den Informationsfluss stören und das Kommunikationssystem des Gehirns außer Kraft setzen würde.
Im Jahr 1962 stellte der Wissenschaftler Joseph Altman diese Annahme in Frage, als er in einer Region des erwachsenen Rattengehirns, dem Hippocampus, Beweise für die Neurogenese (die Geburt von Neuronen) fand. Später berichtete er, dass neugeborene Neuronen von ihrem Geburtsort im Hippocampus in andere Teile des Gehirns wandern. 1979 bestätigte ein anderer Wissenschaftler, Michael Kaplan, Altmans Ergebnisse im Rattenhirn, und 1983 fand er neurale 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 zutreffen könnten. Doch in den frühen 1980er Jahren schlug ein Wissenschaftler, der zu verstehen versuchte, wie Vögel singen lernen, vor, dass die Neurowissenschaftler die Neurogenese im erwachsenen Gehirn erneut untersuchen sollten, um herauszufinden, wie sie sinnvoll sein könnte. In einer Reihe von Experimenten zeigten Fernando Nottebohm und sein Forschungsteam, dass die Zahl der Neuronen im Vorderhirn männlicher Kanarienvögel während der Paarungszeit dramatisch anstieg. Dies war die gleiche Zeit, in der die Vögel neue Gesänge lernen mussten, um Weibchen anzulocken.
Warum fügten diese Vogelgehirne Neuronen zu einem so kritischen Zeitpunkt beim Lernen hinzu? Nottebohm glaubte, dass dies daran lag, dass neue Neuronen dazu beitrugen, neue Gesangsmuster 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 bilden, die ihnen beim Erinnern und Lernen helfen, könnte dies auch für die Gehirne von Säugetieren gelten, dachte Nottebohm.
Andere Wissenschaftler glaubten, dass diese Erkenntnisse nicht auf Säugetiere zutreffen könnten, aber Elizabeth Gould fand später Beweise für neugeborene Neuronen in einem bestimmten Bereich des Gehirns von Affen, und Fred Gage und Peter Eriksson zeigten, dass das erwachsene menschliche Gehirn neue Neuronen in einem ähnlichen Bereich produziert.
Für einige Neurowissenschaftler ist die Neurogenese im erwachsenen Gehirn immer noch eine unbewiesene Theorie. Andere sind jedoch der Meinung, dass die Beweise faszinierende Möglichkeiten für die Rolle der von Erwachsenen erzeugten Neuronen beim Lernen und Gedächtnis bieten.
Die Architektur des Neurons
Das zentrale Nervensystem (das das Gehirn und das Rückenmark umfasst) besteht aus zwei grundlegenden Zelltypen: Neuronen (1) und Glia (4) & (6). In einigen Teilen des Gehirns gibt es mehr Glia als Neuronen, aber die Neuronen sind die Hauptakteure im Gehirn.
Neuronen sind Informationsübermittler. Sie verwenden elektrische Impulse und chemische Signale, um Informationen zwischen verschiedenen Bereichen des Gehirns sowie zwischen dem Gehirn und dem übrigen Nervensystem zu übermitteln. Alles, was wir denken, fühlen und tun, wäre ohne die Arbeit der Neuronen und ihrer Unterstützungszellen, der Gliazellen, die Astrozyten (4) und Oligodendrozyten (6) genannt werden, unmöglich.
Neuronen bestehen aus drei grundlegenden Teilen: einem Zellkörper und zwei Fortsätzen, die Axon (5) und Dendrit (3) genannt werden. Im Zellkörper 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 überträgt die Nachrichten der Zelle. Die Dendriten sehen aus wie die Äste eines Baumes und empfangen Nachrichten für die Zelle. Neuronen kommunizieren miteinander, indem sie Chemikalien, so genannte Neurotransmitter, über einen winzigen Raum, eine so genannte Synapse, zwischen den Axonen und Dendriten benachbarter Neuronen senden.
Es gibt drei Klassen von Neuronen:
- Sensorische Neuronen leiten Informationen von den Sinnesorganen (wie den Augen und Ohren) zum Gehirn.
- Motorische Neuronen steuern die willkürliche Muskeltätigkeit, wie z.B. das Sprechen, und leiten Nachrichten von den Nervenzellen im Gehirn zu den Muskeln.
- Alle anderen Neuronen werden Interneuronen genannt.
Wissenschaftler glauben, dass Neuronen die vielfältigste Art von Zellen im Körper sind. Innerhalb dieser drei Klassen von Neuronen gibt es Hunderte von verschiedenen Typen, von denen jeder spezifische Fähigkeiten zur Übermittlung von Botschaften hat.
Wie diese Neuronen miteinander kommunizieren, indem sie Verbindungen herstellen, macht jeden von uns einzigartig darin, wie wir denken, fühlen und handeln.
Geburt
Das Ausmaß, in dem neue Neuronen im Gehirn entstehen, ist ein kontroverses Thema unter Neurowissenschaftlern. Obwohl die meisten Neuronen bereits bei der Geburt in unserem Gehirn vorhanden sind, 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 von neuralen Vorläuferzellen (auch neurale Stammzellen genannt) sind. Diese Zellen haben das Potenzial, die meisten, wenn nicht sogar alle verschiedenen Arten von Neuronen und Glia im Gehirn hervorzubringen.
Neurowissenschaftler haben beobachtet, wie sich neurale Vorläuferzellen im Labor verhalten. Auch wenn dies nicht genau dem Verhalten dieser Zellen entspricht, 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 zu beschreiben, wie neurale Stammzellen die anderen Zellen des Gehirns erzeugen. Sie nennen es den Stammbaum einer Stammzelle, der im Prinzip einem Familienstammbaum ähnelt.
Neurale Stammzellen vermehren sich, indem sie sich teilen und entweder zwei neue Stammzellen oder zwei frühe Vorläuferzellen oder eine von beiden produzieren.
Wenn sich eine Stammzelle teilt, um eine andere Stammzelle zu produzieren, spricht man von Selbsterneuerung. Diese neue Zelle hat das Potenzial, weitere Stammzellen zu bilden.
Wenn sich eine Stammzelle teilt, um eine frühe Vorläuferzelle zu produzieren, spricht man von Differenzierung. Differenzierung bedeutet, dass die neue Zelle in Form und Funktion stärker spezialisiert ist. Eine frühe Vorläuferzelle hat nicht das Potenzial einer Stammzelle, viele verschiedene Zelltypen zu bilden. Sie kann nur Zellen in ihrer speziellen Abstammungslinie bilden.
Frühe Vorläuferzellen können sich selbst erneuern oder einen von zwei Wegen einschlagen. Die eine Art wird Astrozyten hervorbringen. Der andere Typ wird schließlich Neuronen oder Oligodendrozyten hervorbringen.
Migration
Wenn ein Neuron geboren ist, muss es zu dem Ort im Gehirn reisen, an dem es seine Arbeit verrichten wird.
Wie weiß ein Neuron, wohin es gehen soll? Was hilft ihm, dorthin zu gelangen?
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Neuronen mindestens zwei verschiedene Methoden verwenden, um sich fortzubewegen:
- Einige Neuronen wandern, indem sie den langen Fasern von Zellen folgen, die radiale Glia genannt werden. Diese Fasern erstrecken sich von den inneren Schichten zu den äußeren Schichten des Gehirns. Die Neuronen gleiten entlang der Fasern, bis sie ihr Ziel erreichen.
- Neuronen wandern auch mit Hilfe chemischer Signale. Wissenschaftler haben spezielle Moleküle auf der Oberfläche von Neuronen gefunden – Adhäsionsmoleküle – die sich mit ähnlichen Molekülen auf nahe gelegenen Gliazellen oder Nervenachsen verbinden. Diese chemischen Signale leiten das Neuron an seinen endgültigen Standort.
Nicht alle Neuronen sind auf ihrer Reise erfolgreich. Wissenschaftler gehen davon aus, 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, schaffen Bereiche mit fehlplatzierten oder seltsam geformten Neuronen, die Störungen wie Epilepsie bei Kindern verursachen können. Einige Forscher vermuten, dass Schizophrenie und die Lernstörung Legasthenie teilweise das Ergebnis fehlgeleiteter Neuronen sind.
