Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Großhirnrinde auf Knopfdruck falten

26.04.2013
Erstmals ist es Forschern gelungen, in einem Säugetiergehirn nicht nur die Anzahl an Nervenzellen zu erhöhen, sondern den Cortex zur Faltung zu bringen.

Die Teams um Dr. Federico Calegari vom DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden – Exzellenzcluster der TU Dresden (CRTD) und Dr. Víctor Borrell vom Instituto de Neurociencias de Alicante und der Universidad Miguel Hernández haben einen Mechanismus entdeckt, der den Prozess der Faltung in Gang setzt und auch wieder stoppt. Die Falten vergrößern die Gehirnoberfläche, damit automatisch die Anzahl der dort sitzenden Nervenzellen. Die Ergebnisse sind im „The EMBO Journal“ veröffentlicht worden (DOI: 10.1038/emboj.2013.96).

Wie sich im erwachsenen Mausgehirn das Potential an vermehrbaren Stammzellen erhöhen lässt, zeigte Federico Calegari bereits vor zwei Jahren. Gemeinsam mit Benedetta Artegiani hatte der Dresdner Stammzellforscher ein patentiertes Verfahren entwickelt, die Teilung von neuronalen Stammzellen im Gehirn gezielt zu beschleunigen und zu vermehren. Dafür erhöhten die Wissenschaftler die speziellen Proteinkomplexe CdK4 und cyclinD1. Sobald diese Proteingaben eingestellt wurden, hörten die Stammzellen auf, sich weiter zu teilen und bildeten Nervenzellen.

Das Mausgehirn unterscheidet sich in seiner Form von dem des Menschen. Das menschliche Gehirn ist an der Oberfläche mit vielen Falten, Furchen und Fissuren versehen, die Oberfläche von kleineren Säugetieren wie Mäusen hingegen ist eher glatt. Ein gefalteter Cortex bedeutet eine größere Oberfläche an genau dem Ort des Gehirns, an dem viele neuronale Stammzellen und Vorläufer der Nervenzellen sitzen, was letztlich auch die Anzahl an Nervenzellen erhöht.

Experimente am CRTD in Dresden zeigten, dass sich mit der Gabe der speziellen Proteinkomplexe während der Embryonalentwicklung der Mäuse zwar die Größe der ausgewachsenen Gehirne aufgrund der größeren Gehirnmasse mitsamt den Neuronen stark erhöhen ließ, jedoch kam es zu keiner Auffaltung des Cortex. Wie ist es im Laufe der Evolution dazu gekommen, dass sich beim Menschen Gehirnfaltungen ausgebildet haben? Könnte beispielsweise ein glattes Kleinsäugetiergehirn so manipuliert werden, das es Falten ausprägt, in denen mehr neuronale Stammzellen vorhanden sind als zuvor? Diese Frage beschäftigt Forscher weltweit.

In den vergangenen Jahren haben verschiedene Forschergruppen entdeckt, dass die Großhirnrinde aus mehreren Schichten besteht, in denen unterschiedliche neurale Vorläuferzellen mit verschiedenen Funktionen sitzen. Wieland Huttner vom Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) Dresden entdeckte 2010 in der äußeren Keimzone des Gehirns (Subventrikularzone) neue Stammzelltypen. Diese Vorläuferzellen der weiteren Schicht behalten über einen langen, dünnen Zellfortsatz Kontakt zur Basalmembran an der äußeren Oberfläche des sich entwickelnden Gehirns. Die Zellen besitzen Stammzelleigenschaften und können sich wiederholt teilen, somit neue Nervenzellen produzieren.

Genau diese Gehirnschicht ist im Gehirn von Mäusen nicht vorhanden, jedoch in Frettchen, an denen Dr. Víctor Borrell vom Instituto de Neurociencias de Alicante und der Universidad Miguel Hernández forscht. Frettchen besitzen im Gegensatz zu Mäusen bereits eine sehr gering ausgeprägt gefaltete Gehirnform. Die in Dresden entwickelten Verfahren hat Borrell in der publizierte Studie nun an Frettchen untersucht.

