Reparatursystem für Fehler in der Verdrahtung des Gehirns entdeckt

13. Februar 2011, 19:05
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Protein eliminiert falsche Verknüpfungen zwischen Nervenzellen

Die Ausbildung von neuronalen Netzwerken ist keineswegs immer zielgerichtet und fehlerfrei, wie Forscher rund um Peter Scheiffele am Biozentrum der Universität Basel festgestellt haben. In jedem Gehirn werden im Laufe seiner Entwicklung zahlreiche Nervenverbindungen geknüpft, die sich als falsch erweisen und wieder gekappt werden müssen. Verantwortlich für die Fehlerbehebung ist ein Protein, das Forscher ursprünglich im Zusammenhang mit Prozessen bei der Knochenbildung kannten.

Die Erforschung der Gehirnentwicklung sowie seiner Mechanismen in der Ausbildung von neuronalen Netzwerken spielen eine entscheidende Rolle im Verständnis sowie der Behandlung von neuronalen Krankheiten wie Autismus, Schizophrenie oder Epilepsie. "Wenn falsche Verknüpfungen zwischen Nervenzellen im Gehirn nicht anschliessend wieder eliminiert werden, kann dies zu erheblichen Störungen führen. Auch Autismus könnte mit dieser Form der ausbleibenden Fehlerkorrektur in Verbindung stehen", so Scheiffele.

Falsch verbunden

Jede Nervenzelle muss sich im Laufe der Gehirnentwicklung mit bestimmten Partner-Nervenzellen verknüpfen, um ein leistungsfähiges Nervennetzwerk auszubilden. Moosfaser-Nervenzellen sind eine Gruppe von Nervenzellen des Kleinhirns, deren Ziel es ist, eine synaptische Verbindung zu sogenannten Körner-Nervenzellen herzustellen. Wie die Forscher jetzt zeigen konnten, verbinden sich im Zuge der Gehirnentwicklung diese Moosfaser-Nervenzellen oftmals mit sogenannten Purkinje-Nervenzellen. Diese Verbindungen sind jedoch in einem entwickelten Gehirn nicht vorgesehen und werden innerhalb einer Woche wieder getrennt.

Zuständig für die Fehlerbehebung ist das Protein BMP4, das die Auflösung der zuvor geschaffenen Verbindung einleitet. Ursprünglich wurde BMP4 mit der Spezialisierung von Zellen bei der Knochenbildung in Zusammenhang gebracht. Dass das Protein auch für die Stabilität bzw. den Abbruch von neuronalen Verbindungen verantwortlich ist, wusste man bisher nicht.

Zeigen konnte die Forschergruppe des Biozentrums ihre Ergebnisse am Beispiel von Mäusen. Mit Hilfe eines fluoreszierenden Proteins können Nervenverbindungen angefärbt und im Lichtmikroskop sichtbar gemacht werden. Veränderungen in der neuronalen Verknüpfung von Nervenzellen lassen sich so im Gehirn nachverfolgen. Dabei konnten die Forscher beobachten, wie Nervenverbindungen zwischen Moosfaserzellen und Purkinjezellen zunächst aufgebaut, durch das Protein BMP4 jedoch wieder eliminiert werden. "Die Ereignisse lassen sich auch auf die Entwicklung des menschlichen Gehirns übertragen und könnten für die weitere Hirnforschung eine wichtige Rolle spielen", so Scheiffele.

Fehler als Teil des Lernprozesses?

Das Gehirn ist ein hochkomplexes Vernetzungssystem, in dem Tausende unterschiedlicher Nervenzellen neuronale Verbindungen, sogenannte synaptische Verknüpfungen, mit anderen Nervenzellen eingehen. Dabei bilden die Nervenzellen sogenannte Axone, faserförmige Fortsätze, die in verschiedene Gehirnregionen hineinwachsen, um dort Verknüpfungen zu anderen Nervenzellen herzustellen.

Das Gehirn unterliegt im Laufe eines Lebens drastischen Veränderungen. Während die neuronalen Verknüpfungen im Gehirn eines Neugeborenen noch relativ unspezifisch sind, steigert sich die Selektivität der neuronalen Verbindungen fortlaufend. Kurz: Das Gehirn lernt. Das Aufkommen dieser fehlerhaften transienten Verbindungen könnte Teil dieses Lernprozesses sein. Die Frage, welchen Vorteil diese nur für kurze Zeit bestehenden Verbindungen zwischen Nervenzellen für die Gehirnentwicklung bedeutet, wird in der weiteren Forschungsarbeit Scheiffeles nun im Vordergrund stehen. (red)

  • Links: Verknüpfungen zwischen Moosfaser-Nervenzellen (grün) und Purkinje-Nervenzellen (rot) während der Hirnreifung.
Rechts: Zwei Wochen später im gereiften Stadium: Die Verknüpfungen zwischen 
Moosfaser-Nervenzellen (grün) und Purkinje-Nervenzellen (rot) sind 
eliminiert.
    fotos: scheiffele

    Links: Verknüpfungen zwischen Moosfaser-Nervenzellen (grün) und Purkinje-Nervenzellen (rot) während der Hirnreifung.

    Rechts: Zwei Wochen später im gereiften Stadium: Die Verknüpfungen zwischen Moosfaser-Nervenzellen (grün) und Purkinje-Nervenzellen (rot) sind eliminiert.

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