Botenstoffe kontrollieren Wanderung von Nervenzellen

Eini­ge Boten­stof­fe im Gehirn ent­schei­den nicht nur über unse­re Stim­mungs­la­ge, Gedächt­nis­leis­tung oder Bewe­gungs­ko­or­di­na­ti­on, sie sind auch an der Bil­dung des Gehirns wäh­rend der Embryo­nal­ent­wick­lung betei­ligt.  Zu die­sem For­schungs­er­geb­nis kom­men For­scher der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Braun­schweig.

Die Wir­kung ver­schie­de­ner Boten­stof­fe auf das Gehirn von Erwach­se­nen, etwa bei der Kom­mu­ni­ka­ti­on von Ner­ven­zel­len, ist gut unter­sucht. Über den Ein­fluss der Neu­ro­trans­mit­ter im embryo­na­len Gehirn ist weni­ger bekannt. Einen Bei­trag zum bes­se­ren Ver­ständ­nis grund­le­gen­der Abläu­fe bei der indi­vi­du­el­len Gehirn­ent­wick­lung leis­ten nun die Ergeb­nis­se von Neu­ro­bio­lo­gen, Gene­ti­kern und Infor­ma­ti­kern der TU Braun­schweig.

Wan­de­rung von Ner­ven­zel­len

Ner­ven­zel­len müs­sen bei der Ent­wick­lung des Klein- und Hin­ter­hirns zu einem bestimm­ten Zeit­punkt vom Ort ihrer Ent­ste­hung zum Ort ihrer Wir­kung aktiv migrie­ren. Auf die­ser Wan­de­rung durch das embryo­na­le Gehirn bil­den sich die Zel­len um und wer­den zu funk­tio­nel­len Neu­ro­nen. „Zunächst war nicht klar, ob die Neu­ro­trans­mit­ter bei der Migra­ti­on, bei der Dif­fe­ren­zie­rung oder bei der Aus­for­mung der ner­ven­ty­pi­schen Zell­ge­stalt eine Rol­le spie­len könn­ten“, erklär­te Erst­au­to­rin Dr. Ulri­ke Thei­sen.

Das fach­über­grei­fen­de For­schungs-Team näher­te sich die­ser Fra­ge mit gene­ti­schen Metho­den und opti­schen Ana­ly­se­ver­fah­ren. Mit­hil­fe eines mini­mal­in­va­si­ven Mikro­sko­pie-Ver­fah­rens konn­ten sie migrie­ren­de Ner­ven­zel­len unter ver­schie­de­nen Test­be­din­gun­gen in leben­den Zebra­fisch-Embryo­nen beob­ach­ten.

Gene­ti­sche Sen­so­ren zei­gen Neu­ro­nen-Wan­de­rung

Mit­hil­fe von neu­en gene­ti­schen Sen­so­ren konn­te das For­schungs-Team zunächst eine erhöh­te intra­zel­lu­lä­re Cal­ci­um-Kon­zen­tra­ti­on der Neu­ro­nen sicht­bar machen, eine Reak­ti­on der Zel­len auf die Neu­ro­trans­mit­ter. Anschlie­ßend iden­ti­fi­zier­ten sie die betei­lig­ten Neu­ro­trans­mit­ter, indem die Neu­ro­nen bei ihrer Wan­de­rung gefilmt und die Bewe­gung ver­mes­sen wur­de.

Durch­licht-Auf­nah­me eines 30 Stun­den alten Zebra­fisch Embry­os; wich­ti­ge Orga­ne in die­sem frü­hen Ent­wick­lungs­sta­di­um sind ein­ge­zeich­net. Links unten: Ver­grö­ße­rung der Klein­hirn-Regi­on eines gleich alten Embry­os. Der Rah­men gibt den Aus­schnitt an, der in der anschlie­ßen­den Bild­fol­ge dar­ge­stellt. Mit­te: Aus­schnitt eines Films, bei dem leben­de, migrie­ren­de Neu­ro­nen mit Hil­fe eines Fluo­res­zenz­mar­kers beob­ach­tet wur­den. Die ein­zel­nen Bil­der sind im Abstand von 10 min auf­ge­nom­men. Die bun­ten Punk­te ver­fol­gen jeweils ein ein­zel­nes Neu­ron über die Zeit. Um das Fort­kom­men der Zel­len bes­ser ver­glei­chen zu kön­nen, sind rechts die jewei­li­gen Start- und End­punk­te als Pfei­le dar­ge­stellt. Rechts: Drei­di­men­sio­na­le Dar­stel­lung der Bewe­gung der Neu­ro­nen (oran­ge Kugeln, ein Bei­spiel in Dun­kel­blau) nach Ver­mes­sung und Wachs­tums­kor­rek­tur (Refe­renz­mar­ker als cya­ne Kugeln) der Roh­da­ten. Dar­ge­stellt sind nur Start- und End­punkt der Bewe­gung nach 150 min. (Bild­nach­weis: Ulri­ke Theisen/TU Braun­schweig)

Neu­ro­trans­mit­ter regeln die Geschwin­dig­keit

Durch die Ana­ly­se der Gewe­be­än­de­rung auf Grund des Embryo­nen­wachs­tums ermit­tel­ten die For­scher zudem die Geschwin­dig­keit der Neu­ro­nen. Sie stell­ten fest, dass die Boten­stof­fe nur die Geschwin­dig­keit, nicht aber die Rich­tung der Wan­de­rung beein­flus­sen. Aller­dings beein­flus­sen eini­ge Neu­ro­trans­mit­ter nur in bestimm­ten Berei­chen des Klein- und Hin­ter­hirns die Geschwin­dig­keit. Sie sind ent­we­der als Beschleu­ni­ger oder Brem­ser aktiv. „Wie im Stra­ßen­ver­kehr kön­nen wir für das Klein­hirn eine Kar­te mit ein­zel­nen Geschwin­dig­keits­ab­schnit­ten erstel­len, die durch Neu­ro­trans­mit­ter gesteu­ert wer­den. So wer­den Ner­ven­zel­len in der Nähe ihres Ziel­or­tes wie in einer 30er-Zone abge­bremst”, erklär­te Prof. Rein­hard Kös­ter.

Bei­trag zum Ver­ständ­nis der indi­vi­du­el­len Gehirn­ent­wick­lung

Die Ergeb­nis­se des Braun­schwei­ger For­schungs-Teams tra­gen zum Ver­ständ­nis der grund­le­gen­den Abläu­fe der indi­vi­du­el­len Gehirn­ent­wick­lung bei. „Das ist umso wich­ti­ger, als beim Men­schen Stö­run­gen in der Ner­ven­zell-Migra­ti­on zu schwe­ren neu­ro­lo­gi­schen Erkran­kun­gen und psy­chi­schen Beein­träch­ti­gun­gen füh­ren kön­nen“, erklär­te Prof. Ralf Schna­bel vom Insti­tut für Gene­tik der TU Braun­schweig. Wie die­se Signa­le nun in das Zel­lin­ne­re auf die Beweg­lich­keit der Zel­len über­tra­gen wird, ist die nächs­te her­aus­for­dern­de Fra­ge, der sich die Wis­sen­schaft­ler stel­len wol­len.

Ori­gi­nal­pu­bli­ka­ti­on:
Thei­sen U et al.: PLoS Biol 2018;16(1):e2002226.

Quelle
Technische Universität Braunschweig
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