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Universität Basel

Neue Nerven für das Gehirn.

Text: Yvonne Vahlensieck

Stammzellen im Gehirn von Säugetieren können lebenslang neue Nervenzellen bilden. Noch ist nicht geklärt, wie das genau funktioniert. Doch in Zukunft lassen sich so möglicherweise Hirnschäden reparieren.

Sternförmige Stammzellen (rot) bilden neue Nervenzellen (grün). (Bild: Fiona Doetsch, Universität Basel, Biozentrum)
Sternförmige Stammzellen (rot) bilden neue Nervenzellen (grün). (Bild: Fiona Doetsch, Universität Basel, Biozentrum)

Das ganze Leben lang kämpft unser Körper gegen den Zerfall – deshalb produzieren spezialisierte Stammzellen ständig Nachschub an neuen Zellen für Blut, Haut und innere Organe. Lange Zeit glaubten Hirnforscher allerdings, dass eine solche Auffrischungskur für das Gehirn nicht möglich sei: «Ein erwachsenes Gehirn bildet keine neuen Nervenzellen», das galt ein Jahrhundert lang als Dogma.

Doch eine Revolution in der Neurobiologie hat dieses alte Modell über den Haufen geworfen: Vor etwa 50 Jahren tauchten Beweise dafür auf, dass sich im Gehirn von erwachsenen Säugetieren neue Nervenzellen bilden können. Mittlerweile ist klar, dass in speziellen Regionen des Gehirns angesiedelte Stammzellen dafür verantwortlich sind. Doch viele Fragen sind noch ungeklärt – beispielsweise, welche Rolle diese neuen Nervenzellen für die Funktion des Gehirns spielen und ob es möglich ist, das Wachstum von Stammzellen zu stimulieren. Die Beantwortung dieser Fragen – so die Hoffnung – könnte eines Tages dabei helfen, diese Stammzellen für die Reparatur von Hirnschäden einzusetzen.

Wandernde Zellen

Eine der beiden Regionen des Gehirns, in denen Forschende bisher Stammzellen nachgewiesen haben, sind die seitlichen Hirnkammern, auf die sich die Forschung von Fiona Doetsch am Biozentrum der Universität Basel konzentriert. «Solche Stammzell-Nischen sind sehr komplex», erklärt die Professorin für Molekulare Stammzellbiologie. Die Nischen bilden nämlich eine Mikroumgebung, in der die Stammzellen gehegt und gepflegt werden. Dort erhalten sie auch die Signale, sich zu einem bestimmten Zelltyp weiterzuentwickeln und andere Hirnregionen zu besiedeln. Doetsch und ihrem Team gelang vor einigen Jahren der Nachweis, dass die Stammzellen in den seitlichen Hirnkammern eine bestimmte Art von Stützzellen sind: «Seitdem versuchen wir herauszufinden, wie diese Zellen lebenslang erhalten bleiben und wodurch sie aktiviert werden.»

Eine der Hauptaufgaben jener Stammzellen der seitlichen Hirnkammer ist die Produktion von Nervenzellen für den Riechkolben, einer für den Geruchsinn wichtigen Hirnregion: «Bei Mäusen wandern täglich etwa 30 000 neue Nervenzellen von der seitlichen Hirnkammer zum Riechkolben», sagt die Forscherin. Dafür formen die Zellen lange Ketten und strömen durch einen von Stützzellen gebildeten Tunnel. Im Riechkolben angekommen, integrieren sich die neuen Nervenzellen in die vorhandenen Schaltkreise und helfen, die von der Nase eingefangenen Geruchssignale zur Verarbeitung an das Gehirn weiterzuleiten.

Welche Faktoren die Aktivität der Stammzellen beeinflussen, ist bis jetzt nur teilweise bekannt. Doch haben Untersuchungen gezeigt, dass die Bildung von neuen Nervenzellen beispielsweise durch körperliche Anstrengung erhöht und durch Stress gehemmt wird. «Dieses Ergebnis zeigt, dass auch äussere Reize die Bildung von Nervenzellen auslösen können», so Doetsch.

