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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