Um die Ausdehnung des Cortex massiv zu erhöhen, entwickelte die Arbeitsgruppe von Federico Calegari vorab eine Technik, die Konzentration der speziellen Proteinkomplexe CdK4 und cyclinD1 zu steigern. „Zu Beginn dachten wir, dass beim Mausgehirn eine Ausdehnung des Cortex in die Breite erzeugt werden müsste“, erläutert der Dresdner Stammzellforscher das Vorgehen. Das erwies sich jedoch als falsche Arbeitshypothese. Calegari weiter: „Wir mussten also eine größere Streckung der Cortexoberfläche in der Längsausdehnung erreichen, um die Wölbung zu erzielen. Die Experimente an Frettchen, die wir dann gemeinsam mit den spanischen Kollegen durchführten, zeigten uns, dass wir hier den richtigen Ansatz gefunden hatten.“

Bei den Frettchen konnten mit Injektionen der speziellen Proteinkomplexe gezielt die Vorläuferzellen in der gewünschten Gehirnschicht aktiviert werden, so dass diese sich massiv teilten, neue neuronale Stammzellen produzierten. Wie bereits bei den Mausversuchen am CRTD wirkte der bekannte Mechanismus auch beim Frettchen als eine Art Kippschalter, mit dem gezielt die Produktion von Stammzellen, deren Ausdifferenzierung in Neuronen gezielt an- und abgeschaltet werden konnte. Federico Calegari fasst das Ergebnis zusammen: „Mit der gezielten Manipulation der in den Mäusen nicht vorkommenden neuralen Vorläuferzellen haben wir jetzt nicht nur eine größere Gehirnmasse produziert, sondern auch gezielt die Auffaltung des Cortex wie beim menschlichen Gehirn. Und die Tiere leben alle anscheinend normal mit dem manipulierten Gehirn weiter.“

Mit ihren Forschungsergebnissen hat das deutsch-spanische Forscherteam einen wichtigen Beitrag geleistet, den Ablauf und die Grundlagen der Gehirnentwicklung bei Säugetieren und die evolutionäre Ausbildung von Gehirnfaltungen besser zu verstehen. Doch bedeutet ein größeres Gehirn mitsamt Faltungen und Furchen auch an erhöhtes Maß an kognitiven Fähigkeiten, damit letztlich der Intelligenz? „In unseren nächsten Forschungsprojekten werden wir uns mit dieser Frage beschäftigen“, so Calegari. „Vielleicht wird dieses Verfahren, neuronale Stammzellen zu vermehren, einmal dazu beitragen, neue Therapien bei Erkrankungen oder Verletzungen des zentralen Nervensystems zu entwickeln.“

Publikation:
Miki Nonaka-Kinoshita1, Isabel Reillo2, Benedetta Artegiani1, Maria Àngeles Martínez-Martínez2, Mark Nelson3, Víctor Borrell2 & Federico Calegari1: Regulation of Cerebral Cortex Size and Folding by Expansion of Basal Progenitors. The EMBO Journal, DOI: 10.1038/emboj.2013.96
1CRTD-DFG Research Center for Regenerative Therapies Dresden, Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
2Instituto de Neurociencias, CSIC & Universidad Miguel Hernández, Alicante, Spain
3Echelon Biosciences, Salt Lake City, USA

Pressekontakt
Birte Urban-Eicheler
Pressesprecherin CRTD/DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden – Exzellenzcluster an der TU Dresden
Tel.: 0351/ 458-82065
E-Mail: birte.urban@crt-dresden.de
http://www.crt-dresden.de

Das 2006 gegründete Zentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) der Technischen Universität konnte sich in der dritten Runde der Exzellenzinitiative erneut als Exzellenzcluster und DFG-Forschungszentrum durchsetzen. Es wird von dem Entwicklungs- und Neurobiologen Prof. Dr. Michael Brand geleitet. Ziel des CRTD ist es, das Selbstheilungspotential des Körpers zu erforschen und völlig neuartige, regenerative Therapien für bisher unheilbare Krankheiten zu entwickeln. Die Forschungsschwerpunkte des Zentrums konzentrieren sich auf Hämatologie und Immunologie, Diabetes, neurodegenerative Erkrankungen sowie Knochenersatz. Zurzeit arbeiten vier Professoren und neun Forschungsgruppenleiter am CRTD, die in einem interdisziplinären Netzwerk von über 90 Mitgliedern sieben verschiedener Institutionen Dresdens eingebunden sind. Zusätzlich unterstützen 18 Partner aus der Wirtschaft das Netzwerk. Dabei erlauben die Synergien im Netzwerk eine schnelle Übertragung von Ergebnissen aus der Grundlagenforschung in klinische Anwendungen.

Birte Urban-Eicheler | idw
Weitere Informationen:
http://www.crt-dresden.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mikro-U-Boote für den Magen
24.01.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Echoortung - Lernen, den Raum zu hören
24.01.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie