Warum bildet das erwachsene Gehirn weiterhin neue Neuronen?

Die kurze Antwort: Zumindest in einer Hirnregion, dem Hippocampus, deutet der Großteil der Daten darauf hin, dass auch im Erwachsenenalter neue Neuronen entstehen. Wie viele und wie wichtig sie sind, gehört allerdings zu den offenen Debatten der Neurowissenschaft.

Um zu verstehen, warum die Frage so viel Gewicht hat, muss man bei dem beginnen, der sie ein halbes Jahrhundert lang für erledigt erklärte: Santiago Ramón y Cajal.

Das Dogma von Cajal

Cajal, Nobelpreisträger von 1906, untersuchte jahrelang, was geschieht, wenn ein Nerv oder eine Bahn des zentralen Nervensystems verletzt wird. Diese Arbeiten fasste er in Estudios sobre la degeneración y regeneración del sistema nervioso (Madrid, 1913-1914) zusammen, und sein Schluss war unmissverständlich: In den Nervenzentren des Erwachsenen seien die Bahnen etwas Festes, Abgeschlossenes und Unveränderliches.

In der englischen Übersetzung von 1928 wurde der Satz berühmt: „everything may die, nothing may be regenerated“, alles kann sterben, nichts kann sich erneuern. Cajal fügte hinzu, es sei Aufgabe der Wissenschaft der Zukunft, dieses harte Urteil zu ändern, falls möglich.

Daraus wurde das Dogma der Nicht-Regeneration, und jahrzehntelang ging die Neurowissenschaft davon aus, dass das erwachsene Gehirn nur Neuronen verlieren kann.

Eine wichtige Einschränkung: Cajal hielt das Gehirn nicht für etwas Lebloses. In seiner Croonian Lecture vor der Royal Society (1894) hatte er es bereits mit einem Garten voller Bäume verglichen, die:

„als Antwort auf eine kluge Pflege die Zahl ihrer Äste vermehren, ihre Wurzeln über eine größere Fläche ausbreiten und vielfältigere und edlere Blüten und Früchte hervorbringen können.“

Gemeint waren aber neue Verbindungen zwischen bereits vorhandenen Neuronen, die Grundlage dessen, was wir heute neuronale Plastizität nennen, nicht neue Neuronen. Plastizität ja, Neurogenese nein.

Die ersten Risse: Altman und die Ratten

1965 veröffentlichten Joseph Altman und Gopal Das im Journal of Comparative Neurology Belege dafür, dass im Hippocampus von Ratten nach der Geburt weiterhin neue Zellen entstanden, die zu Neuronen wurden. Sie nutzten radioaktives Thymidin, einen Marker, der in die DNA sich teilender Zellen eingebaut wird.

Der Befund widersprach dem Dogma und brauchte Jahrzehnte, um sich durchzusetzen. Den endgültigen Umschwung brachte der Nachweis beim Menschen.

Eriksson, 1998: der erste Beleg beim Menschen

Neurogenese beim Menschen zu bestätigen, ist viel schwieriger als bei Tieren: Um ein frisch gebildetes Neuron zu erkennen, muss man Zellen im Moment ihrer Teilung markieren, und das lässt sich in einem gesunden menschlichen Gehirn nicht allein zu Forschungszwecken tun.

Im November 1998 fanden Peter Eriksson, Fred Gage und ihr Team einen Weg. Sie untersuchten nach dem Tod das Hirngewebe von Krebspatienten, die zu Lebzeiten im Rahmen ihrer onkologischen Betreuung einen Marker für sich teilende Zellen (Bromdesoxyuridin, BrdU) erhalten hatten. Im Gyrus dentatus des Hippocampus fanden sich markierte Zellen, die zu Neuronen geworden waren: Sie waren im Erwachsenenalter entstanden.

