Sterben und Werden in der Schädelhöhle

Forschungsarbeiten bringen eines der größten Dogmen der Neurobiologie zu Fall: Entgegen der Lehrmeinung wachsen auch im Gehirn erwachsener Menschen kontinuierlich neue Nervenzellen nach. Können Alzheimer- und Parkinson-Patienten hoffen? Wer sich auch nur einmal zu sehr am Alkohol verlustiert, büßt Tausende seiner kleinen grauen Zellen ein. Jedem Boxer geht bei einem einzigen Schlag gegen den Schädel ein Teil seiner neuronalen Hardware kaputt. Unwiederbringlich – so jedenfalls die Lehrmeinung der Neurobiologie: Kurz nach der Geburt verliert das menschliche Gehirn der Schulweisheit zufolge die Fähigkeit zur Neubildung verlorener Nervenzellen (Neuronen). Doch in den letzten zwei bis drei Jahren haben neue Forschungsergebnisse die überlieferte Doktrin zu Fall gebracht. Auch in unserem Denkapparat, so der überraschende Tenor, wachsen kontinuierlich neue Neuronen nach. Das unerwartete Revival der Nervenzellen läßt die Hoffnung keimen, daß man eines Tages auch durch Nervensterben verursachte Krankheiten wie Morbus Alzheimer oder Morbus Parkinson mit ungebrauchten „Ersatzteilen” aus der Eigenproduktion des Gehirns wird kurieren können – möglicherweise eine Alternative zur umstrittenen Übertragung von Stammzellen aus Embryos. Während die meisten anderen Gewebezellen im erwachsenen Körper eine erstaunliche Fähigkeit zur Regeneration besitzen, verlieren die elektrisch geladenen Bausteine des Gehirns nach der Entwicklungsphase scheinbar ihre Teilungsfähigkeit. Vergeblich nach neuen Neuronen suchte schon der spanische Anatom Santiago Ramon y Cajal, der im Jahr 1906 den Nobelpreis für seine bahnbrechenden Untersuchungen über die Vernetzung der Hirnzellen erhielt. 1985, nach Studien an Hunderten von Affengehirnen, brachte der Neurobiologe Pasko Rakic von der Yale University diese Auffassung auf den Punkt: „Nicht eine einzige neue Zelle mit den morphologischen Merkmalen eines Neurons ließ sich im Gehirn auch nur eines erwachsenen Tieres nachweisen.” Wie die Lehrbücher auch heute noch behaupten, sind ausgewachsene Neuronen dazu verdammt, von der Wiege bis zur Bahre ohne Aussicht auf eine verjüngende Zellteilung auszuharren, weil sie ständig mit den molekularen Spuren von Lernprozessen befrachtet werden. Das ganze Wissen, das sich ein Mensch im Lauf seines Lebens aneignet, wird in die Struktur der Nervenzellen und ihrer Kontaktstellen („Synapsen”) eingeprägt. Ein jungfräuliches Neuron in einem erwachsenen Gehirn wäre nutzlos, weil es den mühsam erworbenen Datenbestand seines Vorgängers verloren hätte. Nur Eidechsen und andere „primitive” Kreaturen könnten es sich leisten, ihre Hirnzellen auszurangieren und durch Nachwuchsneuronen auszutauschen. Doch bereits 1965 wiesen Joseph Altman und Gopal D. Das vom Massachusetts Institute of Technology mit Hilfe eines Markierungsstoffes nach, daß zumindest im Gehirn von Mäusen neue Neuronen entstehen. Dann stellte vor 20 Jahren der New Yorker Biologe Fernando Nottebohm fest, daß die Hirnstrukturen, die die musikalische Aktivität von Kanarienvögeln steuern, je nach Jahreszeit zunehmen oder wieder schlanker werden. In diesen Singzentren werden abgestorbene Neuronen durch neugebildete Stellvertreter ersetzt. Jedes Jahr im Frühling schwellen bestimmte Bereiche der Vogelhirne an, denn die Männchen stehen vor der Herausforderung, mit ihren Liebesliedern