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Hirnerkrankungen: Computermodell von Nervenzellen gibt Einblicke in Verbindungsprobleme

14.11.2014

Bei Hirnerkrankungen wie Alzheimer und Parkinson ist die Kommunikation zwischen Nervenzellen gestört. Wie Bonner Forscher des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankung (DZNE) jetzt im Fachjournal „Neuron“ berichten, lassen sich diese Verbindungsprobleme auf Veränderungen in der Gestalt der Nervenzellen zurückführen.

Die Wissenschaftler vermaßen kranke Nervenzellen mit großer Präzision und simulierten daraufhin ihre elektrischen Eigenschaften am Computer. Nach ihrer Einschätzung könnten medizinische Maßnahmen, die die Struktur der Nervenzellen schützen, eine neuartige Strategie zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen darstellen.

Im Gehirn sind die Nervenzellen – auch „Neurone“ genannt, zu einem Geflecht verwoben, über das sie Signale miteinander austauschen. Deshalb bilden die Neurone filigrane Verästelungen aus, die es ihnen ermöglichen, elektrische Reize weiterzuleiten und ihre Aktivität aufeinander abzustimmen.

„Bei Alzheimer, Parkinson und einer ganzen Reihe anderer Hirnerkrankungen verkümmern die Nervenzellen allerdings. Das ist typisch für neurodegenerative Prozesse“, erläutert Professor Stefan Remy, der am Bonner Standort des DZNE eine Arbeitsgruppe leitet und auch für die Klinik für Epileptologie des Universitätsklinikums Bonn forscht. „Bei kranken Zellen sind die Fortsätze im Allgemeinen kleiner und weniger zahlreich als bei gesunden Zellen.“

Leitungsstörungen

Bekannt ist zudem, dass die Signalübertragung zwischen den Neuronen gestört ist. Die Nervenzellen sind übererregbar und verbreiten elektrische Impulse in geradezu hektischer Abfolge. „Diese Aktivität hat gewisse Ähnlichkeiten mit einem epileptischen Anfall. Bislang war allerdings unklar, wie Änderungen der Zellmorphologie und abnorme Funktion zusammenhängen“, sagt Remy.

„Wir haben jetzt festgestellt, dass sich mit der Form auch die elektrischen Eigenschaften der Zelle unmittelbar verändern. Das ist wie bei einem Stromkabel. Ein dünnes und kurzes Kabel hat andere elektrischen Eigenschaften als ein Kabel, das dicker und länger ist. Wir konnten zeigen, dass sich die Übererregbarkeit durch die Formveränderung der Nervenzellen erklären lässt.“

Dieser Befund schließe andere Einflüsse, etwa Veränderungen im Stoffwechsel der Zellen nicht aus, betont der Neurowissenschaftler. „Unsere Ergebnisse belegen aber, dass Funktionsstörungen und Form der Neuronen eng miteinander verknüpft sind. Dieser Zusammenhang war bisher nicht bekannt.“

Präzisionsmessungen und Computersimulationen

Die Forscher kombinierten für ihre Studie experimentelle Untersuchungen mit Computersimulationen. Zunächst nahmen sie die elektrische Aktivität einzelner Neuronen und auch größerer Zellverbände unter die Lupe. Dazu untersuchten sie Mäuse, die in ihren Gehirnen für Alzheimer typische Merkmale aufwiesen.

Des Weiteren bestimmten die Wissenschaftler per Präzisionsmikroskopie die Abmessungen gesunder und kranker Nervenzellen. Anhand dieser Strukturdaten konnte Remys Team ein einzelnes Neuron am Computer dreidimensional nachbilden und dessen elektrische Eigenschaften berechnen. Auf diese Weise gelang es den Wissenschaftlern, die Funktionsstörungen einer kranken Zelle auf Formveränderungen zurückführen.

Ein genereller Effekt

„Diese Untersuchungen waren speziell auf Alzheimer ausgerichtet. Änderungen der Zellmorphologie sind jedoch typisch für alle neurodegenerative Erkrankungen. Deshalb gehen wir davon aus, dass die Störungen in der zellulären Kommunikation auch bei anderen Hirnerkrankungen auf Strukturveränderungen beruhen. Wir sehen hier einen generellen Effekt, der verschiedene Krankheiten miteinander verbindet.“

Nach Ansicht des Bonner Forschers werfen diese Befunde einerseits neues Licht auf Krankheitserscheinungen. Anderseits könnten sie möglicherweise auch zur Behandlung beitragen. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass man mit der Struktur auch die Funktion der Nervenzellen schützt. Pharmaka, die speziell darauf ausgerichtet sind, die Gestalt der Neuronen zu erhalten, könnten den Krankheitsverlauf eventuell günstig beeinflussen. Für die Therapie wäre die Zellmorphologie ein neuer Ansatzpunkt“, sagt Remy. „Überdies könnte unser Computermodell vielleicht dabei helfen, die Auswirkungen solcher Therapieoptionen zu prüfen und vorherzusagen.“

Originalveröffentlichung
„Dendritic Structural Degeneration is Functionally Linked to Cellular Hyperexcitability in a Mouse Model of Alzheimer’s Disease”, Zuzana Šišková, Daniel Justus, Hiroshi Kaneko, Detlef Friedrichs, Niklas Henneberg, Tatjana Beutel, Julika Pitsch Susanne Schoch, Albert Becker, Heinz von der Kammer, Stefan Remy, Neuron, 2014, doi: 10.1016/j.neuron.2014.10.024


Weitere Informationen:

https://www.dzne.de/ueber-uns/presse/meldungen/2014/pressemitteilung-nr-15.html

Dr. Marcus Neitzert | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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