Wie viele Neuronen: die C-14-Methode

Kirsty Spalding, Jonas Frisén und ihr Team (2013) suchten nach einer anderen Messmethode. Die oberirdischen Atomtests der Fünfziger- und Sechzigerjahre ließen den Anteil an Kohlenstoff-14 in der Luft stark ansteigen, und dieser Kohlenstoff wurde in der DNA der Zellen gespeichert, die zum jeweiligen Zeitpunkt entstanden. Misst man den C-14-Gehalt der Neuronen im Hippocampus Verstorbener, lässt sich schätzen, wann jede Zelle entstanden ist.

Ihr Ergebnis: Rund ein Drittel der Neuronen im Gyrus dentatus wird im Lauf des Lebens erneuert, mit etwa 700 neuen Neuronen pro Tag in jedem Hippocampus beim Erwachsenen und einem mäßigen Rückgang mit dem Alter.

Wo die neuen Neuronen entstehen

Die hippocampale Neurogenese findet im Gyrus dentatus statt. Dort gibt es Vorläufer- oder Stammzellen, die sich teilen und Zellen hervorbringen, die eine kurze Strecke wandern, sich zu Neuronen entwickeln und Verbindungen zu den bereits vorhandenen knüpfen.

Bei Nagetieren überlebt ein guter Teil dieser Neuronen die ersten Wochen nicht; die übrigen werden in die Schaltkreise eingebunden. Dass ausgerechnet der Hippocampus, eine Schlüsselregion für das Gedächtnis, diese Fähigkeit behält, eröffnete eine Forschungslinie, die bis heute aktiv ist.

Die Debatte von 2018

Im März 2018 veröffentlichten Shawn Sorrells, Arturo Álvarez-Buylla und ihr Team in Nature eine Studie mit Gehirnproben von Kindern und Erwachsenen: Die Bildung von Neuronen fiel in der Kindheit steil ab, und bei Erwachsenen fanden sie keine.

Einen Monat später veröffentlichten Maura Boldrini und ihr Team in Cell Stem Cell das gegenteilige Ergebnis: Bei 28 plötzlich verstorbenen Menschen zwischen 14 und 79 Jahren fanden sie Tausende unreifer Neuronen im Hippocampus, in ähnlicher Zahl bei Jungen und Älteren.

2019 untersuchte die Gruppe von María Llorens-Martín am Centro de Biología Molecular Severo Ochoa in Madrid Gehirne, die unter sehr kontrollierten Bedingungen verarbeitet worden waren, mit kurzer Zeit bis zur Fixierung des Gewebes. Sie fanden Tausende unreifer Neuronen im Gyrus dentatus gesunder Menschen bis ins neunte Lebensjahrzehnt und einen deutlichen Rückgang bei Alzheimer-Patienten.

Eine große Gruppe von Fachleuten um Gerd Kempermann (2018) fasste den Stand der Forschung zusammen: Der Großteil der Belege spricht dafür, dass es hippocampale Neurogenese beim erwachsenen Menschen gibt, ihr Umfang und ihre Funktion sind aber noch unklar, und die Ergebnisse hängen stark davon ab, wie das Gewebe gewonnen und verarbeitet wird.

Was den Prozess fördert und was ihn bremst

Fast alles, was über die Förderung der Neurogenese bekannt ist, stammt aus Versuchen mit Labortieren:

• Das Erkunden reizreicher Umgebungen steigert die Bildung neuer Neuronen und ihre Überlebenschance.
• Anhaltender Stress und fehlende Anregung verringern beides.

Dieser Befund knüpft an die Frage an, warum Stress das Gedächtnis blockiert: Bei Nagetieren erschwert chronischer Stress nicht nur den Abruf des Gelernten, er bremst auch die Bildung von Neuronen im Hippocampus.

Lernen und neue Neuronen: ein Kreislauf in beide Richtungen

Elizabeth Gould und ihr Team (1999) zeigten an Ratten, dass der Zusammenhang auch umgekehrt funktioniert: Das Lernen von Aufgaben, die vom Hippocampus abhängen, erhöhte das Überleben der neuen Neuronen, während Aufgaben, die nicht von ihm abhängen, diesen Effekt nicht hatten.

