Die Entwicklung des Thalamus – das Tor zum Bewusstsein

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Ontogenese des Gehirns
Die Entwicklung des Thalamus –
das Tor zum Bewusstsein
DANIELA PEUKERT, STEFFEN SCHOLPP
INSTITUT FÜR TOXIKOLOGIE UND GENETIK (ITG), KARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE
(KIT)
Das Wissen über die Entwicklung des Thalamus ist lückenhaft. Das Zusammenspiel
zwischen dem Signalfaktor Shh und dem bHLH-Protein Her6 steuert einen
fundamentalen Schritt der Thalamusentwicklung.
The development mechanism leading to the thalamus formation is largely
unknown. Here, we describe the function of the signalling factor Shh and the bHLH
protein Her6 orchestrating the thalamic regionalization process.
¯ Abb. 1: A, B, Vergleichende
Anatomie des Thalamus (rot, A, B)
und dessen Kerngebiete (A’, B’) in
Mensch und Zebrafisch Danio
rerio. C, Koronalschnitt durch das
Gehirn des Zebrafischs, angefärbt
mittels einer Doppel-in situ-Hybridisierung. Die Expression von Shh
im zentralen Zwischenhirn-Organisator (MDO) ist in Rot dargestellt.
Die blaue Färbung zeigt den Thalamus-Marker Lhx9. D, Mittels einer
DiI-Markierung lassen sich afferente Projektionen anfärben, welche
den Thalamus, analog zu den thalamo-cortikalen Fasern im Menschen, mit dem Telencephalon verbinden (gelber Pfeil). A: anteriorer
Nukleus (N.); CP: zentral-posteriorer N.; DM: dorsal-medialer N.; DL:
dorso-lateraler N.; DP: dorso-posteriorer N.; LG: latero-geniculater
N.; MG: medio-geniculater N.; Pul:
pulvinarer N.; RTN: retikulärer thalamischer N.; Th: Thalamus; VA:
ventral-anteriorer N.; VL: ventrolateraler N.; VPL: ventro-posterioro-lateraler N.; ZLI: Zona limitans
intrathalamic; hpf: Stunden nach
Fertilisation.
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ó In den letzten zwei Jahrzehnten wurde besonders die Entwicklung von Mittelhirn und
Hinterhirn intensiv untersucht,
während die Entwicklung des
Vorderhirns, nicht zuletzt wegen
seiner großen neuronalen Diversität und komplexen Organisation, bis heute nur unzureichend
verstanden ist. Der Schwerpunkt
unserer Forschungsarbeit ist die
Entschlüsselung der Grundmechanismen die zur Bildung eines
Teils des Vorderhirns, des Thalamus, führen (Abb. 1A, B). Obwohl
wir nur Teilaspekte der Thalamusentwicklung kennen, existiert jedoch ein detailliertes Wissen über dessen Anatomie und
Funktion: Im Gehirn fungiert der
Thalamus als die große Schaltzentrale. Er sammelt Informationen der Sinnesorgane und leitet
diese an die Großhirnrinde weiter. Bereits vor 190 Jahren zeigte
Karl Friedrich Burdach, dass sich
der Thalamus in einzelne Kerngebiete (Nuklei) unterteilen lässt.
Heute sind über 30 verschiedene
thalamische Nuklei bekannt
(Abb. 1A’, B’), die sich aufgrund
ihrer spezifischen Projektion unterscheiden lassen (Abb. 1C, D).
Jede dieser thalamischen Kerngruppen ist hauptsächlich für die
koordinierte Weiterleitung und
Verschaltung bestimmter sensorischer Impulse (z. B. Hören,
Schmecken oder Sehen), sensibler Impulse (z. B. Berührungsempfinden, Temperaturempfinden oder Schmerz) oder motorischer Signale aus dem Nervensystem zuständig. So werden z. B.
fast alle optischen Informationen
über den Sehnerv in den Sehkern
des Thalamus – Corpus geniculatum laterale – geleitet. Diese
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¯ Abb. 2: Der Zwischenhirn-Organisator (MDO) am Beispiel des
Zebrafischs Danio rerio. A, Shh
(rot) im MDO definiert die Expression von Markern im Präthalamus
(orange) sowie im rostralen Thalamus (lila) und im caudalen Thalamus (blau). B–B’’, Klonale Expression von Shh (grün) in einer Blastomere im 32-Zell-Stadium (B)
erzeugt eine sich vergrößernde
Zellpopulation im 1.000-Zell-Stadium (B’) bis zum 16-Somiten-Stadium (B’’, weiße Pfeile), welche die
Expression von Neurogenin1 im
Thalamus stimuliert (C–C’’, gelbe
Pfeile). D–D’’, Shh-Signalweg-Agonist Purmorphamin bewirkt ebenfalls eine Aktivierung von Neurog1
(D’), wobei Behandlung mit dem
Shh-Antagonisten Cyclopamin
eine Reduzierung von Neurog1
bewirkt (D’’). cTh: caudaler Thalamus; ETh: Epithalamus; HyTh:
Hypothalamus; rTh: rostraler Thalamus; PTec: Prätectum; Tec: Tectum; Tel: Telencephalon; Th: Thalamus; ZLI: Zona limitans intrathalamica; hpf: Stunden nach Fertilisation.
