Neuroophthalmologie: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

For­scher des Karls­ru­her Insti­tuts für Tech­no­lo­gie (KIT) haben her­aus­ge­fun­den, wie das Navi­ga­ti­ons­sys­tem funk­tio­niert, das die Axo­ne beim Wachs­tum das Ner­ven­fa­ser­net­zes im Gehirn lei­tet. Ein Bei­spiel ist die Ver­bin­dung zwi­schen Netz­haut und Gehirn.

Das mensch­li­che Gehirn besteht aus etwa 100 Mil­li­ar­den Ner­ven­zel­len. Infor­ma­tio­nen zwi­schen ihnen wer­den über ein kom­ple­xes Netz­werk aus Ner­ven­fa­sern über­mit­telt. „Ver­drah­tet” wer­den die meis­ten die­ser Ver­bin­dun­gen vor der Geburt nach einem gene­ti­schen Bau­plan, also ohne dass äuße­re Ein­flüs­se eine Rol­le spie­len. Neue Erkennt­nis­se, wie das Navi­ga­ti­ons­sys­tem funk­tio­niert, das die Axo­ne beim Wachs­tum lei­tet, haben jetzt Wis­sen­schaft­ler des KIT gewon­nen. Das berich­ten sie im Fach­ma­ga­zin eLi­fe.

Die Gesamt­län­ge des Ner­ven­fa­ser­net­zes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilo­me­ter, mehr als die Ent­fer­nung zwi­schen Erde und Mond. Damit es beim „Ver­drah­ten” der Ver­bin­dun­gen kei­ne Ver­wick­lun­gen gibt, steu­ert ein Navi­ga­ti­ons­sys­tem das Wachs­tum der Ner­ven­fa­sern. Doch auf wel­che Wei­se genau fin­den die Ner­ven­fa­sern wäh­rend des Wachs­tums ihr Ziel­ge­biet?
„Es ist ähn­lich wie beim auto­no­men Fah­ren im Stra­ßen­ver­kehr“, erklärt Fran­co Weth von der Abtei­lung Zell- und Neu­ro­bio­lo­gie des Zoo­lo­gi­schen Insti­tu­tes. Dabei tau­schen Fahr­zeu­ge sowohl mit Signal­ge­bern am Stra­ßen­rand Infor­ma­tio­nen aus als auch unter­ein­an­der, um ans Ziel zu fin­den. Bei Ner­ven­fa­sern die­nen Sen­sor­mo­le­kü­le an ihren Enden als Anten­nen. Mit ihnen emp­fan­gen sie Len­kungs­si­gna­le in Gestalt von Pro­te­inen, die auf dem Weg und im Ziel­ge­biet posi­tio­niert sind, aber auch auf ande­ren Fasern, die den Weg kreu­zen. Im Ziel ange­kom­men, bil­den die Axo­ne Ver­knüp­fun­gen mit ande­ren Ner­ven­zel­len – die Syn­ap­sen.

Rund eine Mil­li­on Ner­ven­fa­sern zwi­schen Netz­haut und Seh­zen­tren
Als Bei­spiel für eine sol­che Ver­drah­tung nennt Weth die Ver­bin­dung zwi­schen Netz­haut und Gehirn, wobei nahe­zu eine Mil­li­on Ner­ven­fa­sern durch den Seh­nerv in die Seh­zen­tren gelan­gen. Gene­tisch vor­pro­gram­mier­tes „neu­ro­na­les Hard­wiring“ sorgt dafür, dass die Bild­punk­te dort wie in einer Pro­jek­ti­on eins zu eins abge­bil­det wer­den und ver­setzt ein Neu­ge­bo­re­nes so erst in die Lage, über­haupt ein Bild sehen und ver­ar­bei­ten zu kön­nen. Eine über­le­bens­not­wen­di­ge Fähig­keit, die sich durch die Evo­lu­ti­on unse­rer Spe­zi­es her­aus­ge­bil­det hat und nicht durch eige­ne Erfah­rung erwor­ben wer­den muss. „Durch Ler­nen wird nur eine Min­der­heit der Syn­ap­sen unse­res Gehirns ver­drah­tet“, stellt Weth klar.

Erstaun­li­cher Abstump­fungs­pro­zess der Axo­ne
Eine wei­te­re Erkennt­nis: Wäh­rend ihrer Rei­se wer­den die Faser­an­ten­nen zuneh­mend unemp­find­li­cher für die ein­ge­hen­den Signa­le ihres Pro­te­in-Navi­ga­ti­ons­sys­tems. „Dabei müs­sen die Infor­ma­tio­nen doch prä­zi­se aus­ge­le­sen wer­den, sonst fin­den die Fasern ihre Ziel­adres­se nicht“, wun­der­ten sich Weth und sei­ne For­scher­kol­le­gen. Die Lösung: „Die Anten­nen wer­den zwar tat­säch­lich für alle Typen der sie len­ken­den Signal unemp­fäng­li­cher, aber sie bewah­ren dabei erstaun­li­cher­wei­se strikt das Ver­hält­nis der Signal­stär­ken zuein­an­der“, so Weth. Der Ziel­ort ist letzt­lich nicht durch die Stär­ke eines Signals, son­dern durch ein bestimm­tes Ver­hält­nis meh­re­rer Signa­le gekenn­zeich­net. Durch die­se raf­fi­nier­te Kopp­lung der Anten­nen­emp­find­lich­kei­ten, meis­tert das axo­na­le Navi­ga­ti­ons­sys­tem den Kon­flikt zwi­schen Ver­läss­lich­keit und Ver­än­der­lich­keit der Signa­le. Die­se Art der gekop­pel­ten Signal­re­gu­la­ti­on ist in der Bio­lo­gie höchst unge­wöhn­lich. Denn, so ver­deut­li­chen die Wis­sen­schaft­ler: „Auch wenn Sie den Geruch des Par­fums Ihres Gegen­über schnell nicht mehr bemer­ken, heißt das noch lan­ge nicht, dass sie auch den Geruch des Kaf­fees, den sie gera­de trin­ken, weni­ger inten­siv wahr­näh­men. Genau das aber pas­siert hier.“

Ener­gie­spa­ren­de Stra­te­gie?
War­um die­ser der nai­ven Erwar­tung – ein star­kes Signal führt sicher ans Ziel – zuwi­der­lau­fen­de Abstump­fungs­pro­zess bei der Len­kung der Axo­ne statt­fin­det, wis­sen die For­scher noch nicht. „Wir ver­mu­ten, es han­delt sich letzt­lich um eine ener­gie­spa­ren­de Stra­te­gie, denn Signal­über­tra­gung ver­braucht Ener­gie“, sagt Weth. Die Natur stre­be eigent­lich nach Unord­nung, „und Ord­nung her­zu­stel­len, kos­tet Ener­gie. Das ken­nen Sie von zu Hau­se. Nichts in der Bio­lo­gie ist geord­ne­ter als die Ver­schal­tun­gen unse­res Gehirns. Nur wenn die Natur den Auf­wand bei sei­ner Ver­drah­tung so gering wie mög­lich hält, kann sie die Höchst­leis­tung erbrin­gen, die nötig ist, uns mit die­sem „Kogni­ti­ons­com­pu­ter“ aus­zu­stat­ten“.

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