Neurogenese

Als Neurogenese wird die Bildung von Nervenzellen aus bestimmten Stamm- oder Vorläuferzellen bezeichnet. Unterschieden wird zwischen Neurogenese während der Embryonalentwicklung und nach der Geburt.

Neurogenese während der Embryonalentwicklung

Während der Embryogenese wird die Hirnrinde schichtweise vom Ventrikelsystem her aufgebaut. Dabei entstehen zuerst Nervenzellen, die entlang der Fortsätze sogenannter radialer Gliazellen in Richtung Hirnoberfläche wandern und so die Hirnrinde aufbauen.

Adulte Neurogenese

Bis in die 1990er Jahre hinein galt Neurogenese im menschlichen, erwachsenen zentralen Nervensystem (ZNS) als ausgeschlossen, selbst wenn bekannt war, dass unter anderem bei einigen Singvögeln auch nach der Geschlechtsreife weiterhin Nervenzellen gebildet werden können. Die Neurogenese bei Singvögeln spielt beispielsweise eine wesentliche Rolle beim Erlernen und Verfeinern der Paarungslieder. Neuere Untersuchungen zur Neurogenese zeigen jedoch, dass es beim Menschen, wie auch bei anderen Säugetieren, zu einer Vermehrung neuronaler Stammzellen und zur Bildung neuer Nervenzellen selbst in hohem Alter kommen kann. Bei vielen Säugern (unter anderem bei Ratten und Mäusen) wurde gezeigt, dass die Bildung neuer Zellen sowohl von geistiger, als auch von körperlicher Aktivität abhängig ist^[1]. Es wird vermutet, dass auch die adulte Neurogenese beim Menschen auf gleiche Art und Weise reguliert wird. Durch ihre bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit und Plastizität verändern die jungen Zellen die Informationsverarbeitung in bestimmten Regionen des Gehirns wie zum Beispiel dem Hippocampus.

Adulte Neurogenese im Hippocampus

Adulte Neurogenese findet im Hippocampus im Bereich des Gyrus dentatus statt, genauer gesagt in der subgranulären Zone, welche zwischen Hilus und Körnerzellschicht liegt.^[2] Dort befinden sich die Somata neuronaler Stammzellen, deren apikale Dendriten bis in die Molekularzellschicht reichen.

Neuronale Stammzellen weisen eine hohe Dichte an K⁺-Kanälen, jedoch eine geringe Dichte an Na⁺-Kanälen auf und sind daher nicht erregbar^[3]. Morphologisch gesehen gleichen sie Astrogliazellen (Markerproteine: GFAP, Nestin). Die neuronalen Stammzellen besitzen die Fähigkeit durch mitotische Teilung neue Zellen zu generieren (Proliferationsfähigkeit). Diese neuen entstandenen Zellen werden neuronale Vorläuferzellen (Progenitorzellen) genannt.

Die neuronalen Progenitorzellen, die ebenfalls eine zeitlich begrenzte Proliferationsfähigkeit besitzen (in diesem Zeitfenster besitzen sie eine deutlich höhere Teilungsrate als neuronale Stammzellen^[3]), unterscheiden sich u. a. morphologisch von neuronalen Stammzellen durch den Verlust des Markerproteins GFAP^[3].

Die Regulation der Teilungsrate verläuft auf verschiedenen Ebenen. Zum Einen haben „Stressfaktoren“, wie Cortisol einen hemmenden Effekt^[4] auf die Teilungsrate, zum anderen konnte eine Erhöhung der Teilungsrate u.a. durch Wachstumsfaktoren wie IGF-1 und VEGF^[4] nachgewiesen werden, was auf einem Zusammenhang zwischen Neurogeneserate und körperlicher Aktivität beruht.

Bei den neuronalen Progenitorzellen kommt es zu einer frühzeitigen Expression von NKCCl-Transportern (Na⁺-K⁺-2Cl^--Kotransporter)^[4], wodurch eine hohe intrazelluläre Cl^--Konzentration generiert wird. Dies führt dazu, dass die zunächst fast ausschließlich GABAergen synaptischen Eingänge eine exzitatorische postsynaptische Wirkung zeigen, da früh vorhandene GABA_A–Rezeptoren, welche i. d. R. durch einen Cl^--Ausstrom ein inspiratorisches postsynaptisches Potential erzeugen, aufgrund der hohen intrazellulären Cl^--Konzentration einen Cl^--Ausstrom aus der Zelle initiieren, was zu einer Depolarisation der Membran führt.

