Das Gehirn besitzt eine bislang unbekannte Form der Selbstheilung

Das Gehirn ist erstaunlich leistungsfähig – beim Reparieren bleibt es jedoch deutlich eingeschränkter als Haut oder Leber. Abgestorbene Nervenzellen lassen sich meist nicht einfach ersetzen. Umso bemerkenswerter ist ein Vorgang, den Wissenschaftler nun im lebenden Gehirn beobachtet haben: Nach dem Verlust bestimmter Zellen rückten Nachbarzellen in die entstandene Lücke vor. Sie teilten sich, verlängerten ihre Fortsätze und transportierten neue Zellkerne teilweise mehr als 100 Mikrometer weit durch ihr eigenes Inneres. Innerhalb weniger Wochen entstand wieder ein geschlossenes Zellnetz – eine bislang unbekannte Form der Selbstheilung im Gehirn.

Beobachtet hat den Vorgang ein Team der Universität Zürich bei erwachsenen Mäusen. Dabei wuchsen keine verlorenen Nervenzellen nach. Die Reparatur betraf sogenannte Astrozyten. Diese Gliazellen versorgen Nervenzellen, regulieren die Umgebung im Hirngewebe und stehen eng mit Blutgefäßen in Kontakt. Marina Herwerth, Matthias Wyss und ihre Kollegen berichten darüber im Fachjournal Nature Neuroscience. Ob der Mechanismus beim Menschen genauso funktioniert, ist noch offen.

Nach wenigen Tagen schließen Zellen die entstandene Lücke

Für die Versuche entfernten die Wissenschaftler Astrozyten aus einem kleinen Bereich der Großhirnrinde. Andere Strukturen blieben weitgehend erhalten. Anschließend beobachteten sie über Wochen, wie das umliegende Gewebe reagierte.

Schon nach fünf Tagen hatten Astrozyten am Rand der Lücke ihre Form verändert. Einzelne Zellen nahmen im Mittel rund 70 Prozent mehr Fläche ein als zuvor. Gleichzeitig wuchsen ihre Fortsätze in das freie Gebiet. Besonders auffällig war die starke Zellteilung: Innerhalb von 60 Tagen teilten sich rund 60 Prozent der Astrozyten am Rand der Schädigung. In unbeeinträchtigten Bereichen waren es nur etwa ein Prozent.

Neue Zellkerne wandern durch lange Fortsätze

Der ungewöhnlichste Teil spielte sich im Inneren der Astrozyten ab. Nach einer Zellteilung löste sich die entstehende Tochterzelle nicht sofort vollständig von der Mutterzelle. Der neu gebildete Zellkern bewegte sich zunächst durch einen langen Fortsatz in Richtung der freien Fläche.

„Die neu gebildeten Zellkerne der Tochterzellen gleiten über weite Strecken, um die geschädigte Hirnregion wieder zu besiedeln und das Astrozyten-Netzwerk neu zu verknüpfen“, erklärt Studienleiter Bruno Weber von der Universität Zürich. Rund drei Viertel der neuen Tochterkerne verlagerten sich bereits innerhalb der ersten sieben Tage. Mehr als 60 Prozent legten dabei über 30 Mikrometer zurück. Einzelne Kerne kamen auf mehr als 100 Mikrometer.

Innerhalb weniger Wochen entsteht wieder ein Zellnetz

Mit einer speziellen Mikroskopietechnik konnten die Forscher die Bewegungen direkt im lebenden Gehirn verfolgen. Die Zellkerne wanderten nicht gleichmäßig. Sie rückten schubweise vor, blieben zeitweise stehen und bewegten sich später weiter. Gemessen wurden Geschwindigkeiten von bis zu etwa 3,5 Mikrometern pro Stunde, kurzzeitig sogar bis 5,6 Mikrometer.

Manche Astrozyten teilten sich mehrfach und bildeten bis zu vier Tochterzellen. So füllte sich der zuvor weitgehend astrozytenfreie Bereich nach und nach wieder. „Unsere Ergebnisse offenbaren eine bislang unbekannte Selbstheilungsfähigkeit des erwachsenen Gehirns“, sagt Weber. Gemeint ist damit jedoch die Regeneration des Astrozyten-Netzwerks. Eine Wiederherstellung zerstörter Nervenzellen oder ganzer Hirnbereiche belegt die Untersuchung nicht.

Bei einem Schlaganfall funktioniert die Reparatur schlechter

Wie gut dieses Reparaturprogramm arbeitet, hängt offenbar von der Art des Schadens ab. In einem weiteren Versuch erzeugte das Team kleine Schlaganfall-Läsionen ähnlicher Größe. Auch dort reagierten Astrozyten und vermehrten sich. Die Wiederbesiedlung des geschädigten Bereichs gelang jedoch deutlich schlechter.

Nur 17,6 Prozent der sich teilenden Astrozyten verlagerten dort ihren Tochterzellkern. Zudem blieben die zurückgelegten Strecken wesentlich kürzer. Nach einem Schlaganfall verändert sich das umliegende Gewebe umfassender. Unter anderem entsteht eine dichte Zone aus reaktiven Gliazellen, die das geschädigte Gebiet abgrenzt. Diese Umgebung könnte die Ausbreitung der Astrozyten bremsen.

Größere Schäden lösen stärkere Reparatur aus

Auch das Ausmaß des Zellverlusts beeinflusste die Reaktion. Entfernten die Wissenschaftler lediglich drei bis fünf Astrozyten, blieb das großflächige Reparaturprogramm weitgehend aus. Bei größeren Lücken verlängerten benachbarte Zellen dagegen ihre Fortsätze, teilten sich und transportierten neue Zellkerne in das freie Gebiet.

Parallel veränderte sich vorübergehend die Aktivität zahlreicher Gene. Auch bestimmte Kalziumsignale der Astrozyten nahmen zunächst zu und normalisierten sich nach rund zwei Wochen wieder. „Wir konnten zahlreiche Gene und Signalwege identifizieren, die während der Reparatur vorübergehend aktiviert werden“, so Weber.

Menschliches Hirngewebe liefert erste Hinweise

Hinweise auf einen ähnlichen Vorgang fanden die Forscher auch in Gewebeproben von sieben Menschen mit Neuromyelitis-optica-Spektrum-Erkrankung, kurz NMOSD. Bei dieser seltenen Autoimmunerkrankung greift das Immunsystem unter anderem Astrozyten an.

In den betroffenen Bereichen fanden sich lang gestreckte Astrozyten und Zellen mit mehreren Zellkernen. Solche Formen ähnelten Zwischenstadien aus den Mäuseversuchen. Eine direkte Beobachtung wandernder Zellkerne im lebenden menschlichen Gehirn gibt es bislang jedoch nicht. Ob Astrozyten beim Menschen dasselbe Reparaturprogramm nutzen, muss daher erst weiter untersucht werden.

Kurz zusammengefasst:

Astrozyten können nach einem gezielten Zellverlust ein beschädigtes Zellnetz im erwachsenen Mäusegehirn teilweise neu aufbauen.
Dabei teilen sich die Zellen und transportieren neu gebildete Zellkerne über lange Fortsätze in die geschädigte Region.
Beim Menschen gibt es bislang nur indirekte Hinweise auf einen ähnlichen Mechanismus im Gehirn; eine allgemeine Selbstheilung von Nervenzellen ist nicht belegt.

Übrigens: Selbstheilung läuft nicht nur im Gehirn ab – auch Kälte kann zelluläre Reparaturprozesse anstoßen und die Autophagie verstärken. Mehr dazu in unserem Artikel.