Weibchen anzulocken. Nach der Brutzeit geht die Zahl der Neuronen wieder zurück, weil jedes Gramm Hirngewicht die Aerodynamik stört. Im nächsten Frühjahr, getunt mit einem neuronalen Aufrüstsatz, stimmen die Vögel eine neue Weise an, denn der Vorjahreshit verschwand mit den alten Zellen. Aber daß Affen oder gar Menschen in ihren höheren Nervenzentren abgestorbene Neuronen durch neugebildete ersetzen, wurde für die meisten Wissenschaftler erst nach der Entdeckung der „neuronalen Stammzellen” denkbar. Stammzellen sind die unsterblichen Universalbausteine des Körpers, die sich während der vorgeburtlichen Entwicklung noch in jedes Organ und jedes Gewebe verwandeln können. Erst in den vergangenen Jahren haben gleich mehrere Forschergruppen entdeckt, daß es solche „ Alleskönner” in den Gehirnen von Ratten und Affen gibt. „ Neuronale Stammzellen sind wie Saatgut, mit dem man die Löcher in einem kaputten Rasen schließen kann”, stellt Evan Snyder vom Children’s Hospital in Boston die Bedeutung dieses Fundes heraus. Der erste Schlag für die Lehrmeinung war 1998 ein bahnbrechender Versuch mit Weißbüschelaffen aus dem brasilianischen Urwald, an dem Eberhard Fuchs vom Deutschen Primatenzentrum in Göttingen und die Psychologin Elizabeth Gould von der Princeton Universität mitarbeiteten. Die Wissenschaftler hatten den Affen die Substanz „Brom-Deoxyuridin” (BrdU) in verschiedene Teile des Gehirns gespritzt. Diese Verbindung ähnelt einem natürlichen Baustein der Erbsubstanz, der DNA. Wenn man BrdU injiziert, wird es bei der Zellteilung in die DNA eingebaut. Findet man das Molekül später im Gehirn, ist dies der Beweis, daß an der betreffenden Stelle eine Nervenneubildung stattgefunden hat. Zwei Stunden nach der Verabreichung wurde ein Teil der Tiere getötet und ihr Gehirn zu hauchdünnen Scheiben präpariert. Und tatsächlich: Unter dem Mikroskop schimmerten haufenweise markierte Nachwuchsneuronen auf. Der Geburtsort der nachwachsenden Nervenrohstoffe liegt im Hippokampus, einer zentralen Schaltstation für die Gedächtnisbildung. Dort werden offenbar lebenslänglich teilungsfähige Stammzellen gebildet – täglich entstehen mehrere tausend neue Neuronen. Allerdings stocken Weißbüschelaffen nicht etwa kontinuierlich ihren Bestand an Neuronen auf, sondern büßen in gleichem Maße alte Neuronen ein. Auch nach diesen Versuchen blieb immer noch die Frage offen, ob das, was beim Affen funktioniert, auch bei der Krone der Schöpfung gültig ist. Eine Übertragung des Tierversuchs auf den Menschen verbot sich von selbst, da ja immer erst die Autopsie Klarheit bringt. Doch dann erfuhr der schwedische Hirnforscher Peter S. Ericksson, daß auch Krebspatienten die Substanz BrdU gespritzt bekommen, um das Wachstum der Tumoren zu verfolgen. Unverzüglich nahm er mit seinem internationalen Team die Gehirne von verstorbenen Krebspatienten in Augenschein. Das sensationelle Ergebnis der Analyse, Ende 1998 mit einem Paukenschlag veröffentlicht: In ihrem Hippokampus, aber nirgendwo anders, hatten die Tumorkranken bis zu ihrem Tode neue Nervenzellen produziert – täglich zwischen 500 und 1000 Neuronen. Jetzt wollen die Forscher herausfinden, welche Faktoren die neuronale Umwälzpumpe kontrollieren – um damit möglicherweise neue Wege zu eröffnen, Hirnverletzungen und neurologische Krankheiten wie Alzheimer zu kurieren. „Wenn wir die Regelmechanismen kennen”, hofft