Neurogenese - Neurogenesis
| Neurogenese | |
|---|---|
 Eine Neurosphäre aus neuralen Stammzellen im Rattenembryo breitet sich in eine einzelne Zellschicht aus. A) Neurosphäre von Zellen der subventrikulären Zone nach zwei Tagen in Kultur. B) Zeigt die Neurosphäre nach vier Tagen in Kultur und wegwandernde Zellen. C) Zellen an der Peripherie der Neurosphäre, die meist verlängerte Fortsätze aufweisen.
| |
| Identifikatoren | |
| Gittergewebe | D055495 |
| Anatomische Terminologie | |
Neurogenese ist der Prozess, bei dem Nervensystemzellen , die Neuronen , von neuralen Stammzellen (NSCs) produziert werden. Es kommt bei allen Tierarten mit Ausnahme der Porifera (Schwämme) und Placozoen vor . Arten von NSC umfassen Neuroepithelzellen (NEC), radiale Gliazellen (RGCs), basal Progenitoren (bps), Zwischen neuronalen Vorläufern (inps), Subventrikularzone Astrozyten und Subgranularzone radial Astrozyten , unter anderem.
Die Neurogenese ist während der Embryonalentwicklung am aktivsten und ist für die Produktion aller verschiedenen Arten von Neuronen des Organismus verantwortlich, sie setzt sich jedoch während des gesamten Erwachsenenlebens in einer Vielzahl von Organismen fort. Nach der Geburt teilen sich Neuronen nicht mehr (siehe Mitose ), und viele leben die Lebensspanne des Tieres.
Neurogenese bei Säugetieren
Entwicklungsneurogenese
Während der Embryonalentwicklung wird das zentrale Nervensystem (ZNS; Gehirn und Rückenmark ) von Säugetieren aus dem Neuralrohr abgeleitet , das NSCs enthält, die später Neuronen erzeugen . Die Neurogenese beginnt jedoch erst, wenn eine ausreichende Population von NSCs erreicht wurde. Diese frühen Stammzellen werden Neuroepithelzellen (NEC) genannt, nehmen aber bald eine stark verlängerte radiale Morphologie an und werden dann als radiale Gliazellen (RGC) bezeichnet. RGCs sind die primären Stammzellen des ZNS von Säugetieren und befinden sich in der embryonalen ventrikulären Zone , die neben dem zentralen flüssigkeitsgefüllten Hohlraum ( Ventrikelsystem ) des Neuralrohrs liegt . Nach der RGC-Proliferation beinhaltet die Neurogenese eine abschließende Zellteilung des Eltern-RGC, die zu einem von zwei möglichen Ergebnissen führt. Erstens kann dies eine Unterklasse neuronaler Vorläufer erzeugen, die als intermediäre neuronale Vorläufer (INP) bezeichnet werden und sich ein- oder mehrmals teilen, um Neuronen zu produzieren. Alternativ können Tochterneuronen direkt produziert werden. Neuronen bilden nicht sofort neuronale Schaltkreise durch das Wachstum von Axonen und Dendriten. Stattdessen müssen neugeborene Neuronen zunächst lange Strecken zu ihren endgültigen Zielen wandern , reifen und schließlich neuronale Schaltkreise erzeugen. Zum Beispiel wandern Neuronen, die in der ventrikulären Zone geboren wurden, radial zur Kortikalisplatte , wo sich Neuronen ansammeln, um die Großhirnrinde zu bilden . Somit findet die Bildung von Neuronen in einem spezifischen Gewebekompartiment oder einer „neurogenen Nische“ statt, die von ihren Stammzellen besetzt wird.
Die Geschwindigkeit der Neurogenese und die Art des erzeugten Neurons (im großen und ganzen exzitatorisch oder hemmend) werden hauptsächlich durch molekulare und genetische Faktoren bestimmt. Zu diesen Faktoren gehört insbesondere der Notch-Signalweg , und viele Gene wurden mit der Regulation des Notch-Signalwegs in Verbindung gebracht . Die Gene und Mechanismen, die an der Regulierung der Neurogenese beteiligt sind, sind weltweit Gegenstand intensiver Forschung in akademischen, pharmazeutischen und staatlichen Einrichtungen.