Impulse werden dort auf thalamische Neurone übertragen, welche diese in die optischen
Zentren der Großhirnrinde (dem visuellen
Cortex) weiterleiten. Der Thalamus stellt für
die Wahrnehmung der Außenwelt somit die
wichtigste Relais-Station dar und wird deshalb auch als das „Tor zum Bewusstsein“
bezeichnet [1]. Wird dieser Prozess der Verschaltung gestört, z. B. durch eine Verletzung
des Thalamus in Form eines Schlaganfalls
oder durch einen Tumor, kann dies zu Einschränkungen im Seh- und Empfindungsvermögen führen. Etwa acht Prozent der Schlaganfallpatienten leiden unter dem zentralen
Thalamusschmerz, einer chronischen Form
des Nervenschmerzes.
Die afferenten Signale aus den Sinnesorganen werden nicht eins zu eins an die Großhirnrinde weitergegeben [2], sondern
zunächst im Thalamus moduliert. Unter
Umständen können die Signale aus den Sinnesorganen im Thalamus sogar ganz blockiert werden. Der Thalamus bildet somit
eine Art „Aufmerksamkeits-Schaltzentrale“,
die entscheidet, ob Informationen aus der
Umwelt wichtig oder irrelevant sind. Diese
Filtrierung der Information im Thalamus
wird durch das Zusammenspiel von zwei chemischen Botenstoffen ermöglicht: den Neu-
rotransmittern Glutaminsäure (Glutamat)
und γ-Aminobuttersäure (GABA). Lange Axone der Nervenzellen des caudalen Thalamus
projizieren in entsprechende Areale der
Großhirnrinde und setzen dort den exzitatorischen Aminosäuretransmitter Glutamat
frei. Der caudale Thalamus wird zusätzlich
von einer netzartigen Struktur überzogen,
dem rostralen Thalamus, dessen Hauptkern
vom retikulären Nukleus (RTN, Abb. 1) gebildet wird. Der RTN ist durch kurze Axone
gekennzeichnet, die tief in den caudalen Thalamus projizieren. Durch das Ausschütten
des inhibierenden Botenstoffes GABA werden spezifische, caudale Neurone (oder ganze Kerngebiete) gehemmt und damit die Reizweiterleitung von den Sinnesorganen zum
Cortex inhibiert.
Während Anatomie und Funktion des Thalamus weitgehend bekannt sind, ist noch
immer unklar, auf welchen Mechanismen die
Bildung von rostralem und caudalem Thalamus beruht. Gleichermaßen ist es unbekannt,
welches komplexe Zusammenspiel von Faktoren der Bildung der spezifischen thalamischen Kerngruppen zugrunde liegt, oder wie
den verschiedenen Neuronengruppen spezifische Funktionen (z. B. visuell oder auditorisch) zugewiesen werden?
Lokale Organisatoren etablieren
die Thalamusregion
Zellgruppen, die Signalmoleküle ausschütten
und ganze embryonale Entwicklungsprozesse beeinflussen, werden als Organisator
bezeichnet. Im Gehirn liegt solch ein lokaler
Organisator zwischen dem Mittelhirn und
Hinterhirn. Der sogenannte Mittelhirn-Hinterhirngrenzen-Organisator beeinflusst direkt
das Schicksal der Zellen in den angrenzenden Regionen, dem Tectum und dem Cerebellum. Unsere Arbeitsgruppe konnte kürzlich am Beispiel des Zebrafischs Danio rerio
eine weitere Zellgruppe als Organisator identifizieren, den zentralen Zwischenhirn-Organisator (mid-diencephalic organiser, MDO),
der an der Grenze zwischen Präthalamus und
Thalamus, der Zona limitans intrathalamica
(ZLI), liegt (Abb. 2A). Der MDO ist für die Entwicklung und Regionalisierung des thalamischen Komplexes von entscheidender Bedeutung. Wichtige Signalmoleküle dieses Organisators sind Mitglieder der Familien Sonic
hedgehog (Shh), Wingless related (Wnt) und
Fibroblast growth factor (FGF) [3]. All diese
Faktoren steuern die Etablierung des zentralen Zwischenhirns (Diencephalon), wobei sich
Shh als das Hauptsignal des MDO für die Thalamusentwicklung herauskristallisiert hat.
