Gegenverkehr im Rückenmark
Neuer Zelltyp fungiert als Wegbereiter für Nervenfasern, die willkürliche Bewegungen steuern
Es ist erstaunlich, welche Fortschritte ein Kleinkind gerade im ersten Jahr macht: Während es nach der Geburt nur unkoordiniert mit Armen und Beinen strampelt, streckt das Kind nicht viel später die Hand aus und pickt einen Krümel vom Teppich. Was passiert im Nervensystem, um den Wandel von Strampeln in eine fein koordinierte Bewegung zu ermöglichen? Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried bei München haben nun mit ihren Kollegen aus New York und Philadelphia einen neuen Nervenzelltyp in Mäusen beschrieben, der einen wichtigen Einblick in diese entwicklungsbiologische Frage gibt. Die Fortsätze dieser Zellen wachsen während der Embryonalentwicklung vom Rückenmark ins Gehirn. Sie fungieren als Wegbereiter für andere Nervenzellen, die erst nach der Geburt aus dem Gehirn ins Rückenmark wachsen und willkürliche Bewegungen steuern.
Im embryonalen Rückenmark lila angefärbt, wird ein neu beschriebener Nervenzelltyp sichtbar. Diese Zellen erhalten ihren Input von berührungsempfindlichen Zellen, schicken ihre Axone vom Rückenmark ins Gehirn und dienen als Leitsystem für Axone, die aus dem Gehirn ins Rückenmark wachsen.
© MPI of Neurobiology / Paixão
Greifen wir mit der Hand gezielt nach einem Objekt oder stecken den Fuß in einen Stiefel, so koordiniert und kontrolliert das Gehirn diese Bewegungen. Damit dies möglich ist, muss es eine Nervenbahn geben, über die Anweisungen vom Gehirn zum Beispiel zum Fuß geschickt und umgekehrt auch Reize aus der Fuß-Umgebung an das Gehirn geleitet werden. Solche Nervenbahnen entstehen, wenn die Fortsätze (Axone) von Nervenzellen während der Entwicklung auswachsen. Je nach Organismus und zu bewegendem Körperteil können die Axone dabei viele Zentimeter lang werden. Wie sie dabei ihren Weg durch den Körper finden, und welche Moleküle bei der Wegfindung eine Rolle spielen, das untersuchen Rüdiger Klein und sein Team am Max-Planck-Institut für Neurobiologie. Im Fokus der Wissenschaftler stehen besonders die Ephrin-Signalmoleküle und ihre Bindungspartner, die Eph-Rezeptoren. Ephrine und Eph-Rezeptoren befinden sich unter anderem auf der Oberfläche von Nervenzellen und helfen den wachsenden Zellen, ihren Weg und ihre Partnerzellen zu finden.
Ephrine und Eph-Rezeptoren sind wesentlich am Aufbau der neuronalen Netze beteiligt, die unsere Bewegungsabläufe steuern. Das fanden Rüdiger Klein und sein Team bereits vor längerer Zeit an ihrem Studienobjekt, der Maus, heraus. Die Neurobiologen konnten zeigen, dass das Ephrin/Eph-System Nervenzellen leitet, die ihre Axone nach der Geburt vom Gehirn ins Rückenmark schicken und willkürliche Bewegungen von Beinen und Armen lenken. Bei der Untersuchung von Axonen, die in die entgegengesetzte Richtung verlaufen, also vom Rückenmark ins Gehirn, stießen die Forscher nun auf einen neuen Zelltyp, der ebenfalls Eph-Rezeptoren enthielt. „Genau dort, wo die "absteigenden" Axone wuchsen, verliefen parallel dazu auch die "aufsteigenden" Axone“, berichtet Rüdiger Klein. „Da haben wir uns natürlich gefragt, wie dieses parallele Wachstum in der Entwicklung gesteuert wird.“
Die darauf folgenden Untersuchungen der Neurobiologen zeigten Erstaunliches: Im Gegensatz zu den bekannten Zellen wuchsen die aufsteigenden Axone des neuen Zelltyps nicht erst nach der Geburt, sondern bereits während der Embryonalentwicklung aus. Zudem wurde ihr Wachstum vom gleichen Ephrin/Eph-Signalsystem geleitet, wie das der absteigenden Axone. „Es sieht so aus, als würden die aufsteigenden Axone während der Embryonalentwicklung sozusagen einen Kanal für die erst nach der Geburt auswachsenden, absteigenden Axone vorbohren“, erklärt Rüdiger Klein.
Die weiteren Untersuchungen der neuen, aufsteigenden Nervenzellen legen nahe, dass sie ihren Input von berührungsempfindlichen Zellen erhalten. Es könnte sich daher hier um ein neues Rückkopplungssystem handeln: Willkürliche Bewegungen werden durch Signale von berührungsempfindlichen Zellen verfeinert, und so die beabsichtigte Bewegung der Umgebung angepasst – der Fuß rutscht in den Stiefel. „Was uns erstaunt hat, ist die Tatsache, dass ein und dasselbe Leitsystem die absteigenden und auch die aufsteigenden Axone lenkt“, so Klein. „Es ist ein sehr schönes Beispiel dafür, wie mit dem flexiblen Einsatz einzelner Moleküle und somit mit wenigen Genen, ein hochkomplexes Nervensystem aufgebaut werden kann.“ Ob es sich tatsächlich um das vermutete Rückkopplungssystem handelt, die auf- und absteigenden Zellen also über Synapsen verbunden sind, das wollen die Wissenschaftler als nächstes herausfinden. Schritt für Schritt wollen sie so die entwicklungsbiologischen Vorgänge entschlüsseln, durch die das Gehirn Bewegungsabläufe koordinieren und steuern kann.
Originalveröffentlichung
Sónia Paixão, Aarathi Balijepalli, Najet Serradj, Jingwen Niu, Wenqui Luo, John H. Martin, Rüdiger Klein; EphrinB3/EphA4-mediated guidance of ascending and descending spinal tracts; Neuron, 18 December 2013
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