Gehirn

Molekulare und zelluläre
Aspekte der
Embryonalentwicklung des
Vertebraten-Nervensystems
Fritz G.Rathjen
René Jüttner
Hannes Schmidt
MDC
[email protected]
http://www.mdc-berlin.de/~devneuro/
Wichtige neurobiologische Zeitschriften:
Neuron
Nature Neuroscience
Journal of Neuroscience
Wichtige Zeitschriften mit Neurobiologie:
Nature
Science
Cell
Journal of Cell Biology
Zitationen:
Autor/en
Erscheinungsjahr
Titel
Zeitschrift
Band
Seitenzahlen
Beispiel:
Yamada et al. (1991) Control of cell pattern in the developing
nervous system: polarizing activity of the floor plate and
notochord. Cell 64:635-647
Aufbau eines
wissenschaftlichen Artikels:
Titel: meist mit einer Aussage
Autoren, beteiligte
Institutionen
Abstract (summary): 120 bis
200 Wörter,
Introduction: meist eine Seite
Results: mit Abbildungen und
Tabellen
Discussion
Material and Methods
References: zitierte
wissenschaftl. Literatur
Neuro-Lehrbücher:
Kandel/Schwartz/Jessell:
Neurowissenschaften, Spektrum Verlag
Dudel/Menzel/Schmidt:
Neurowissenschaft, Springer Verlag
Reichert: Neurobiologie, Thieme Verlag
Kandel/Schwartz/Jessell: Principles of
neural science, McGraw-Hill
Zigmond/Bloom/Landis/Roberts/Squire:
Fundamental Neuroscience,
Academic Press
Purves/Augustine/Fitzpatrick/Katz/
LaMantia/McNamara: Neuroscience,
Sinauer Associates Inc.
Neuro-Lehrbücher:
Martinez/Kesner: Neurobiology of
Learning and Memory, Academic press
Eichenbaum: The cognitive
Neuroscience of memory, Oxford
University Press
Larry R. Squire und Eric R. Kandel:
Gedächtnis – Die Natur des Erinnerns,
Spectrum Verlag
Christof Koch: Bewußtsein – ein
neurobiologisches Rätsel, Elsevier
Entwicklungsbiologische
Lehrbücher:
Müller/Hassel: Entwicklungsbiologie,
Springer Verlag
Drews: Taschenatlas der Embryologie,
Thieme Verlag
Gilbert: Developmental Biology,
Sinauer Associates
Browder/Erickson/Jeffery:
Developmental Biology, Saunders
College Publishing
Populärwissenschaftliche Bücher
zum Gehirn:
Daniel L. Schacter: Wir sind
Erinnerung – Gedächtnis und
Persönlichkeit, Rowohlt
Daniel L. Schachter: Aussetzer – Wie
wir vergessen und uns erinnern,
Gustav Lübbe Verlag
John Kotre: Der Strom der Erinnerung
– Wie das Gedächtnis
Lebensgeschichten schreibt, dtv
Antonio R. Damasio:
Descartes`Irrtum – Fühlen, Denken
und das menschliche Gehirn, dtv
Joseph LeDoux: Synaptic self – How
our brains become who we are, Viking
Das (menschliche) Gehirn
• Oberfläche einer gigantischen Walnuß
• Konsistenz einer reifen Avocado
• das am besten geschützte Organ (Cerebrospinalflüssigkeit,
Knochen)
• macht ca. 3 % der Körpermasse aus, verbraucht aber im
Ruhezustand ca. 20 % der Energie des Körpers
Die Funktion des Gehirns im
Wandel der Zeit
• Früher: Kühlorgan für erhitztes Blut (Aristoteles)
• Nerven sind Gänge, die eine vom Gehirn und Rückenmark
sezernierte Flüssigkeit in die Peripherie bringen.
• Erst Erfindung des Lichtmikroskops: zelluläre Strukturen
• heute: zentrales Steuerorgan für alle willentlichen und nichtwillentlichen Bewegungen
• Aufnahme, Integration und Speicherung aller sensorischen
Informationen, Steuerung von Verhalten
• „Sitz“ von Gefühlen, Bewußtsein, Gedächtnis und Lernen
• Woody Allen: „Das Gehirn ist mein zweitwichtigstes Organ.“
Wesentliche Funktionen des Gehirns
basieren auf der schnellen, präzise
regulierten und komplexen
Kommunikation zwischen den
einzelnen Neuronen.