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oder Ascl1 unerlässlich ist und damit die zelluläre Identität des Thalamus definiert. Dennoch bleibt die Frage offen, wie die exakte
Regionalisierung von rostralem und caudalem Thalamus erfolgt.
Die Entwicklung des retikulären thalamischen Nukleus
˚ Abb. 3: Her6 definiert den retikulären thalamischen Nukleus im Zebrafisch. A, B, Für die
Elektroporation wird der Fischembryo (26 Stunden nach Fertilisation) in einem Agarosetropfen
eingebettet und dorsal orientiert. Die Kathode (-) wird direkt in Ringer-Medium getaucht, während
sich die Anode (+) in der Injektionskapillare befindet, die mit einer Lösung eines fluoreszenzmarkierten Morpholino-Oligonukleotids gefüllt wurde. Die Morpholino-Oligonukleotidlösung (grün)
wird durch einen elektrischen Impuls in die thalamische Zelle eingeschleust, wobei sich auch der
III. Ventrikel mit dieser Lösung füllt. Wird ein fluoreszenzmarkiertes Morpholino-Oligonukleotid
gegen Her6 (grün) in Zellen des rostralen Thalamus eingebracht, bewirkt dies eine zellautonome
Induktion von Neurog1 (D, D’; rot, blaue Pfeile), wobei ein Kontrollmorpholino keinen Effekt zeigt
(C, C’). E, E’, Ektopische Induktion von Her6 im caudalen Thalamus (rot, Stern) bewirkt die Expression des rostralen Thalamus-Markers Tal1 (grün, blaue Pfeile, E’). F, Shh induziert im Her6-positiven rostralen Thalamus Ascl1, welches zur Ausdifferenzierung GABA-erger Interneurone führt. Im
Her6-negativen caudalen Thalamus induziert das gleiche Signal (Shh) die Expression von Neurog1
und führt somit zur Entwicklung von Glutamat-ergen Relais-Neuronen. A: anterior; cTh: caudaler
Thalamus; MB: Mittelhirn; MDO: Zwischenhirn-Organisator; rTh: rostraler Thalamus; P: posterior;
PTh: Präthalamus; PTec: Prätectum; Tel: Telencephalon; III.: dritter Gehirnventrikel, hpf: Stunden
nach Fertilisation.
Shh bestimmt die zelluläre Identität der Thalamusregion [3]. Wird die Expression von Shh
im Thalamus z. B. ektopisch induziert (misexpression) (Abb. 2B), vergrößert sich der
Bereich, in dem thalamische Marker wie z. B.
Neurogenin1- (Neurog1; Abb. 2C) oder Achaete-scute complex-Gen (Ascl1, auch bekannt als
Mash1) exprimiert werden [3–4]. Neurog1
und Ascl1 sind proneurale Faktoren. Neurog1
wird in der Anlage des caudalen Thalamus
gebildet und markiert neuronale Vorläuferzellen, die später zu Glutamat-ergen Neuro-
nen ausdifferenzieren. Ascl1 hingegen, ist in
der Anlage des rostralen Thalamus exprimiert, der hauptsächlich aus GABA-ergen
Neuronen besteht. Wird der Shh-Signalweg
blockiert, resultiert dies in einem Verlust der
Expression dieser proneuralen Faktoren (Abb.