Die Zeit, die benötigt wird, um alle Neuronen des ZNS zu erzeugen, variiert stark zwischen Säugetieren, und die Neurogenese des Gehirns ist nicht immer zum Zeitpunkt der Geburt abgeschlossen. Zum Beispiel durchlaufen Mäuse eine kortikale Neurogenese von etwa dem embryonalen Tag (Tag nach der Empfängnis) (E)11 bis E17 und werden um etwa E19,5 geboren. Frettchen werden bei E42 geboren, obwohl ihre Periode der kortikalen Neurogenese erst einige Tage nach der Geburt endet. Im Gegensatz dazu beginnt die Neurogenese beim Menschen im Allgemeinen um die 10. Gestationswoche (SSW) und endet um das 25. SSW mit der Geburt um das 38.-40. SSW.
Epigenetische Modifikation
Während sich die embryonale Entwicklung des Säugetiergehirns entfaltet, wechseln neurale Vorläufer- und Stammzellen von proliferativen Teilungen zu differenzierenden Teilungen . Diese Progression führt zur Bildung von Neuronen und Gliazellen , die kortikale Schichten bevölkern . Epigenetische Modifikationen spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der Genexpression bei der zellulären Differenzierung von neuralen Stammzellen . Epigenetische Modifikationen umfassen DNA-Cytosin-Methylierung zur Bildung von 5-Methylcytosin und 5-Methylcytosin-Demethylierung . Diese Modifikationen sind entscheidend für die Bestimmung des Zellschicksals im sich entwickelnden und erwachsenen Säugetiergehirn.
Die DNA-Cytosin-Methylierung wird durch DNA-Methyltransferasen (DNMTs) katalysiert . Die Methylcytosin-Demethylierung wird in mehreren Stufen durch TET-Enzyme katalysiert , die oxidative Reaktionen durchführen (zB 5-Methylcytosin zu 5-Hydroxymethylcytosin ) und Enzyme des DNA- Basen-Excision-Repair (BER)-Weges.
Neurogenese bei Erwachsenen
Die Neurogenese kann bei einigen Säugetieren ein komplexer Prozess sein. Bei Nagetieren zum Beispiel entstehen Neuronen im Zentralnervensystem aus drei Arten von neuralen Stamm- und Vorläuferzellen: Neuroepithelzellen, radialen Gliazellen und basalen Vorläuferzellen, die drei Hauptteilungen durchlaufen: symmetrische proliferative Teilung; asymmetrische neurogene Teilung; und symmetrische neurogene Teilung. Von allen drei Zelltypen haben Neuroepithelzellen, die neurogene Teilungen durchlaufen, einen viel längeren Zellzyklus als solche, die proliferative Teilungen durchlaufen, wie die radialen Gliazellen und basale Vorläufer. Beim Menschen hat sich die Neurogenese bei Erwachsenen im Vergleich zur Entwicklung auf niedrigem Niveau und nur in zwei Regionen des Gehirns gezeigt: der subventrikulären Zone (SVZ) des Erwachsenen der Seitenventrikel und dem Gyrus dentatus des Hippocampus ; obwohl neuere (2020) Forschungen die Neurogenese bei Erwachsenen im gesamten Gehirn bestätigen.
