Neural stem cells generate neurons in vitro which mimic their in vivo molecular identity and axon/dendrite morphology

Das Gehirn ist ein riesiges Netzwerk aus spezialisierten Zellen, den Neuronen, von denen jede eine einzigartige Form und eine spezifische Aufgabe hat. Einige Neuronen sehen aus wie Sterne mit vielen Verzweigungen, während andere lang und dünn sind und den Körper durchqueren, um Signale zu senden. Wissenschaftler haben sich lange gefragt, wie diese Zellen wissen, welche Form sie annehmen sollen. Liegt es daran, dass Anweisungen innerhalb der Zelle selbst geschrieben stehen, wie ein genetischer Bauplan? Oder liegt es an Signalen aus der Außenwelt, wie ein Lehrer, der einen Schüler leitet? Um die Antwort zu finden, untersuchen Forscher normalerweise Neuronen in lebenden Tieren, wo es schwierig ist, zu unterscheiden, welcher Faktor die Arbeit verrichtet. Sie untersuchen auch Neuronen in Glasschalen, aber die meisten dieser Experimente beginnen mit Zellen, die bereits gewachsen sind und Verbindungen gebildet haben, was es schwierig macht, zu sehen, wie sie sich zuerst dazu entscheiden, einen bestimmten Zelltyp zu werden.

Ein Team von Forschern an der University of Oregon hat eine neue Methode entwickelt, um diesen Prozess von Anfang an beobachten zu können. Sie verwendeten Fruchtfliegen, ein gängiges Modell für die Biologie, um Neuronen in einer Schale ausgehend von Stammzellen zu züchten, welche die Grundstoffe sind, die schließlich zu Neuronen werden. Durch das Entfernen dieser Stammzellen aus dem Embryo, bevor sie Kontakt mit der Außenwelt hatten, schufen die Wissenschaftler eine Situation, in der die Zellen ausschließlich auf ihre eigenen internen Anweisungen angewiesen waren, um zu wachsen. Die Forscher fanden heraus, dass diese Stammzellen selbst ohne die üblichen Umweltreize erfolgreich zu reifen Neuronen wurden. Diese neuen Zellen entwickelten nicht nur die korrekte Anzahl an Verzweigungen, sondern besaßen auch die gleiche molekulare Identität und behielten wesentliche Aspekte der physischen Formen bei, die sie gehabt hätten, wenn sie im lebenden Fliegenkörper geblieben wären. Dies deutet darauf hin, dass die Anweisungen für den Bau eines spezifischen Neuron-Typs weitgehend in der Zelle selbst enthalten sind und nur darauf warten, aktiviert zu werden, obwohl die resultierenden Formen keine perfekte Kopie dessen sind, was in der Natur vorkommt.

Die Wissenschaftler begannen ihre Arbeit damit, Fruchtfliegembryos zu einem sehr spezifischen Moment ihrer Entwicklung zu sammeln, genau dann, wenn die Stammzellen begannen, sich zu teilen. Sie entfernten vorsichtig die äußere Hülle der Embryonen und zerlegten sie unter Verwendung eines sanften chemischen Prozesses in einzelne Zellen. Diese Zellen wurden dann in ein spezielles flüssiges Medium in einem hängenden Tropfen platelt, ein Aufbau, der die Zellen suspendiert und gesund hält. Die Forscher beobachteten diese Zellen über einen Zeitraum von zwölf Stunden, eine Zeitspanne, die der Zeit entspricht, die diese Zellen im Inneren der Fliege benötigen, um zu reifen. Sie sahen, dass sich die Stammzellen teilten und sich in Neuronen transformierten, mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der sie dies im Körper tun. Innerhalb einer Stunde begannen die Zellen, winzige Ausläufer auszubilden, und nach zwölf Stunden waren diese Ausläufer zu langen, dünnen Strängen herangewachsen, was das natürliche Wachstum von Neuronen in einem lebenden Organismus nachahmt.

Um sicherzustellen, dass sie die richtigen Arten von Zellen untersuchten, nutzte das Team einen genetischen Trick, um bestimmte Gruppen von Neuronen mit einem grünen Leuchten zu beleuchten. Sie konzentrierten sich auf eine bestimmte Familie von Neuronen, die normalerweise in einem spezifischen Muster in der Fliege entsteht. Als sie die leuchtenden Zellen in ihrer Schale zählten, fanden sie, dass die Anzahl dieser spezifischen Neuronen mit der Anzahl in lebenden Fliegen übereinstimmte. Dies war ein entscheidender Schritt, der bewies, dass in der Schale nicht nur wahllos Zellen wuchsen, sondern dass die Mischung der in der Natur vorkommenden Zelltypen getreu nachgebildet wurde. Die Forscher überprüften auch, ob die Zellen ihre internen Bestandteile korrekt sortierten. Neurone haben zwei Hauptarten von Verzweigungen: Axone, die Signale senden, und Dendriten, die sie empfangen. Das Team fand heraus, dass die Zellen in der Schale ihre interne Fracht korrekt platzierten, indem sie die richtigen Materialien an die Axone und die richtigen Materialien an die Dendriten schickten, genau wie sie es in einem lebenden Tier tun.

Die vielleicht erstaunlichste Entdeckung betraf eine Gruppe von Motoneuronen, die die Muskelbewegungen steuern. In einer lebenden Fliege kommen diese Neuronen in zwei unterschiedlichen Formen vor: Einige haben zwei Hauptverzweigungen, während andere nur eine haben. Die Forscher untersuchten die in ihrer Schale wachsenden Motoneuronen und fanden heraus, dass sie dieselben Formen beibehielten. Die Zellen, die für zwei Verzweigungen bestimmt waren, wuchsen mit zwei Verzweigungen, und diejenigen, die für eine einzige Verzweigung bestimmt waren, wuchsen mit nur einer. Darüber hinaus trugen diese Zellen die korrekten molekularen Marker, also die chemischen Etiketten, die sie als spezifische Arten von Neuronen identifizieren. Dies geschah, obwohl die Zellen nie dem komplexen Umfeld des Fliegenkörpers ausgesetzt waren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Bauplan für die Identität und Form eines Neurons von Beginn an in der Zelle eingebaut ist und nicht auf die Außenwelt angewiesen ist, um ihr zu sagen, was sie werden soll, auch wenn die endgültige Morphologie keine perfekte Kopie der In-vivo-Form ist.

Diese Arbeit bietet den Wissenschaftlern ein leistungsfähiges neues Werkzeug, um zu untersuchen, wie das Gehirn aufgebaut wird. Indem sie Neuronen in einer Schale züchten, in der die Außenwelt entfernt wurde, können Forscher nun die internen Anweisungen isolieren, die die Entwicklung vorantreiben. Die Studie zeigt, dass die Umgebung zwar für viele Dinge wichtig ist, der grundlegende Plan für die Identität und Struktur eines Neurons jedoch aus dem Inneren kommt. Dieser Befund hilft, eine langjährige Frage in der Neurowissenschaft zu klären: Woher wissen Zellen, wer sie sind? Die Antwort scheint zu sein, dass sie ihre eigene Karte bei sich tragen, bereit, ihr zu folgen, sobald sie geboren werden.