Wie eine Nervenzelle im Gehirn überleben kann
Wissenschaftler*innen der Universität zu Köln haben entdeckt, wie Mitochondrien die Zellerneuerung und die neuronale Plastizität im Gehirn der erwachsenen Maus steuern / Veröffentlichung in „Neuron“
Veröffentlicht: 05.04.2024
Nervenzellen im Gehirn (Neuronen) gehören zu den komplexesten Zelltypen in unserem Körper. Grund dafür sind die verzweigten Fortsätze, die sogenannten Dendriten und Axone, und Tausende von Synapsen, die komplexe Netzwerke bilden. Zwar werden die meisten Neuronen während der Embryonalentwicklung gebildet, aber in bestimmten Regionen des Gehirns findet während des gesamten Erwachsenenalters Neurogenese, die Bildung von Nervenzellen, statt. Noch ist unklar, wie diese neu entstandenen Zellen erfolgreich reifen und überleben, um ihre Funktionen innerhalb eines vollständig gebildeten Organs auszuüben. Das Verständnis dieser Prozesse birgt jedoch ein großes Potenzial für regenerative Ansätze bei Erkrankungen.
Die Forschungsgruppe um Professor Dr. Matteo Bergami vom Exzellenzcluster für Alternsforschung CECAD an der Universität zu Köln untersuchte diese Prozesse anhand von Mausmodellen mithilfe von Bildgebung, Signalverfolgung mit Viren, und elektrophysiologischen Techniken. Sie fanden heraus, dass bei der Reifung neuer Neuronen die Mitochondrien (die Kraftwerke der Zellen) entlang der Dendriten sich zunehmend durch Fusion verbinden und dadurch länglichere Formen bilden. Dieser Prozess ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Plastizität neuer Synapsen und die Anpassung bereits bestehender neuronaler Netze als Reaktion auf komplexe Erfahrungen. Die Studie „Enhanced mitochondrial Fusion during a critical period of synaptic Plasticity in adult-born Neurons“ wurde in Neuron veröffentlicht.
Mitochondrien
Mitochondrien/-/mitochondria
Mitochondrien sind Organellen im Inneren einer Zelle, sie werden auch als „Kraftwerk“ der Zellen bezeichnet, da sie diese mit Energie versorgen. Sie haben eine eigene DNA, die nur über die Mutter vererbt wird.
Plastizität
Plastizität/-/neuroplasticity
Der Begriff Neuroplastizität beschreibt die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich abhängig vom Grad ihrer Nutzung strukturell und funktionell zu verändern. Unter synaptischer Plastizität versteht man die Anpassung der Signalübertragungsstärke von Synapsen an die Häufigkeit und Intensität der eintreffenden Reize, etwa in Form von Langzeitpotenzierung oder -depression. Darüber hinaus verändern sich auch Größe, Verschaltung und Aktivitätsmuster verschiedener Hirnbereiche in Abhängigkeit von ihrer Nutzung. Dieses Phänomen wird als kortikale Plastizität bezeichnet, wenn es speziell den Cortex betrifft.
Neuron
Neuron/-/neuron
Ein Neuron ist eine spezialisierte Zelle des Nervensystems, die auf die Verarbeitung und Übertragung von Informationen spezialisiert ist. Es empfängt Signale über seine Dendriten und leitet sie über das Axon weiter. Die Weiterleitung erfolgt innerhalb des Neurons elektrisch und zwischen Neuronen meist chemisch über Synapsen.
Die mitochondriale Fusion sichert das Überleben neuer Neuronen
Die adulte Neurogenese findet im Hippocampus statt, die Region des Gehirns, die kognitive und emotionale Prozesse steuert. Es konnte bestätigt werden, dass Veränderungen der Neurogenese im Hippocampus mit neurodegenerativen und depressiven Störungen korrelieren. Obwohl bekannt ist, dass die neu produzierten Neuronen dort über längere Zeiträume reifen, um eine hohe Plastizität zu gewährleisten, ist unser Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen begrenzt. Die Ergebnisse von Bergami und seinem Team deuten darauf hin, dass das Tempo der mitochondrialen Fusion in den Dendriten die neuronale Plastizität der neuen Nervenzellen steuert, nicht aber deren Reifung an sich.
„Wir waren überrascht, dass sich neue Neuronen ohne mitochondriale Fusion fast perfekt entwickeln, aber ihre Überlebensrate plötzlich abnahm, obwohl es keine offensichtlichen Anzeichen für eine Degeneration gab“, sagt Bergami. „Dies lässt vermuten, dass die Fusion eine wichtige Rolle bei der Regulierung neuer Neuronen an den Synapsen als Teil eines Selektionsprozesses spielt, den neue Neuronen bei ihrer Integration in das Netzwerk durchlaufen.“
Die Ergebnisse erweitern das Wissen, dass mitochondriale Dysfunktionen (z.B. während der Fusion) neurologische Störungen beim Menschen verursachen. Zudem deuten sie darauf hin, dass die Fusion eine viel komplexere Rolle als bisher angenommen bei der Kontrolle der synaptischen Funktion und ihrer Fehlfunktion bei Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson spielen kann.
Abgesehen davon, dass sie einen grundlegenden Aspekt der neuronalen Plastizität unter physiologischen Bedingungen aufdecken konnten, hoffen die Wissenschaftler*innen, dass diese Ergebnisse hilfreich für die Entwicklung spezifischer Behandlungsmethoden zur Wiederherstellung der neuronalen Plastizität und der kognitiven Funktionen bei Krankheiten sein werden.
Hippocampus
Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio
Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung und Lernen beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-CA4.
Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.
Plastizität
Plastizität/-/neuroplasticity
Der Begriff Neuroplastizität beschreibt die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich abhängig vom Grad ihrer Nutzung strukturell und funktionell zu verändern. Unter synaptischer Plastizität versteht man die Anpassung der Signalübertragungsstärke von Synapsen an die Häufigkeit und Intensität der eintreffenden Reize, etwa in Form von Langzeitpotenzierung oder -depression. Darüber hinaus verändern sich auch Größe, Verschaltung und Aktivitätsmuster verschiedener Hirnbereiche in Abhängigkeit von ihrer Nutzung. Dieses Phänomen wird als kortikale Plastizität bezeichnet, wenn es speziell den Cortex betrifft.
Originalpublikation
Sandra M.V. Kochan, Meret Cepero Malo, Milica Jevtic, Dieter Chichung Lie, Astrid Schauss, Matteo Bergami; Enhanced mitochondrial fusion during a critical period of synaptic plasticity in adult-born neurons; Open Access, April 05, 2024
DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.03.013