Fuchs, „können wir vielleicht auch in anderen Hirnregionen die Neubildung von Nervenzellen anregen.” Selbst kurzfristige intensive Streßbelastungen haben im Tierversuch Einfluß auf die Zahl der Nervenzellen. Unter der Wirkung von Cortisol, dem wichtigsten Streßhormon, geht es im Hippokampus mit ihnen bergab. Die Psychologin Gould hatte den Verdacht, daß der Rückgang von einem Stocken der Neurogenese kommen könnte. Um ihre Vermutung zu testen, setzte sie Weißbüschelaffen intensiver psychischer Belastung aus: Die Männchen wurden auf engem Raum mit Geschlechtsgenossen zusammengepfercht. Quintessenz: Eine Stunde Mobbing reichte aus, um die Zahl der neugebildeten Nervenzellen um ein Drittel zu drücken. Ein „Versorgungsengpaß” bei den Frischneuronen könnte also tatsächlich die Schrumpfung im Hippokampus erklären. Auch bei der Depression – einer Gemütskrankheit, die oft mit einem Übermaß an Cortisol einhergeht – sind Abbauerscheinungen im Hippokampus zu beobachten. Barry Jacobs und Casimir Fornal von der Princeton University in New Jersey haben entdeckt, daß Prozac, das berühmteste Antidepressivum, das Wachstum neuer Hirnzellen im Hippokampus von Ratten stimuliert. Selbst die Elektrokrampftherapie, das schwerste und letzte Geschütz gegen Depressionen, kurbelte bei den Nagern das Neuronenwachstum an. „ Vielleicht sind Unterbrechungen im Herstellungszyklus neuer Nervenzellen sogar eine Hauptursache für Depressionen”, spekuliert das angesehene Fachblatt Science in einem Kommentar zu den neuen Befunden. Das würde auch erklären, warum es normalerweise Wochen bis Monate dauert, bevor die gängigen Antidepressiva bei der Schwermutkrankheit anschlagen, meint Jacobs: Die neugebildeten Hirnzellen müssen erst reifen und die richtigen Verknüpfungen eingehen, bevor sie die Lücke schließen können. Auch Erfahrungen schlagen sich bei der Neurogenese nieder. Das haben der Hirnforscher Gerd Kempermann vom Berliner Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin und sein US-Kollege Gage mit einem Experiment an erwachsenen Mäusen gezeigt. Ein Teil der Tiere wurde in einem kargen Laborkäfig gehalten, die anderen durften sich in einer üppig ausgestatteten Luxusunterkunft mit Laufrad und Nestbaumaterial austoben, wobei sie viel Gelegenheit zum Lernen hatten. Am Ende hatten sich zwar die Stammzellen im Hippokampus bei allen Tieren gleich oft geteilt, doch bei den feudal untergebrachten Nagern hatten fast doppelt so viele der Nachwuchsneuronen überlebt. Zumindest unter bestimmten künstlichen Bedingungen kann der Tod der stärkste Vater neuen Lebens sein. Ein Forscherteam um den Neurowissenschaftler Jeffrey Macklis von der Harvard-Universität hat Nervenzellen in der Großhirnrinde, dem Kortex, erwachsener Mäuse vernichtet und so die Neurogenese angeregt. Im Kortex, der höchstentwickelten und „intellektuellsten” Schaltstelle des Gehirns, wachsen abgestorbene Zellen für gewöhnlich nicht nach. Doch im Versuch von Macklis stellten frische Zellen mit ihren für die Nachrichtenweiterleitung zuständigen Ausläufern (Axonen) sogar präzise Verknüpfungen zu den Empfangsorganen (Dendriten) weit entfernter Ansprechpartner wieder her. Jetzt suchen die Neurologen nach einem Schalter, der das schlummernde Neurogenese-Programm reaktiviert. Keiner weiß bislang, wieso der Reparaturservice des Gehirns nicht spontan bei Alzheimer- oder Parkinson-Patienten