Wie unser Gehirn verdrahtet wird

Team aus Genf und Dresden zeigt Entstehung und Spezialisierung neuronaler Netzwerke.

Dr. Philipp Abe vom Institut für Anatomie der Medizinischen Fakultät der TU Dresden konnte in Zusammenarbeit mit Prof. Denis Jabaudon von der Universität Genf zeigen, wie diese Verbindungen während der Entwicklung entstehen und sich spezialisieren. Diese wichtigen Erkenntnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Unser Gehirn ist ein hochkomplexes Organ, dessen Funktionsweise von unzähligen Verbindungen zwischen Nervenzellen abhängt. Dr. Philipp Abe vom Institut für Anatomie der Medizinischen Fakultät der TU Dresden konnte in Zusammenarbeit mit Prof. Denis Jabaudon von der Universität Genf zeigen, wie diese Verbindungen während der Entwicklung entstehen und sich spezialisieren. Diese wichtigen Erkenntnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Dreidimensionale Rekonstruktion eines Mäusehirns. Die ET-Neurone (in weiß) sind mit ihren Verbindungen (Axone) dargestellt. Die ET-Neuronen verbinden dabei den Kortex oder auch die Großhirnrinde mit weit entfernten Hirnstrukturen (Sterne) bis hin zum Rückenmark. Zur Darstellung der Verbindung sind die ET-Neurone stärker belichtet und erscheinen deshalb als einheitliche Fläche. Einzelne ET-Neurone im Kortex sind links im Bild zu erkennen. © Dr. Philipp Abe

Die äußere Schicht unseres Gehirns, der Kortex oder auch die Großhirnrinde, ist in verschiedene Bereiche, sogenannte Areale, unterteilt. Jedes Areal hat spezifische Aufgaben, wie etwa die Steuerung von Bewegungen oder die Verarbeitung von Sinnesinformationen wie Sehen, Hören und Tasten. Innerhalb dieser Areale gibt es verschiedene Arten von Nervenzellen, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen. Unter diesen haben die sogenannten ET-Neurone besonders lange „Verbindungskabel“. Diese langen Verbindungen ermöglichen es ihnen, mit anderen, weit entfernten Bereichen des Gehirns zu kommunizieren.

Entwicklung der Verbindungswege

In der frühen Entwicklung bilden ET-Neurone zunächst zahlreiche Verbindungen zu verschiedenen Zielbereichen im Gehirn aus. Im Laufe der Entwicklung werden viele dieser Verbindungen jedoch wieder abgebaut. Dieser Prozess, der als „Pruning“ bezeichnet wird, variiert von Areal zu Areal und wird durch spezifische genetische Programme gesteuert. So entwickeln sich im motorischen Kortex bevorzugt längere Verbindungen zum Rückenmark, während im visuellen Kortex eher kürzere Verbindungen zum Thalamus ausgebildet werden, wo entschieden wird, welche Eindrücke aus der Umwelt – sehen, hören, Körperempfindungen – zur Bewusstwerdung an das Großhirn weitergegeben werden.

Genetische Steuerung der Vernetzung

Forschende der Dresdner Hochschulmedizin konnten jetzt bestimmte Gene identifizieren, die die Entwicklung der ET-Neurone und ihrer Verbindungswege steuern. Diese Gene wirken wie Baupläne, die spezifische Instruktionen für die Bildung und den Abbau von neuronalen Verknüpfungen liefern. Durch gezielte Inaktivierung dieser Gene konnte gezeigt werden, dass sich die Verbindungsmuster der ET-Neurone verändern lassen, was neue Einblicke in die Mechanismen der neuronalen Plastizität eröffnet. Diese neuen Erkenntnisse könnten dazu beitragen, neue Behandlungsmöglichkeiten für Erkrankungen zu entwickeln, bei denen die Verbindungen im Gehirn beschädigt oder fehlerhaft sind, wie zum Beispiel bei Rückenmarksverletzungen oder bestimmten Erbkrankheiten.

Die Bedeutung von Zelltypen und Arealen

Die Studie zeigt, dass sowohl die Art der Nervenzelle (ET-Neuron) als auch das Areal, in dem sie sich befindet, eine entscheidende Rolle für die Entwicklung der neuronalen Verbindungen spielen. Durch die Kombination dieser beiden Faktoren entsteht eine hochgradig spezialisierte Verdrahtung des Gehirns, die es uns ermöglicht, unsere Umwelt wahrzunehmen, zu lernen und zu handeln.

Ausblick

Diese neuen Erkenntnisse eröffnen Perspektiven für die Erforschung neurologischer Erkrankungen, bei denen die Entwicklung neuronaler Verbindungen gestört ist. Langfristig könnten diese Einsichten zudem dazu beitragen, innovative Therapieansätze bei neurodegenerativen Erkrankungen wie amyotropher Lateralsklerose (ALS) oder hereditärer spastischer Paraplegie (HSP) zu entwickeln.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Philipp Abe
Institut für Klinische Genetik
Tel.: +49 (351) 458-17955
Email:philipp.abe@tu-dresden.de | philipp.abe@ukdd.de
https://www.uniklinikum-dresden.de/kge

Prof. Denis Jabaudon
Department of Basic Neurosciences
Campus Biotech, Universität Genf, Schweiz
Tel. +41 22 37 95 387
Email: denis.jabaudon@unige.ch
https://neurocenter-unige.ch/research-groups/denis-jabaudon

Originalpublikation:

Abe, P., Lavalley, A., Morassut, I. et al. Molecular programs guiding arealization of descending cortical pathways. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07895-y

https://tu-dresden.de/tu-dresden/newsportal/news/wie-unser-gehirn-verdrahtet-wird-ein-team-aus-genf-und-dresden-zeigt-die-entstehung-und-spezialisierung-neuronaler-netzwerke