Das Leben und Sterben der Neuronen

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ddp, Beitrag vom 22. November 2021

Bis vor kurzem dachten die meisten Neurowissenschaftler, dass wir mit allen Neuronen geboren werden, die wir jemals haben werden. Als Kinder könnten wir einige neue Neuronen produzieren, um die Bahnen – die so genannten neuronalen Schaltkreise – aufzubauen, die als Informationsautobahnen zwischen verschiedenen Bereichen des Gehirns dienen. Die Wissenschaftler glaubten jedoch, dass das Hinzufügen neuer Neuronen den Informationsfluss stören und das Kommunikationssystem des Gehirns außer Kraft setzen würde, sobald ein neuronaler Schaltkreis vorhanden ist.

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 neuronale Vorläuferzellen im Vorderhirn eines erwachsenen Affen.

Diese Entdeckungen über die Neurogenese im erwachsenen Gehirn waren für andere Forscher überraschend, da sie 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 Lieder lernen mussten, um Weibchen anzulocken.

Warum fügten diese Vogelgehirne zu einem so kritischen Zeitpunkt des Lernens Neuronen hinzu? Nottebohm vermutete, 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 bildeten, die ihnen beim Erinnern und Lernen halfen, 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 von Neuronen, die bei Erwachsenen entstehen, 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 wichtigsten Akteure 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 der sie unterstützenden Zellen, den Gliazellen, die Astrozyten (4) und Oligodendrozyten (6) genannt werden, unmöglich.

Neuronen bestehen aus drei grundlegenden Teilen: einem Zellkörper und zwei Fortsätzen, dem Axon (5) und dem Dendriten (3). 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 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 chemische Stoffe, 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:

  1. Sensorische Neuronen leiten Informationen von den Sinnesorganen (z. B. Augen und Ohren) an das Gehirn weiter.
  2. Motorische Neuronen steuern die willkürliche Muskeltätigkeit, z. B. das Sprechen, und leiten Nachrichten von den Nervenzellen im Gehirn an die Muskeln weiter.
  3. Alle anderen Neuronen werden als Interneuronen bezeichnet.

Wissenschaftler sind der Meinung, 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.

Die Art und Weise, wie diese Neuronen miteinander kommunizieren, indem sie Verbindungen herstellen, macht die Art und Weise, wie wir denken, fühlen und handeln, bei jedem von uns einzigartig.

Geburt

Das Ausmaß, in dem neue Neuronen im Gehirn entstehen, ist unter Neurowissenschaftlern umstritten. Obwohl die meisten Neuronen bereits bei der Geburt in unserem Gehirn vorhanden sind, gibt es Belege dafür, dass die Neurogenese (der wissenschaftliche Begriff für die Entstehung von Neuronen) ein lebenslanger Prozess ist.

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

Neurowissenschaftler haben beobachtet, wie sich neuronale Vorläuferzellen im Labor verhalten. Auch wenn dies nicht genau dem Verhalten dieser Zellen im Gehirn entspricht, gibt es uns doch Aufschluss darüber, wie sie sich in der Umgebung des Gehirns verhalten könnten.

Die Wissenschaft der Stammzellen ist noch sehr neu und könnte sich durch weitere Entdeckungen verändern, aber die Forscher haben genug gelernt, um beschreiben zu können, wie neuronale Stammzellen die anderen Zellen des Gehirns erzeugen. Sie nennen dies die Abstammungslinie einer Stammzelle und sie ähnelt im Prinzip einem Stammbaum.

Neurale Stammzellen vermehren sich, indem sie sich teilen und entweder zwei neue Stammzellen oder zwei frühe Vorläuferzellen oder eines von beidem produzieren.

Wenn sich eine Stammzelle teilt und eine weitere Stammzelle produziert, spricht man von Selbsterneuerung. Diese neue Zelle hat das Potenzial, weitere Stammzellen zu bilden.

Wenn sich eine Stammzelle teilt und eine frühe Vorläuferzelle hervorbringt, 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 entweder selbst erneuern oder einen von zwei Wegen einschlagen. Aus dem einen Typ entstehen Astrozyten. Aus dem anderen Typ entstehen schließlich Neuronen oder Oligodendrozyten.

Migration

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

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

Wissenschaftler haben festgestellt, dass Neuronen mindestens zwei verschiedene Methoden zur Fortbewegung nutzen:

  1. 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.
  2. Neuronen bewegen sich 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. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass nur ein Drittel ihr Ziel erreicht. Einige Zellen sterben während des Prozesses der neuronalen Entwicklung ab.

Einige Neuronen überleben die Reise, landen aber dort, wo sie nicht sein sollten. Mutationen in den Genen, die die Migration steuern, führen zu Bereichen mit fehlgeleiteten 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

Sobald ein Neuron seinen Bestimmungsort erreicht hat, muss es sich eingewöhnen und 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 den Gehirnzellen weiterleiten.

Je nach 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 Lage zu bestimmen, die Art des Transmitters, den es produziert, und mit welchen anderen Neuronen es sich verbinden wird. Diese frisch geborenen Zellen bilden neuronale Schaltkreise – oder Informationswege, die Neuron zu Neuron verbinden -, die im Erwachsenenalter bestehen bleiben.

Aber im erwachsenen Gehirn sind die neuronalen Schaltkreise 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 steuert. Dies führt zu Schwierigkeiten beim Auslösen von Bewegungen.

– Bei der Huntington-Krankheit führt eine genetische Mutation zu einer Überproduktion eines Neurotransmitters namens Glutamat, der die Neuronen in den Basalganglien abtötet. Infolgedessen verdrehen und winden sich die Betroffenen unkontrolliert.

– Bei der Alzheimer-Krankheit lagern sich ungewöhnliche Proteine in und um Neuronen im Neokortex und im Hippocampus ab, also in Teilen des Gehirns, die das Gedächtnis steuern. Wenn diese Neuronen absterben, verlieren die Betroffenen ihr Erinnerungsvermögen und ihre Fähigkeit, alltägliche Aufgaben zu erledigen. Auch physische Schädigungen des Gehirns und anderer Teile des zentralen Nervensystems können Neuronen abtöten oder außer Funktion setzen.

Schläge auf das Gehirn oder Schäden, die durch einen Schlaganfall verursacht werden, können Neuronen vollständig abtöten oder sie langsam mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgen, die sie zum Überleben brauchen.

– Eine Rückenmarksverletzung kann die Kommunikation zwischen Gehirn und Muskeln unterbrechen, wenn die Neuronen ihre Verbindung zu den Axonen unterhalb der Verletzungsstelle verlieren. Diese Neuronen können noch leben, aber sie verlieren ihre Fähigkeit zu kommunizieren.


Dieser Beitrag beschäftigt sich mit einem medizinischen Thema, einem Gesundheitsthema oder einem oder mehreren Krankheitsbildern. Dieser Artikel dient nicht der Selbst-Diagnose und ersetzt auch keine Diagnose durch einen Arzt. Bitte lesen und beachten Sie hier auch den Hinweis zu Gesundheitsthemen! Quellen: Der Beitrag basiert u.a. auf Informationen von MedlinePlus und Wikipedia lizenziert nach CC-by-sa-3.0 oder Open Government v3.0.

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