Ein Mosaik aus Stammzellen

Um solche Reize zu identifizieren, hat die in Kanada geborene Zellbiologin die Nischenumgebung der seitlichen Hirnkammer genau unter die Lupe genommen. Zunächst war nur bekannt, dass sich die Stammzellen in einer dünnen Schicht nahe der Wände der seitlichen Hirnkammern befinden. Jetzt ist klar, dass die Stammzellen so ausgerichtet sind, dass ein Ausläufer der Zelle auf der einen Seite in die Hirnflüssigkeit ragt, die durch die Hirnkammern fliesst. Auf der anderen Seite steht ein Zellfortsatz in Kontakt mit Blutgefässen. Ausserdem sind die Stammzellen mit Nervenzellen aus anderen Hirnregionen vernetzt. So bekommen und verarbeiten Stammzellen aus mehreren Quellen Informationen über den Zustand des Organismus.

Die neuesten Ergebnisse aus dem Labor von Doetsch zeigen noch deutlicher, wie komplex die Stammzell-Nische ist: So befinden sich die dort angesiedelten Stammzellen in verschiedenen Zuständen und bilden ein Mosaik aus aktivierten Zellen und Zellen im Ruhezustand. Auch die Platzierung innerhalb der Nische gibt Auskunft darüber, zu welchen Zelltypen sie sich nach ihrer Aktivierung entwickeln: «Aber noch ist unklar, ob der gleiche Pool an Zellen für die Neubildung von Nervenzellen unter normalen Bedingungen und für die Reparatur von Hirnschäden zuständig ist.»

Neurotransmitter in der Hauptrolle

Solche Untersuchungen zur Struktur der Nische haben gezeigt, woher die Stammzellen ihre Signale erhalten, aber um die beteiligten Moleküle zu identifizieren, waren andere Versuchsansätze nötig. «Wir haben viele Jahre lang versucht, die Stammzellen zu aktivieren», erinnert sich Doetsch. Erst beim Testen einer Kollektion von über 1000 bekannten biologisch aktiven Substanzen wurde sie fündig: Es zeigte sich, dass bestimmte Neurotransmitter – chemische Botenstoff e des Gehirns – eine Hauptrolle bei der Aktivierung von Stammzellen spielen. Einer dieser Botenstoff e war das Beta-Endorphin, das in anderen Situationen etwa als Reaktion auf Schmerzen oder Stress vom Gehirn ausgeschüttet wird.

Dieses Ergebnis führte Doetsch und ihr Team zu der Entdeckung, dass Beta-Endorphin-produzierende Nervenzellen des Hypothalamus über lange Ausläufer in Kontakt mit einer ganz bestimmten Untergruppe der Stammzellen stehen. Sie regulieren so die Bildung eines ganz bestimmten Typs an Nervenzellen für den Riechkolben. Auch die Ernährung beeinflusst über diese Nervenzellen des Hypothalamus die Teilung dieser Stammzell-Untergruppe – beispielsweise bei Futterknappheit. Deshalb könnte es sein, dass die Stammzellen den Mäusen dabei helfen, sich auf Änderungen im Nahrungsangebot einzustellen. Diese Ergebnisse bestätigten, dass bestimmte Faktoren je nach Situation und Umweltbedingungen die Produktion von verschiedenen Nervenzellen-Typen durch die Stammzellen auslösen können.

Heilbare Hirnschäden?

Wie weit sich diese Erkenntnisse, die vor allem aus Versuchen an Mäusen stammen, auf den Menschen übertragen lassen, ist im Moment noch unklar. Sicher ist, dass im menschlichen Gehirn ebenfalls Stammzellen vorhanden sind – das Potenzial zur Erneuerung von Nervenzellen ist also grundsätzlich gegeben. Aber das Ausmass, in dem dies beim Menschen stattfindet, wird zurzeit unter Neurobiologen noch kontrovers diskutiert.

Doch Forschende wie Doetsch hoffen trotzdem, dass es ihnen eines Tages gelingt, die Regulation der Stammzellen aufzuklären. Dann liessen sich die neu gebildeten Nervenzellen kontrolliert aktivieren und in bestimmte Regionen des Gehirns lenken. Und dann wären Hirnschäden, wie sie durch einen Hirnschlag oder eine Alzheimer-Erkrankung entstehen, nicht mehr irreparabel, sondern heilbar.

Fiona Doetsch ist Professorin für Molekulare Stammzellbiologie am Biozentrum der Universität Basel und erforscht Stammzellen im Gehirn von erwachsenen Säugetieren.

Weitere Artikel in der aktuellen Ausgabe von UNI NOVA.

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