Bei Ratten scheint der Erwerb neuer Informationen den Prozess also zurückzuspeisen. Die Übertragung auf den Menschen ist schwieriger: Neurogenese lässt sich bei lebenden Menschen nicht messen, und keine Studie hat gezeigt, dass mehr Lernen mehr Neuronen erzeugt. Vorsichtig ist es, bei der allgemeinen, gut belegten Idee zu bleiben, dass das erwachsene Gehirn veränderungsfähig bleibt.

Wie sehr du dich wirklich auf das einlässt, was du lernst, statt nur Stunden zu sammeln, misst unser Test zum tiefen oder oberflächlichen Lernansatz.

Was wir wissen und was nicht

• Wir wissen, dass das erwachsene Säugetiergehirn im Hippocampus neue Neuronen bildet, und die meisten Studien beim Menschen weisen in dieselbe Richtung.
• Wir wissen, dass Cajal mit seiner Beschreibung der Plastizität der Verbindungen recht hatte und sich irrte, als er die Bildung von Neuronen für abgeschlossen erklärte.
• Wir wissen nicht genau, wie viele neue Neuronen ein erwachsener Mensch bildet, wie viel sie zum Gedächtnis beitragen und ob die Faktoren, die sie bei Ratten fördern, beim Menschen eine spürbare Wirkung haben.

Quellen

• Altman, J. und Das, G. D. (1965). Autoradiographic and histological evidence of postnatal hippocampal neurogenesis in rats. Journal of Comparative Neurology, 124(3), 319-335. https://doi.org/10.1002/cne.901240303
• Boldrini, M., Fulmore, C. A., Tartt, A. N., Simeon, L. R., Pavlova, I., Poposka, V. et al. (2018). Human hippocampal neurogenesis persists throughout aging. Cell Stem Cell, 22(4), 589-599. https://doi.org/10.1016/j.stem.2018.03.015
• Eriksson, P. S., Perfilieva, E., Björk-Eriksson, T., Alborn, A. M., Nordborg, C., Peterson, D. A. und Gage, F. H. (1998). Neurogenesis in the adult human hippocampus. Nature Medicine, 4(11), 1313-1317. https://doi.org/10.1038/3305
• Gould, E., Beylin, A., Tanapat, P., Reeves, A. und Shors, T. J. (1999). Learning enhances adult neurogenesis in the hippocampal formation. Nature Neuroscience, 2(3), 260-265.
• Kempermann, G., Gage, F. H., Aigner, L., Song, H., Curtis, M. A., Thuret, S. et al. (2018). Human adult neurogenesis: Evidence and remaining questions. Cell Stem Cell, 23(1), 25-30. https://doi.org/10.1016/j.stem.2018.04.004
• Moreno-Jiménez, E. P., Flor-García, M., Terreros-Roncal, J., Rábano, A., Cafini, F., Pallas-Bazarra, N., Ávila, J. und Llorens-Martín, M. (2019). Adult hippocampal neurogenesis is abundant in neurologically healthy subjects and drops sharply in patients with Alzheimer’s disease. Nature Medicine, 25(4), 554-560. https://doi.org/10.1038/s41591-019-0375-9
• Ramón y Cajal, S. (1894). The Croonian Lecture: La fine structure des centres nerveux. Proceedings of the Royal Society of London, 55.
• Ramón y Cajal, S. (1913-1914). Estudios sobre la degeneración y regeneración del sistema nervioso. Moya. Englische Übersetzung: Degeneration and Regeneration of the Nervous System (R. M. May, Übers.). Oxford University Press, 1928.
• Sorrells, S. F., Paredes, M. F., Cebrian-Silla, A., Sandoval, K., Qi, D., Kelley, K. W. et al. (2018). Human hippocampal neurogenesis drops sharply in children to undetectable levels in adults. Nature, 555(7696), 377-381. https://doi.org/10.1038/nature25975
• Spalding, K. L., Bergmann, O., Alkass, K., Bernard, S., Salehpour, M., Huttner, H. B. et al. (2013). Dynamics of hippocampal neurogenesis in adult humans. Cell, 153(6), 1219-1227. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.05.002