einspringt. „Wenn die Stammzellen sowieso im erkrankten Organ vorkommen – warum helfen sie dem Patienten dann nicht von allein?”, fragt Davor Solter, Direktor des Max-Planck-Instituts für Immunbiologie in Freiburg. Neugebildete Nervenzellen allein garantieren aber ohnehin keine Heilung neurologischer Erkrankungen. „Das ist ungefähr so, als würde man für eine in Unordnung geratene Computerfestplatte eine neue Hardware einbauen. Die zerstörten Programme bringen Sie auf diese Weise nicht in Ordnung”, sagt Hans Karbe vom Neurologischen Rehazentrum Godeshöhe in Bonn. Daß sich ein Neuronen-Frischling an der richtigen Stelle ins Nervengeflecht einklinkt, bedeutet eben noch lange nicht, daß der koordinierte Informationsaustausch mit der Umgebung funktioniert. Medizinische Anwendungen der Nervenneubildung sieht Karbe daher eher bei Parkinson-Patienten. Bei ihnen sind – im Unterschied zu Alzheimer- und anderen Demenz-Patienten – keine komplexen und „ hochgeistigen” Programme beschädigt. Die neuen Zellen müßten schlicht den Botenstoff Dopamin produzieren. Verglichen mit der Zahl der Neuronen, die schon vorher existieren, ist die Zahl der im Erwachsenenalter hinzugefügten aber allemal armselig: Nicht genug, um ein schwer beschädigtes Gehirn zu reparieren, aber offenbar genug, um ein normal gealtertes betriebsfähig zu halten. „Wenn ich darüber nachdenke, ist es wirklich erstaunlich, daß es nicht mehr Neurogenese gibt”, sinniert der Molekularbiologe Gage. „Mein Großvater war 96 Jahre alt. Das bedeutet, daß er 96 Jahre lang die gleichen Nervenzellen im motorischen Kortex hatte. Und er konnte immer noch umherlaufen.” Wie Erinnerungen gespeichert werden Die Nervenneubildung findet fast ausschließlich im Hippokampus (untere, hellblaue Struktur) statt und nicht im Kortex (obere Struktur), der Endlagerstätte der Erinnerungen und dem Sitz des bewußten Denkens: In der Kommandozentrale Großhirnrinde würde womöglich jede unkontrollierte Zellneuschaffung die Authentizität der geistigen Inhalte gefährden. Anders beim Hippokampus: Er hilft dem Kortex bei der Gedächtnisbildung. Jede neue Information muß ihn vor ihrer Endlagerung durchlaufen. Möglicherweise benötigt der Informations-Umschlagplatz Hippokampus dafür frische Neuronen, weil diese wahrscheinlich besonders aufnahmefähig sind und ein gewaltiges Volumen von Daten umsetzen können. Sie bilden neue Zell-Zell-Verbindungen schneller aus und sind insgesamt aktiver. Kompakt • Nachwachsende Nervenzellen im Gehirn spielen eine wichtige Rolle für das Gedächtnis. • Möglicherweise können neue Neuronen Krankheiten aufhalten, die wie Alzheimer und Parkinson durch Nervenabbau entstehen. • Vielleicht stecken neue Nervenzellen sogar hinter dem Geheimnis, warum das populäre Medikament Prozac gegen Depressionen hilft. bdw-Community INTERNET Interview mit Fred Gage, dem Wegbereiter der Neurogenese-Forschung zdfonl3.zdf.de/ratgeber/praxis/archiv/nervensystem/34135/index.html Arbeitsprogramm der Projektgruppe „Neurogenese, neuronale Stammzellen und Neurodegeneration” an der Universität Regensburg ww.bkr-regensburg.de/fachbereiche/ neurologie/forschung/schwerpunkte/ neurogenese/index_neurogenese.htm Diskussion ethischer Fragen der Stammzelltherapie, auch im Gehirn www.bats.ch/publications/ stammzellreport/ Lesen Gerd Kempermann VON STAMMZELLEN UND NEUROGENEN ZONEN in: Universitas, Bd. 56, Nr. 2/2001 Rolf Degen