Nervenzellen-Rätsel: Wie die Atombombe den Hirnforschern half

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Nukleartest (Archivbild): Alter von Hirnzellen anhand ihres C14-Gehalts nachgewiesen Zur Großansicht
Cell/ Spalding et al.

Nukleartest (Archivbild): Alter von Hirnzellen anhand ihres C14-Gehalts nachgewiesen

Auch im Gehirn von Erwachsenen entstehen ständig neue Zellen. Den Nachweis hat ein Forscherteam in Schweden jetzt erbracht. Radioaktive Isotope, die während der oberirdischen Atomwaffentests des Kalten Kriegs in Nervenzellen eingelagert wurden, brachten den entscheidenden Messwert.

Im menschlichen Gehirn - genau genommen im sogenannten Hippocampus - entstehen ständig neue Nervenzellen. Und dieser Prozess scheint sich mit dem Alter nur leicht zu verlangsamen, berichtet ein internationales Forscherteam im Fachmagazin "Cell".

Die Wissenschaftler um Kirsty Spalding vom Karolinska-Institut im schwedischen Stockholm haben damit eine lange schwelende Frage der Neuroforschung beantwortet. Ihrem Modell zufolge sind es rund 700 Neuronen pro Seite, also 1400 insgesamt, die pro Tag gebildet werden. "Das sind einerseits erstaunlich viele", sagt der nicht an der Studie beteiligte Forscher Gerd Kempermann vom Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Krankheiten (DZNE) in Dresden. Andererseits seien es aber auch wenige. Da es für den Körper ein großer Aufwand ist, neue Nervenzellen zu bilden, ist es verwunderlich, dass er diesen für ein paar hundert Zellen pro Tag betreibt. "Das lässt vermuten, dass diese Zellen eine wichtige Aufgabe wahrnehmen." Bei Mäusen spielen solche neugebildeten Neuronen beim flexiblen Abspeichern von Erinnerungen eine Rolle - dieser Prozess findet im Hippocampus statt.

Rund ein Drittel der Nervenzellen im menschlichen Hippocampus gehört laut der "Cell"-Studie zu der Gruppe, die regelmäßig erneuert wird - etwa 3,5 Prozent davon werden pro Jahr ausgetauscht. Zwei Drittel der Neuronen bilden sich dagegen bereits während der Entwicklung im Mutterleib und in den ersten Lebensjahren und müssen ein Leben lang ihren Dienst verrichten. Weil sie absterben, ohne dass ein Ersatz nachrückt, sinkt im Alter die Zahl der Neuronen im Hippocampus.

Die Neubildung von Hippocampus-Zellen beim Menschen zu dokumentieren, ist eine schwierige Angelegenheit. Eine 1998 veröffentlichte Studie war für lange Zeit die einzige, die einen direkten Hinweis lieferte: Die Forscher hatten das Hirngewebe von fünf verstorbenen Krebspatienten untersucht. Die fünf hatten im Zuge ihrer Behandlung eine Substanz erhalten, die sich in die DNA neu entstehender Zellen einlagert. Der Stoff fand sich tatsächlich in Hippocampus-Neuronen. Das Mittel wird nicht mehr eingesetzt, weil es gesundheitsschädlich ist. Eine Wiederholung dieses Experiments, das durchaus Fragen offen ließ, ist daher unmöglich. So blieben lange nur indirekte Hinweise - etwa der Vergleich bestimmter Zellcharakteristiken bei Mensch und Maus.

Der Bomben-Effekt

Spalding und Kollegen nutzten nun einen Effekt, der auf die oberirdischen Atomtests zurückgeht, die von den vierziger Jahren bis 1963 stattfanden. Die Tests ließen die Konzentration des radioaktiven Kohlenstoff-Isotops C14 in der Atmosphäre stark ansteigen. Weil Pflanzen in CO2 enthaltene C14-Isotope aufnehmen und daraus organisches Material aufbauen, sinkt die Konzentration des Isotops in der Atmosphäre seitdem kontinuierlich. Aber der C14-Gehalt ist in Pflanzen sowie bei Tieren und Menschen, die es mit der Nahrung aufnehmen, seitdem erhöht. Die Halbwertzeit von C14 liegt bei 5730 Jahren, C14 zerfällt dann zu Stickstoff.

Die Forscher isolierten die DNA aus Hippocampus-Neuronen von Menschen, die im Alter von 19 bis 92 Jahren verstorben waren. Während andere Zellbestandteile ständig ausgetauscht werden, bleibt die DNA recht stabil. Das heißt: Der C14-Gehalt des Erbgutmoleküls spiegelt den der Atmosphäre während der Entstehung der Zelle wider. 55 Neuronen-Proben analysierten die Wissenschaftler.

Auch bei den ältesten Proben war die C14-Konzentration erhöht. Das lässt sich nur damit erklären, dass die Nervenzellen während oder nach der Atomtest-Phase entstanden - also als die Menschen schon erwachsen waren.

Um den C14-Gehalt der DNA bestimmen zu können, mussten die Forscher eine ohnehin aufwendige Messmethode, die sogenannte Beschleuniger-Massenspektrometrie, verfeinern. Eigentlich braucht man dafür Proben, die rund ein Milligramm Kohlenstoff enthalten - aus der Zell-DNA der Hippocampus-Neuronen lassen sich laut der Studie jedoch nur 20 bis 30 Mikrogramm Kohlenstoff gewinnen. Sie haben die Methode über Jahre angepasst, um trotzdem Ergebnisse zu bekommen. So konnten sie unter anderem bereits feststellen, dass sich die Neuronen in der Hirnrinde nicht erneuern, die dort vorhandenen anderen Zelltypen aber schon.