2D–D’’, [3]). Das Fehlen dieser Faktoren führt
zum Ausbleiben der Spezifizierung dieser Zellen und schlussendlich zum Verlust des gesamten Thalamus. Wir können daraus schließen, dass Shh des MDOs für die Induktion
von thalamischen Markern wie z. B. Neurog1
Mitglieder der Hes/Her-Familie können die
Bildung von proneuralen Faktoren beeinflussen. Unsere Forschungsarbeit konzentrierte sich insbesondere auf ein Mitglied dieser Familie, den bHLH-Repressor Her6 (hairylike factor 6, [4]). Her6 – das orthologe Gen
von Hes1 der Maus – wird ab dem Neuralplatten-Stadium in der gesamten ThalamusAnlage exprimiert. Während der thalamischen Regionalisierungsphase wird die
Expression jedoch auf einen Ascl1-positiven
Streifen nahe am MDO reduziert. Ascl1 markiert überwiegend eine Zellpopulation im rostralen Thalamus. Der durch ein antisenseRNA-Analog (Morpholino-Oligonukleotid)
erzeugte globale Knock-down von Her6, induziert die Expression von Neurog1 im gesamten Thalamus und reduziert die Expression
von Shh. Um sekundäre Effekte aus der frühen Entwicklungsphase zu verhindern, führten wir einen zeitlich und regional spezifischen Knock-down von Her6 durch. Hierfür
wurden fluoreszenzmarkierte MorpholinoOligonukleotide gegen Her6, mittels Elektroporation in vivo in thalamische Zellen eingebracht (Abb. 3A, B). Nach zwölf Stunden war
bereits eine Induktion von Neurog1 in den
elektroporierten Zellen im RTN erkennbar
(Abb. 3D, D’). Das bedeutet, dass durch die
Inhibition von Her6 proneurale Vorläuferzellen im rostralen Thalamus zellautonom
umprogrammiert wurden und nun das Schicksal von Zellen des caudalen Thalamus annehmen. Daraus ergibt sich die Frage, ob Her6
somit die zelluläre Identität des Thalamus
regulieren kann? Wird Her6 ektopisch im caudalen Thalamus exprimiert, sehen wir in der
Tat den gegenteiligen Effekt. Ein Marker für
ausdifferenzierte Neuronen im RTN, Tal1,
wird in den Zellen des caudalen Thalamus
exprimiert, die ektopisch Her6 bilden (Abb.
3E, E’). Wir können daraus schlussfolgern,
dass Her6 die neuronale Identität innerhalb
des Thalamus definiert und darüber entscheidet, welche Zellen zu inhibierenden
GABA-ergen Neuronen oder zu erregenden
Glutamat-ergen Neuronen differenzieren
(Abb. 3F). Damit konnten wir einen vierten
Nukleus, den retikulären thalamischen
Nukleus, im Gehirn des Zebrafischs definieBIOspektrum | 06.10 | 16. Jahrgang
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ren (RTN, Abb. 1B’). Die richtige Regionalisierung von
rostralem und caudalem Thalamus beeinflusst die Funktion der Informationsverarbeitung. Erst die richtige Balance zwischen erregenden und inhibierenden thalamischen
Nervenzellen ermöglicht eine spezifische Reizweiterleitung und somit letztendlich eine fokussierte Sinneswahrnehmung.
Danksagung
Für konstruktive Vorschläge zum Manuskript möchten
wir uns bei Dr. C. Blattner (KIT) und der ganzen ScholppGruppe bedanken. Unsere Forschung wird durch ein DFG
Emmy-Noether-Forschungsstipendium (SCHO 847/2) und
durch das KIT ermöglicht.
ó
Literatur
[1] Jones EG (2007) The Thalamus. 2. Aufl., Vol 1 + 2. Cambridge University
Press, New York
[2] Sherman SM, Guillery RW (2001) Exploring the Thalamus. Academic
Press, San Diego
[3] Scholpp S, Lumsden A (2010) How to build a bridal chamber or about the
development of the thalamus. Trends in Neurosci 33:373–380
[4] Scholpp S, Delogu A, Gilthorpe J et al. (2009) Her6 regulates the neurogenetic gradient and neuronal identity in the thalamus. Proc Natl Acad Sci USA
47:19895–19900
Korrespondenzadresse:
Dr. Steffen Scholpp
Institut für Toxikologie und Genetik (ITG)
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
D-76021 Karlsruhe
Tel.: 07247-82-8597
Fax: 07247-82-3557
[email protected]
AUTOREN
Daniela Peukert
Jahrgang 1982. 2002–2005 Biotechnologiestudium (Dipl. Ing.) an der BA-Riesa.
2006–2009 Wissenschaftliche Mitarbeiterin
am MRC Centre of Developmental Neurobiology, King’s College London. Seit 2009 Doktorandin in der Scholpp-Gruppe am Institut
für Toxikologie und Genetik am Karlsruher Insititut für Technologie (KIT).
Steffen Scholpp
Jahrgang 1972. 1992–1998 Biologiestudium
an der Universität Karlsruhe. 2003 Promotion an der Universität Heidelberg. 2003–
2009 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Max-Planck-Institut für Zellbiologie und Genetik, Dresden, und am MRC Centre for Developmental Neurobiology, King’s College
London. Seit 2009 DFG-Emmy-NoetherGruppenleiter am Institut für Toxikologie und
Genetik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
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