Die Synapse
• „So far as our present knowledge goes, we are led to think
that the tip of a twig of the [axonal] arborescence is not
continuous with, but merely in contact with the substance of
the dendrite or cell body on which it impinges. Such a
special connection of one nerve cell with another might be
called synapse.“
• Foster und Sherrington 1897
• Von griechisch: synapsis: „festhaken, umklammern“
• Genauer zur Geschichte bei: Purves und Lichtman
„Principles of neural development“ Sinauer Ass. Inc. (1985)
• „Umschaltstelle für diskontinuierliche
Erregungsübertragung von einem Neuron auf ein anderes
oder auf ein Erfolgsorgan.“ (Pschyrembel)
Die Neuronentheorie
• Zelltheorie (Schleiden und Schwann, Mitte des 19.
Jahrhundert): alle Organismen bestehen aus Zellen
• Nervensystem wurde ausgeklammert. Camillo Golgi z.
B. war Anhänger der Retikulardoktrin (Neuriten
fusionieren miteinander und bilden SyncytiumPlasmodesmen-Zellketten).
• Nach W. His und Santiago Ramon y Cajal:
Neuronentheorie, d.h. Zelltheorie gilt auch für das ZNS.
• Golgi und Cajal erhalten gemeinsam den Nobelpreis und
haben noch während der laudatio eine leidenschaftliche
und heftige Auseinandersetzung über Richtigkeit der
beiden gegensätzlichen Theorien
Retikular- vs. Neuronentheorie
• A: Neurone bilden ein
Syncytium und sind physisch
miteinander verbunden. Axone,
die in das Rückenmark
projizieren, fusionieren mit
Rückenmarksneuronen
• B: Neurone sind unabhängige
funktionelle Einheiten, die
miteinander über Synapsen
kommunizieren.
• Lösung: Ross Harrison zeigt,
daß während der Entwicklung
axonale Fortsätze auswachsen
und somit Axone nicht aus
Fusion von Einzelzellen
stammen können
• Außerdem: EM (~1950)
Die großen Fragen sind:
• Wie arbeiten die Nervenzellen im Gehirn
zusammen, um Verhalten zu erzeugen und wie
werden diese Zellen ihrerseits durch die Umwelt
beeinflußt?
• Sind geistige Vorgänge in bestimmten Gehirnregionen lokalisiert, oder stellen sie eine kollektive
und diffus verteilte Eigenschaft des gesamten
Gehirns dar?
• Großteil der Antworten auf zellulärer und
molekularer Ebene noch nicht möglich!
Populäre Fragen über das Gehirn
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Wie schwer ist ein menschliches Gehirn?
•
Wieviel Synapsen hat ein Gehirn?
•
wieviel Synapsen pro mm³?
Wie lange muß man zählen (bei einer
•
Synapse pro Sekunde), um alle Synapsen
eines normalen menschlichen Gehirns
durchzuzählen?
•
Wieviel Synapsen hat eine Nervenzelle?
Wie lang sind die Fortsätze pro mm³ Gehirn? •
wie groß ist eine Synapse im Durchmesser? •
Wie groß wäre das Gehirn, wenn 1 Synapse •
= 1 cm?
Wie groß ist ein Nervenzellkörper?
•
Wie dick ist ein Fortsatz?
•
Ist das Gehirn von Mann und Frau
•
unterschiedlich groß - warum/nicht?
ca. 1,5 - 2 kg
ca. 1014 Synapsen
ca. 109
ca. 3 Millionen Jahre
zwischen 1000 und 100.000
ca. 1 Meter
ca. 0.3 µm
ca. 4 km lang
ca. 10-20 µm
ca. 0,5 µm
ja - abhängig von Körpergröße
Lineare Beziehung zwischen Körpergröße und Gehirngröße
Weitere Fragen zum Gehirn
• Wie lang sind die Nervenfasern
im Gehirn?
• Wie schnell bilden sich Synapsen
während der Entwicklung des
Gehirns?
• Wieviel des menschlichen
Genoms ist notwendig für die
Bildung des Gehirns während der
Entwicklung?
• Wieviel Neurone in einem
menschlichen Gehirn?
• Wieviel Gliazellen?
• ca. 500.000 Kilometer
• ca. 250.000 pro Minute
• ca. 1/3 aller menschlichen
Gene sind notwendig
• ca. 1011
• ca. 1012
Das Nervensystem
• ZNS
– Gehirn und Rückenmark
• PNS
– sensorische Komponenten (bringt Informationen aus
der externen und der internen Umgebung zum ZNS)
– motorische Komponenten (führt Befehle des ZNS
über die Skelettmuskulatur aus)
• alle Komponenten entwickeln sich aus einer
speziellen Struktur: dem Neuralrohr
• darüberhinaus: Plakoden (ektodermale
Verdickungen)
Ziel der kommenden Stunden:
• Wie entsteht das Neuralrohr (Neurulation)
• wie entstehen aus den Vorläuferzellen im
Neuralrohr die Nervenzellen und Gliazellen
• wie verschalten sich die Nervenzellen
• wie kommt es zu der funktionellen Unterteilung
in verschiedene Bereiche des Nervensystems
• in der dritten Stunde: Beispiel für Entwicklung
und Funktion eines speziellen Teils des ZNS:
die Netzhaut
• Das Gehirn entwickelt
sich über einen
längeren Zeitraum
hinweg als Produkt aus
genetischer
Information, zellulären
Interaktionen, sowie
dem Zusammenspiel
des Organismus mit
seiner Umgebung
• Neben der
Massenzunahme
kommt es zu einer
immer komplexeren
zellulären Architektur
Fragen:
• Wie können wir ein komplexes System aus
1012 Zellen mit jeweils 10.000 Synapsen pro
Zelle organisieren, wenn wir nur da 30.000
Gene zur Verfügung haben?
• Wie können wir ein ca. 1,5 kg schweres
Organ, das komplizierter aufgebaut ist, als
alles was wir sonst in der belebten und
unbelebten Natur kennen, aus einem
befruchteten Ei herstellen?
Abschnitte der Entwicklung eines
Nervenzellverbandes
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Neurale Induktion (Neurulation)
Neurale Differenzierung
Neurale Wanderung
Axonales Wachstum und Wegfindung
Synaptische Verschaltung
Neuraler Zelltod
Erfahrungsabhängige (aktivitätsabhängige)
Modulation der Verschaltungen
• Regeneration
Zwei Haupthemen:
Wie verschaltet sich das Nervensystem, d.h. wie
wachsen Axonen zu ihren Zielgebieten aus ? –
Molekulare Analyse des axonalen Wachstums.
Wie bilden sich Synapsen ? Wie werden Synapsen
moduliert ?– Molekulare der Synaptogenese.
Der Wachstumskegel
• Lamellipodia
• Filipodia
• kontraktile Filamente
(Aktin und Myosin)
• erkennt komplexes
Molekülmuster in seiner
Umgebung und kann auf
Muster reagieren
• dadurch gerichtetes
Wachstum
Eine Kombination von verschiedenen
Faktoren sorgt für die richtige
Orientierung des axonalen
Wachstums
Moleküle, die axonales
Wachstum beeinflussen
• Zelladhäsionsmoleküle auf anderen Zellen und
Extrazelluläre Matrixmoleküle (sorgen für
mechanische Adhäsion des Wachstumskegels
an das Substrat und definieren Bereiche, die
permissiv sind; Laminin, Integrine, Cadherine,
CAMs)
• diffusible Moleküle (chemotrope Faktoren;
definieren anziehende und abstoßende Bereiche
entlang des Wachstumsweges)
Zelladhäsionsmoleküle
• Interaktion
zwischen Neuronen
und anderen
Neuronen
(Faszikulation)
oder zwischen
Neuronen und
Gliazellen
• homophil oder
heterophil
Synaptogenese
•
•
Umwandlung des Wachstumskegels in präsynaptische Endigung (synaptische
Vesikel, Exozytosemaschinerie)
gleichzeitige Differenzierung der postsynaptischen Membran (Aggregation des
Neurotransmitterrezeptors und vieler anderer Moleküle)
Die neuromuskuläre Endplatte
• Kommunikationsstelle
zwischen Motoneuron
und Skelettmuskelfaser
• besteht aus drei
zellulären
Komponenten:
• Motoneuron
• Muskelfaser
• Schwannsche Zelle
• dazu: Basalmembran