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1.
Markenfetischist 07.06.2013
Warum ist Lernen Ältere dann schwieriger? These: Neue Neuronen bilden sich ja vor allem, dort wo schon vorher Neuronen waren, um die etablierten Strukturen aufrecht zu halten. Einem jungen Gehirn fehlt eine solche feine Struktur noch. Dort wird mehr Gebaut, im alten Gehirn viel Restauriert.
2. optional
bigbubby 07.06.2013
Naja, lernen entsteht nicht durch Bildung neuer Neuronen, sondern durch die Anpassung der vorhandenen mit neuen Leiterbahnen. Das eine hat mit dem anderen halt nicht so viel zu tun.
3. Neue Neuronen-falscher Zeitpunkt?
michaelkaloff 07.06.2013
Und so ein Artikel zum Wochenende? Jetzt wird sicher allerorten sorglos gesoffen... ;-)
4. Halbwertszeit
Kommentarschreiber 07.06.2013
"Die Halbwertzeit von C14 liegt bei 5730 Jahren, C14 zerfällt dann zu Stickstoff." Halbwertszeit bedeutet meines Wissens nicht, dass nach 5730 Jahren C14 schlagartig in Stickstoff zerfällt. Es zerfällt vielmehr kontinuierlich, wobei nach 5730 Jahren 50% der Ausgangsmasse zerfallen sind. Nach weiteren 5730 Jahren dann 50% der verbliebenen 50% usw. Wäre vielleicht nett, wenn in einem "SPIEGEL Wissenschaft"-Artikel auch was sowas angeht, korrekt gearbeitet würde.
5. Und ganz genau gesagt...
Layer_8 07.06.2013
Zitat von Kommentarschreiber"Die Halbwertzeit von C14 liegt bei 5730 Jahren, C14 zerfällt dann zu Stickstoff." Halbwertszeit bedeutet meines Wissens nicht, dass nach 5730 Jahren C14 schlagartig in Stickstoff zerfällt. Es zerfällt vielmehr kontinuierlich, wobei nach 5730 Jahren 50% der Ausgangsmasse zerfallen sind. Nach weiteren 5730 Jahren dann 50% der verbliebenen 50% usw. Wäre vielleicht nett, wenn in einem "SPIEGEL Wissenschaft"-Artikel auch was sowas angeht, korrekt gearbeitet würde.
...nach 57.300 Jahren ist dann doch "alles" zerfallen (10 Halbwertszeiten).
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Kurzer Wegweiser durch das Gehirn
Gehirn: Steuerzentrale des Körpers
Als Gehirn bezeichnet man den im Kopf gelegenen Abschnitt des Nervensystems, der die zentrale Steuerungszentrale des Körpers bildet. Bei höher entwickelten Tieren bildet das Gehirn zusammen mit dem Rückenmark das Zentralnervensystem. In ihm sind die Sinneszentren und übergeordnete Schaltzentren (Koordinations- und Assoziationszentren) zusammengefasst. Es ist für die Ausbildung komplizierter Handlungsabläufe, für die Fähigkeit des Gedächtnisses und für die Ausprägung von Denken, Gefühlen, Bewusstsein und Intelligenz verantwortlich.
Gehirnteile: Vorderhirn, Mittelhirn, Rautenhirn
Das menschliche Gehirn und auch das Gehirn vieler Tiere ist in drei Hauptteile gegliedert: Vorderhirn, Mittelhirn und Rautenhirn. Schon bei niederen Wirbeltieren entstehen aus dem Vorderhirn (Prosencephalon) das der Nase zugeordnete Endhirn (Großhirn) und das den Augen zugeordnete Zwischenhirn. Das Mittelhirn (Mesencephalon) bleibt ungegliedert erhalten. Das Rautenhirn (Rhombencephalon) gliedert sich weiter auf in das Hinterhirn mit dem Kleinhirn und der Brücke sowie in das verlängerte Mark, das den Übergang zum Rückenmark bildet. Mit zunehmender Höherentwicklung vergrößern sich die Teile und differenzieren sich weiter.
Großhirn: Spezialität des menschlichen Gehirns
Speziell für das menschliche Gehirn ist die Größe und Komplexität des Großhirns. Die Faltung seiner Oberfläche bewirkt eine enorme Oberflächenvergrößerung, so dass es die übrigen Hirnteile überwölbt. Das Großhirn ist das Zentrum für unsere geistigen und seelischen Fähigkeiten und damit für die komplexesten Gehirnleistungen. Es besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch ein dickes Bündel Nervenfasern, den sogenannten Balken, miteinander verbunden sind.
Großhirnrinde: Sitz der "grauen Zellen"
Die äußere Schicht des Großhirns wird als Großhirnrinde (Cortex cerebri, kurz Cortex) bezeichnet. Sie ist nur etwa zwei bis fünf Millimeter dick und enthält die erstaunliche Menge von 10 bis 14 Milliarden Nervenzellen. Wenn Gehirne in Formalin haltbar gemacht werden, sieht die Großhirnrinde grau aus. Sie wird deshalb auch als graue Substanz bezeichnet und umgangssprachlich spricht man oft von "grauen Zellen". Der übrige Teil des Großhirns besteht aus Nervenfasern, welche die Nervenzellen mit anderen Hirnteilen verbinden. Dieser Teil wird auch als weiße Substanz bezeichnet.