Subventrikuläre Zone
Bei vielen Säugetieren, einschließlich Nagetieren, ist der Riechkolben eine Gehirnregion, die Zellen enthält, die Gerüche wahrnehmen , mit der Integration von ausgewachsenen Neuronen, die von der SVZ des Striatums durch den rostralen Migrationsstrom (RMS) zum Riechkolben wandern . Die wandernden Neuroblasten im Riechkolben werden zu Interneuronen , die dem Gehirn helfen, mit diesen Sinneszellen zu kommunizieren. Die meisten dieser Interneurone sind hemmende Körnerzellen , aber eine kleine Zahl sind periglomeruläre Zellen . Bei erwachsenen SVZ sind die primären neuralen Stammzellen eher SVZ-Astrozyten als RGCs. Die meisten dieser adulten neuralen Stammzellen ruhen beim Erwachsenen, aber als Reaktion auf bestimmte Signale durchlaufen diese ruhenden Zellen oder B-Zellen eine Reihe von Stadien, wobei sie zuerst proliferierende Zellen oder C-Zellen produzieren. Die C-Zellen produzieren dann Neuroblasten oder A-Zellen, die zu Neuronen werden.
Hippocampus
Signifikante Neurogenese tritt auch während des Erwachsenenalters im Hippocampus vieler Säugetiere auf, von Nagetieren bis hin zu einigen Primaten , obwohl ihre Existenz beim erwachsenen Menschen umstritten ist. Der Hippocampus spielt eine entscheidende Rolle bei der Bildung neuer deklarativer Erinnerungen, und es wurde vermutet, dass der Grund, warum menschliche Säuglinge keine deklarativen Erinnerungen bilden können, darin besteht, dass sie im Hippocampus noch eine umfangreiche Neurogenese durchlaufen und ihre speichererzeugenden Schaltkreise unreif sind. Es wurde berichtet, dass viele Umweltfaktoren wie Bewegung, Stress und Antidepressiva die Neurogeneserate im Hippocampus von Nagetieren verändern. Einige Hinweise deuten darauf hin, dass die postnatale Neurogenese im menschlichen Hippocampus bei Neugeborenen in den ersten ein oder zwei Jahren nach der Geburt stark abnimmt und auf "nicht nachweisbare Werte bei Erwachsenen" absinkt.
Neurogenese in anderen Organismen
Die Neurogenese wurde am besten in Modellorganismen wie der Fruchtfliege Drosophila melanogaster charakterisiert . Die Neurogenese bei diesen Organismen tritt in der Medulla-Cortex-Region ihrer Sehlappen auf. Diese Organismen können ein Modell für die genetische Analyse der adulten Neurogenese und der Gehirnregeneration darstellen. Es gab Forschungen, die diskutierten, wie die Untersuchung von „schadensempfindlichen Vorläuferzellen“ bei Drosophila helfen kann, die regenerative Neurogenese zu identifizieren und neue Wege zu finden, um den Wiederaufbau des Gehirns zu steigern. Kürzlich wurde eine Studie durchgeführt, um zu zeigen, wie bei Drosophila eine „low-level adult Neurogenesis“ identifiziert wurde, insbesondere in der Medulla-Cortex-Region, in der neurale Vorläufer die Produktion neuer Neuronen erhöhen könnten, wodurch die Neurogenese stattfindet. Bei Drosophila wurde erstmals die Notch-Signalgebung beschrieben, die einen Signalprozess von Zelle zu Zelle steuert, der als laterale Hemmung bezeichnet wird und bei dem Neuronen selektiv aus Epithelzellen erzeugt werden . Bei einigen Wirbeltieren wurde auch eine regenerative Neurogenese nachgewiesen.
Andere Erkenntnisse
Es gibt Hinweise darauf, dass neue Neuronen im Gyrus dentatus des Hippocampus adulter Säugetiere produziert werden, der Gehirnregion, die für Lernen, Motivation, Gedächtnis und Emotionen wichtig ist. Eine Studie berichtete, dass neu hergestellte Zellen im Hippocampus der erwachsenen Maus passive Membraneigenschaften, Aktionspotentiale und synaptische Eingänge aufweisen können, die denen ähnlich sind, die in reifen gezähnten Körnerzellen gefunden werden. Diese Ergebnisse legten nahe, dass diese neu hergestellten Zellen im erwachsenen Säugetiergehirn zu praktischeren und nützlicheren Neuronen heranreifen können.