Zuletzt aktualisiert am 22. Januar 2023 um 17:39
Transplantierte Nervenzellen verbinden sich
Die neue Forschungsarbeit von Wissenschaftlern der University of California in Irvine (UCI) wurde kürzlich im Wissenschaftsmagazin Nature Communications veröffentlicht. Jedes Jahr erleiden in den Vereinigten Staaten fast zwei Millionen Amerikaner eine traumatische Hirnverletzung (TBI). Experten sprechen von rund 250 000 Betroffenen jährlich in Deutschland.
Besonders häufig betroffen sind Kinder und Jugendliche im Alter zwischen 1 und 15 Jahren. Bei den häufigsten Todesursachen rangiert TBI hierzulande auf Platz 5. Überlebende können lebenslang mit körperlichen, kognitiven und emotionalen Behinderungen leben. Derzeit gibt es keine Behandlungen.
Eine der größten Herausforderungen für Neurowissenschaftler war es, vollständig zu verstehen, wie eine TBI die Kommunikation zwischen verschiedenen Zellen und Gehirnregionen verändert.
Hemmenden Neuronen besonders anfällig
In der neuen Studie verbesserten die Forscher ein Verfahren namens iDISCO, das Lösungsmittel verwendet, um biologische Proben transparent zu machen. Mit verbesserten Gehirnreinigungsprozessen kartierte das UCI-Team neuronale Verbindungen im gesamten Gehirn. Der Prozess schadet dem Gehirn nicht. Die Lösungsmittel werden mit Lasern beleuchtet und mit speziellen Mikroskopen in 3D abgebildet.
Die Forscher konzentrierten sich auf Verbindungen zu hemmenden Neuronen, da diese Neuronen extrem anfällig dafür sind, nach einer Hirnverletzung zu sterben. Das Team betrachtete zunächst den Hippocampus, eine Gehirnregion, die für Lernen und Gedächtnis verantwortlich ist. Dann untersuchten sie den präfrontalen Kortex, eine Gehirnregion, die mit dem Hippocampus zusammenarbeitet.
Nervenzellen verbinden sich erneut
In beiden Fällen zeigte die Bildgebung, dass hemmende Neuronen nach einer TBI viel mehr Verbindungen von benachbarten Nervenzellen erhalten, aber vom Rest des Gehirns getrennt werden.
„Wir wissen seit langem, dass sich die Kommunikation zwischen verschiedenen Gehirnzellen nach einer Verletzung sehr dramatisch verändern kann“, sagte Dr. Robert Hunt, außerordentlicher Professor für Anatomie und Neurobiologie und Direktor des Epilepsie-Forschungszentrums an der UCI School of Medicine, dessen Labor die Studie durchführte, „aber wir konnten bis jetzt nicht sehen, was im gesamten Gehirn passiert.“
Gesamtes Gehirn wird neu verdrahtet
Um einen genaueren Blick auf die beschädigten Gehirnverbindungen zu werfen, entwickelten Hunt und sein Team eine Technik, um das Gehirn mit traditionellen anatomischen Ansätzen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten überraschend, dass die langen Fortsätze entfernter Nervenzellen im geschädigten Gehirn noch vorhanden waren, aber keine Verbindungen mehr zu hemmenden Neuronen eingingen.
„Es sieht so aus, als würde das gesamte Gehirn sorgfältig neu verdrahtet, um den Schaden auszugleichen, unabhängig davon, ob die Region direkt verletzt wurde oder nicht“, erklärte Alexa Tierno, Doktorandin und Autorin der Studie. „Aber verschiedene Teile des Gehirns arbeiten wahrscheinlich nicht mehr so gut zusammen wie vor der Verletzung.“
Kann sich Gehirn selbst reparieren?
Anschließend wollten die Forscher herausfinden, ob es möglich ist, hemmende Nervenzellen wieder mit entfernten Hirnregionen zu verbinden. Um dies herauszufinden, transplantierten Hunt und sein Team neue Interneuronen in den beschädigten Hippocampus und kartierten ihre Verbindungen, basierend auf früheren Forschungsergebnissen des Teams. Diese hatten bereits gezeigt, dass eine Interneurontransplantation das Gedächtnis verbessern und Anfälle bei Mäusen mit TBI stoppen kann.
Die neuen Neuronen erhielten entsprechende Verbindungen aus dem ganzen Gehirn. Dies könnte bedeuten, das verletzte Gehirn könnte dazu verleitet werden, diese verlorenen Verbindungen selbst zu reparieren. Dr. Hunt betonte, dass es für jeden zukünftigen Versuch unerlässlich ist, zu lernen, wie sich transplantierte Interneuronen in beschädigte Gehirnschaltkreise integrieren.
Gehirn mit Transplantationen verjüngen?
„Unsere Studie ist eine sehr wichtige Ergänzung zu unserem Verständnis, wie inhibitorische Vorläufer eines Tages therapeutisch zur Behandlung von TBI, Epilepsie oder anderen Hirnerkrankungen eingesetzt werden können“, sagte Dr. Hunt. „Einige Leute haben vorgeschlagen, dass eine Interneuron-Transplantation das Gehirn verjüngen könnte.“
Dabei könnten bisher unbekannte Substanzen freigesetzt werden, um die angeborene Regenerationsfähigkeit zu steigern. Bisherige Untersuchungen haben ergeben, dass die neuen Neuronen fest mit dem Gehirn verbunden sind.
Dr. Hunt hofft, schließlich eine Zelltherapie für Menschen mit TBI und Epilepsie entwickeln zu können. Das UCI-Team wiederholt nun die Experimente mit hemmenden Neuronen, die aus menschlichen Stammzellen hergestellt werden. „Diese Arbeit bringt uns einer zukünftigen zellbasierten Therapie für Menschen einen Schritt näher“, sagte Dr. Hunt. Aber das brauche Zeit.
Quelle:
Frankowski, J.C., Tierno, A., Pavani, S. et al. Brain-wide reconstruction of inhibitory circuits after traumatic brain injury. Nat Commun 13, 3417 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31072-2 (https://www.nature.com/articles/s41467-022-31072-2)
