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Gehirn in einem Reagenzglas

04.06.2015

Mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) können wir lernen, was im Gehirn passiert - sie ermöglicht es Ihnen, die Aktivität in bestimmten Teilen des Nervengewebes zu sehen und diese Aktivität ziemlich genau mit der Ausführung einer bestimmten Aufgabe zu vergleichen. Aber wir werden nicht alles über das Gehirn lernen können, wenn wir nicht auf die zelluläre Ebene vordringen, auf die Ebene der Neuronen und intereuronalen Kontakte - Synapsen, auf die Ebene der Hilfsgliazellen, die nicht nur Neuronen ernähren, sondern auch stören mit der Leitung eines neurochemischen Signals. Und es sollte daran erinnert werden, dass es viele neuronale Varianten gibt. Wenn wir beispielsweise die Großhirnrinde sorgfältig untersuchen, finden wir darin sechs Schichten, die sich im Verhältnis von Neuronen verschiedener Typen voneinander unterscheiden. Um zu verstehen, wie die höheren kognitiven Funktionen auf molekular-zellulärer Ebene realisiert werden (nämlich der Kortex ist an ihnen beteiligt), müssen wir die Struktur und die Beziehung ihrer Schichten zueinander bis in die Feinheiten verstehen.

Natürlich kann etwas an den Gehirnen von Nagetieren und Primaten untersucht werden. Darüber hinaus wird das Zusammenspiel von Neuronen häufig in Zellkultur untersucht: Zellen leben in einem Nährmedium am Boden irgendeines Laborgefäßes, und Neurowissenschaftler beobachten, wie sich zum Beispiel die Stärke ihrer Synapsen als Reaktion auf bestimmte Reize verändert. Daraus lassen sich einige Rückschlüsse auf die Ursachen von Schizophrenie, Autismus und anderen kognitiven Beeinträchtigungen ziehen – schließlich ist bei solchen Pathologien die neuronale Architektur, die Verschaltung von Neuronen untereinander, verletzt. Aber eine flache Zellkulturschicht ist mit ihren sechs Schichten noch keine Rinde. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Proben von Verstorbenen zu analysieren. Natürlich muss man hier immer an postmortale Veränderungen in der Zellstruktur denken, und es ist unmöglich, die Signalleitung in solchen Proben zu untersuchen. Idealerweise hätten wir gerne ein dreidimensionales Zellmodell in unseren Händen, das das eine oder andere Element der Gehirnstruktur vollständig nachbildet, wenn nicht sogar das gesamte Gehirn. Die Experimente von Forschern der Stanford University bringen uns diesem Ideal näher.

Natürlich ging es nicht ohne Stammzellen – Sergiu Pasca (Sergiu Pasca) und seine Kollegen erhielten induzierte Stammzellen aus menschlicher Haut und verwandelten sie dann in Neuronen. Mittlerweile ist dies fast ein Standardverfahren: Ausdifferenzierte Zellen werden gezwungen, sich "an ihre Jugend zu erinnern", als sie Stammzellen waren und nichts anderes konnten als sich zu teilen. Aber sie können in jeden anderen Zelltyp umgewandelt werden, man muss sie nur mit molekularen Signalen auf den richtigen Weg lenken. Zunächst lief alles wie gewohnt: Künstliche Stammzellen wuchsen flach in einer Kulturschale. Aber dann wurden sie vom Boden getrennt und in einen speziellen neuen "Wohnort" verpflanzt, wo sie sich nicht mehr fest an den Wänden oder am Boden festhalten konnten. Innerhalb weniger Stunden schlossen sich die Zellen zu Mikroballons zusammen, in denen sie sich weiter teilten. Und hier fingen sie an, sich in Zellen des Nervengewebes zu verwandeln.

Nach sieben Wochen wurden 80 % der Zellen aufgrund molekularer und anderer Merkmale Nervenzellen ähnlich. Darüber hinaus wurden 7% nicht zu Neuronen, sondern zu Glia-Astrozyten, die Neuronen unterstützen und ernähren, sie vor dem Eindringen schädlicher Substanzen aus dem Blut schützen und auch die neuronale Aktivität regulieren. Bisher war es nicht möglich, sowohl Neuronen als auch die Zellen, die sie unterstützen, aus demselben Stammmaterial zu züchten, man musste Astrozyten von Drittanbietern verwenden, die aus einer anderen Stammzelllinie gewonnen wurden, was bedeutete, dass sich beide genetisch als unterschiedlich herausstellten - während im Gehirn alle Zellen die gleichen Gene tragen. Jetzt wird diese Schwierigkeit anscheinend verschwinden.

Aber das Wichtigste wurde klar, als sie die Struktur von Zellkomplexen analysierten (sie wurden kortikale Sphäroide genannt) - es stellte sich heraus, dass ihre Architektur derjenigen in der Großhirnrinde ähnlich war. Darüber hinaus reagierten 80 % der Neuronen auf einen externen Stimulus, und 86 % zeigten spontane Aktivität und bildeten miteinander neuronale Ketten, die sich gegenseitig ein Signal übermittelten. Mit anderen Worten, es war möglich, ein ziemlich plausibles dreidimensionales Modell der Großhirnrinde zu erhalten.

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