Die Depolarisation führt zur Öffnung spannungsabhängiger Kalziumkanäle^[4], was zu einem Ca²⁺-Einstrom in die Zelle führt, der Wachstumsvorgänge einleiten bzw. synaptische Plastizität induzieren kann.

Die Induktion synaptischer Plastizität und eine frühe Integration ins ZNS sind essentiell für das Überleben junger Neurone^[5]. Nur Zellen, die frühzeitig ins ZNS integriert und involviert werden sterben nicht ab. Etwa zwei Wochen nach der mitotischen Teilung der neuronalen Stammzelle sind neugebildete Axone bereits in der CA3-Region des Hippocampus vorzufinden. NKCCl-Transporter werden durch KCC2-Transporter (K⁺-Cl^--Kotransporter) ersetzt^[6], was ein Absinken der intrazellulären Cl^--Konzentration zur Folge hat und GABA wirkt ab einem bestimmten Punkt inhibitorisch. Zur selben Zeit erfahren die jungen Neurone erste glutamaterge synaptische Eingänge, was die Grundlage synaptischer Plastizität (LTP und LTD) durch NMDA-und AMPA-Rezeptoren bildet. Etwa vier Wochen nach der mitotischen Teilung der neuronalen Stammzelle sind keine morphologischen und elektrophysiologischen Unterschiede zu benachbarten Neuronen mehr festzustellen^[6].

Regionen der Neurogenese

An Primaten (Makaken) wurde gezeigt, dass sich neue Nervenzellen bei ihnen in der subventrikulären Zone bilden. Danach wandern diese neuen Neurone entlang fester Pfade in den Cortex, wo sie reifen, Axone und Synapsen bilden und sich in das neuronale Netzwerk des Gehirns einfügen. Später wurde entdeckt, dass auch im menschlichen Gehirn Neurogenese in geringem Umfang noch nach der Pubertät möglich ist. Dies gilt vor allem im Hippocampus und im Riechepithel. Die Riechzellen sind primäre Sinneszellen und differenzieren sich ausgehend von neurogenen Basalzellen. Darüber hinaus gibt es auch in der menschlichen subventrikulären Zone Stammzellen, die in der Lage sind, neue Nervenzellen zu produzieren. Beteiligt an diesen Prozessen sind Mediatormoleküle, die als Neurotrophine oder Nervenwachstumsfaktoren bezeichnet werden.

siehe auch: Semaphorine

Funktion der Neurogenese

Allgemein ist über die Funktion neugebildeter Nervenzellen noch wenig bekannt. Im Hippocampus scheinen neugebildete Körnerzellen eine Funktion in der Bildung oder Konsolidierung des Langzeitgedächtnisses zu haben. Im Wesentlichen beruhen die bisherigen Aussagen auf Tiermodellen der Neuroforschung (wie bei der Maus).

Therapeutische Anwendung

Auf die Neurogenese werden große Hoffnungen für die Heilung von Krankheiten und Verletzungen des Zentralnervensystems gesetzt.

Literatur

• Blech, Jörg (2006): Hirn, kuriere dich selbst! Nachwachsende Nervenzellen – Forscher entdecken einen Jungbrunnen im Gehirn. DER SPIEGEL, 20, S. 164–178.
• Chen, Y.; Ai, Y; Slevin, J.R.; Maley, B.E.; Gash; D.M.: Progenitor proliferation in the adult hippocampus and substantia nigra induced by glial cell line-derived neurotrophic factor. In: Experimental neurology, 196(1), 2005, S. 87–95.
• Emsley J.G., Mitchell B.D., Kempermann G., Macklis J.D.: Adult neurogenesis and repair of the adult CNS with neural progenitors, precursors and stem cells In: . PROGRESS IN NEUROBIOLOGY, 75(5), 2005, S. 321–341.
• Gage, F.H.; Kempermann, G.; Song, H. (Ed.): Adult Neurogenesis. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2008, ISBN 978-0-87969-784-6.
• Kempermann, Gerd: Adult Neurogenesis. Stem Cells and Neuronal Development in the Adult Brain. Oxford University Press, 2006, ISBN 978-0-19-517971-2.
• Ming, G.L.; Song, H.: Adult neurogenesis in the mammalian central nervous system. In: Annual review of neuroscience, 28, 2005, S. 223–250.
• Zhao, C.; Deng, W.; Gage F.H.: Mechanisms and functional implications of adult neurogenesis In: Cell, 132(4), 2008, S. 645–660.
• Gould, E.: How widespread is adult neurogenesis in mammals? In: Nature Reviews Neuroscience, 8(6), 2007, S. 481–488.

Einzelnachweise

Weblinks

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  Commons: Neurogenese – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien