Einige Bereiche des erwachsenen Gehirns enthalten ruhende oder schlafende neurale Stammzellen, die möglicherweise reaktiviert werden können, um neue Neuronen zu bilden. Der Übergang von der Ruhe zur Proliferation wird jedoch noch wenig verstanden. Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universitäten Genf (UNIGE) und Lausanne (UNIL) hat die Bedeutung des Zellstoffwechsels in diesem Prozess entdeckt und herausgefunden, wie diese neuralen Stammzellen aufgeweckt und reaktiviert werden können. Biologen gelang es, die Zahl neuer Neuronen im Gehirn erwachsener und sogar älterer Mäuse zu erhöhen. Diese Ergebnisse, die für die Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen vielversprechend sind, wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Verlust von neuralen Stammzellen im Alter beeinträchtigt Lern- und Gedächtnisprozesse

Stammzellen haben die einzigartige Fähigkeit, kontinuierlich Kopien von sich selbst zu produzieren und differenzierte Zellen mit spezialisierteren Funktionen hervorzubringen. Neurale Stammzellen (NSCs) sind für den Aufbau des Gehirns während der Embryonalentwicklung verantwortlich und erzeugen alle Zellen des zentralen Nervensystems, einschließlich Neuronen.

Überraschenderweise bleiben NSCs in bestimmten Gehirnregionen auch nach der vollständigen Bildung des Gehirns bestehen und können lebenslang neue Neuronen bilden. Dieses als adulte Neurogenese bezeichnete biologische Phänomen ist wichtig für bestimmte Funktionen wie Lern- und Gedächtnisprozesse. Im erwachsenen Gehirn werden diese Stammzellen jedoch leiser oder „ruhen“ und reduzieren ihre Fähigkeit zur Erneuerung und Differenzierung. Infolgedessen nimmt die Neurogenese mit zunehmendem Alter deutlich ab. Die Labors von Jean-Claude Martinou, emeritierter Professor in der Abteilung für Molekular- und Zellbiologie an der UNIGE-Fakultät für Naturwissenschaften, und Marlen Knobloch, außerordentliche Professorin in der Abteilung für Biomedizinische Wissenschaften an der UNIL Fakultät für Biologie und Medizin, haben einen Stoffwechselmechanismus aufgedeckt, durch den erwachsene NSCs aus ihrem Ruhezustand herauskommen und aktiv werden können.

Aktivierung der neuralen Stammzellen führt zur Bildung neuer Neuronen im Gehirn

Die Forscher fanden heraus, dass Mitochondrien, die energieproduzierenden Organellen in Zellen, an der Regulierung des Aktivierungsniveaus erwachsener NSCs beteiligt sind. Eine besondere Rolle bei dieser Regulation spielt der mitochondriale Pyruvat-Transporter (MPC), ein Proteinkomplex, der vor elf Jahren entdeckt wurde. Seine Aktivität beeinflusst die Stoffwechseloptionen, die eine Zelle nutzen kann. Durch die Kenntnis der Stoffwechselwege, die aktive Zellen von ruhenden Zellen unterscheiden, können Wissenschaftler ruhende Zellen aufwecken, indem sie ihren mitochondrialen Stoffwechsel verändern.

Potenzielle Behandlungsmöglichkeiten

Biologen haben die MPC-Aktivität blockiert, indem sie chemische Inhibitoren verwendeten oder mutierte Mäuse für das Mpc1-Gen erzeugten. Mit diesen pharmakologischen und genetischen Ansätzen konnten die Wissenschaftler ruhende NSCs aktivieren und so neue Neuronen im Gehirn von erwachsenen und sogar gealterten Mäusen erzeugen. Mit dieser Arbeit konnten die Forscher zeigen, dass die Umleitung von Stoffwechselwegen den Aktivitätszustand erwachsener NSCs und damit die Anzahl der neu gebildeten Neuronen direkt beeinflussen kann. Diese Ergebnisse werfen ein neues Licht auf die Rolle des Zellstoffwechsels bei der Regulierung der Neurogenese. Langfristig könnten diese Ergebnisse zu potenziellen Behandlungen für Erkrankungen wie Depressionen oder neurodegenerative Erkrankungen führen.

Mit Stammzellen das Gehirn verjüngen

Bereits früherer Forschungen haben gezeigt, dass eine Erhöhung der Anzahl von Stammzellen im Gehirn bei der Wiederherstellung kognitiver Funktionen wie Lernen und Gedächtnis helfen würde, die im Alter verloren gehen. Um dies zu untersuchen, nutzten Wissenschaftler des Zentrums für Regenerative Therapien der TU Dresden (CRTD) eine im Labor entwickelte Methode, um den kleinen Pool an neuralen Stammzellen im Gehirn zu stimulieren, die sich  im Gehirn befinden, um ihre Anzahl zu erhöhen, und, auch um die Anzahl der von diesen Stammzellen erzeugten Neuronen zu erhöhen. Überraschenderweise konnten im Gehirn alter Mäuse weitere Nervenzellen überleben und neue Kontakte zu Nachbarzellen eingehen. Anschließend untersuchten die Wissenschaftler eine wichtige kognitive Fähigkeit, die ähnlich wie bei Mäusen und Menschen mit zunehmendem Alter verloren geht: Navigation.

Es ist bekannt, dass Menschen, je nachdem, ob sie jung oder alt sind, unterschiedlich lernen, sich in einer neuen Umgebung zurechtzufinden. In jungen Jahren kann das Gehirn eine kognitive Karte der Umgebung erstellen und sich daran erinnern, aber diese Fähigkeit lässt in älteren Gehirnen nach. Als alternative Lösung des Problems müssen ältere Gehirne ohne eine kognitive Karte der Umgebung die festgelegten Abfolgen von Drehungen und Wendungen lernen, die erforderlich sind, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Obwohl die beiden Strategien oberflächlich ähnlich erscheinen mögen, kann nur eine kognitive Karte es Menschen ermöglichen, effizient zu navigieren, wenn sie von einem neuen Ort aus starten oder ein neues Ziel erreichen müssen.

Mehr Neuronen helfen, den Alterungsprozess des Gehirns einzudämmen

Würde eine Erhöhung der Zahl der Neuronen ausreichen, um der nachlassenden Leistung des Gehirns bei der Navigation entgegenzuwirken und diesen Alterungsprozess zu verlangsamen? Die Antwort lautet „Ja“: Alte Mäuse mit mehr Stammzellen und Neuronen erlangten ihre verlorene Fähigkeit zurück, eine Karte der Umwelt zu erstellen, und erinnerten sich länger daran, wodurch sie jungen Mäusen ähnlicher wurden. Noch besser, wenn neurale Stammzellen im Gehirn junger Mäuse stimuliert wurden, verzögerten sich kognitive Beeinträchtigungen und das Gedächtnis blieb über den gesamten Verlauf des natürlichen Lebens der Tiere besser erhalten.

Bei jungen Menschen ist ein Gehirnbereich namens Hippocampus entscheidend für die Erinnerung an Orte und Ereignisse und auch für die Erstellung von Karten neuer Umgebungen verantwortlich. Alte Menschen verwenden jedoch andere Strukturen, die mehr mit der Entwicklung von Gewohnheiten zusammenhängen. Es war interessant zu sehen, dass das Hinzufügen von mehr Neuronen im Hippocampus alter Mäuse es ihnen ermöglichte, Strategien zu verwenden, die typisch für junge Tiere sind. Es ging nicht nur darum, wie schnell sie lernten, sondern wie unterschiedlich der Lernprozess selbst war.

Auch Menschen haben ein paar Stammzellen im Gehirn, und diese Stammzellen nehmen bekanntlich im Laufe des Lebens stark ab. Die Identifizierung der Ursachen kognitiver Defizite im Alter und deren Rettung ist für unsere schnell alternde Gesellschaft von entscheidender Bedeutung. Die Forscher konnten zeigen, dass altersbedingten Beeinträchtigungen entgegengewirkt werden kann, indem man das endogene neurogene Potenzial des Gehirns beraubt, und so seine Funktion verjüngt.