Differenzierung
Wenn ein Neuron sein Ziel erreicht hat, muss es sich einrichten, 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 motorischen Neurons oder eines Interneurons übernehmen, indem es bestimmte Neurotransmitter sendet und empfängt.
Im sich entwickelnden Gehirn hängt ein Neuron von molekularen Signalen anderer Zellen, wie z. B. Astrozyten, ab, um seine Form und seinen Standort zu bestimmen, die Art des Transmitters, den es produziert, und mit welchen anderen Neuronen es sich verbinden wird. Diese frisch geborenen Zellen legen neuronale Schaltkreise an – oder Informationswege, die Neuron zu Neuron verbinden -, die im Erwachsenenalter bestehen bleiben.
Im erwachsenen Gehirn sind die neuronalen Schaltkreise jedoch bereits entwickelt, und die Neuronen müssen einen Weg finden, sich einzufügen. Wenn sich ein neues Neuron einnistet, beginnt es, wie die umgebenden Zellen auszusehen. Es entwickelt ein Axon und Dendriten und beginnt, mit seinen Nachbarn zu kommunizieren.
Tod
Obwohl Neuronen die am längsten lebenden Zellen im Körper sind, stirbt eine große Anzahl von ihnen während der Migration und Differenzierung.
Das Leben einiger Neuronen kann abnorme Wendungen nehmen. Einige Erkrankungen des Gehirns sind das Ergebnis eines unnatürlichen Absterbens von Neuronen.
– Bei der Parkinson-Krankheit sterben Neuronen, die den Neurotransmitter Dopamin produzieren, in den Basalganglien ab, einem Bereich des Gehirns, der Körperbewegungen kontrolliert. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Einleitung von Bewegungen.
– Bei der Chorea Huntington führt eine genetische Mutation zu einer Überproduktion des Neurotransmitters Glutamat, der die Neuronen in den Basalganglien abtötet. Infolgedessen verdrehen sich die Menschen und krümmen sich unkontrolliert.
– Bei der Alzheimer-Krankheit lagern sich ungewöhnliche Proteine in und um die Neuronen im Neokortex und Hippocampus ab, Teile des Gehirns, die das Gedächtnis steuern. Wenn diese Neuronen absterben, verlieren die Betroffenen ihr Erinnerungsvermögen und ihre Fähigkeit, alltägliche Aufgaben zu erledigen. Physische Schäden am Gehirn und anderen Teilen des zentralen Nervensystems können ebenfalls Neuronen abtöten oder außer Gefecht setzen.
– Schläge auf das Gehirn oder Schäden, die durch einen Schlaganfall verursacht werden, können Neuronen vollständig abtöten oder ihnen langsam den Sauerstoff und die Nährstoffe entziehen, die sie zum Überleben brauchen.
– Verletzungen des Rückenmarks können die Kommunikation zwischen dem Gehirn und den Muskeln unterbrechen, 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, wenn sie mehr über das Leben und Sterben von Neuronen verstehen, neue Behandlungen und möglicherweise sogar Heilmittel für Erkrankungen und Störungen des Gehirns entwickeln können, die das Leben von Millionen von Amerikanern beeinträchtigen.
Die neuesten Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass neurale Stammzellen viele, wenn nicht sogar alle, der verschiedenen Arten von Neuronen erzeugen können, die im Gehirn und im Nervensystem vorkommen. Wenn man lernt, diese Stammzellen im Labor so zu manipulieren, dass sie bestimmte Arten von Neuronen bilden, könnte man einen neuen Vorrat an Gehirnzellen erzeugen, um die abgestorbenen oder geschädigten Zellen zu ersetzen.
Es könnten auch Therapien entwickelt werden, die sich Wachstumsfaktoren und andere Signalmechanismen im Gehirn zunutze machen, die Vorläuferzellen anweisen, neue Neuronen zu bilden. Dies würde es ermöglichen, das Gehirn von innen heraus zu reparieren, umzugestalten und zu erneuern.
Für Informationen über andere neurologische Erkrankungen oder vom National Institute of Neurological Disorders and Stroke finanzierte Forschungsprogramme wenden Sie sich bitte an das Brain Resources and Information Network (BRAIN) des Instituts unter:
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