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News: Ein Fingerzeig in die Wachstumsrichtung

Während der Embryonalentwicklung wachsen die Nervenzellen in einem gerichteten Wirrwarr zu einem hoch geordneten Nervengeflecht. Doch wohin sollen sie wachsen, mit wem Kontakt eingehen und wen meiden? Die Antwort hierauf geben kleine fingerartige Ausstülpungen am Kopf der sich entwickelnden Zelle. Sie kriechen wie Pfadfinder voraus und erkunden die Umgebung. Scheint die Richtung zu stimmen, senden sie Signale an den Zellkörper zurück, um ihn zum entsprechenden Wachstum zu animieren. Das Signal ist allerdings so kurz, dass es bisher verborgen blieb: Nur knapp 300 Millisekunden lang morst der Finger.
Nervenzellen haben einen recht eigenartigen Körperbau, mit ihrem runden Zellleib – dem Neuron – und ihren langen Ausläufern in alle Richtungen. Hierbei können sie sowohl von benachbarten Zellen Signale über die so genannten Dendriten empfangen, als auch Signale über das Axon weitergeben. Kommunikation ist das A und O in einem funktionalen Nervengeflecht. Doch um die notwendigen Verbindungen herstellen zu können, müssen die Neuronen während der Embryonalentwicklung aufeinander zuwachsen und die richtigen Kontakte knüpfen.

Hierfür besitzen die Zellen kleine Erkundungsfinger, die Filopodien. Dringen sie von der Wachstumszone der Zelle aus in unbekannte Umgebung ein, sondieren sie die dort herrschende Lage. Sie suchen nach Molekülen und anderen Hinweisen, die ihnen verraten, ob sich Zielzellen in der Nähe befinden. Ist ein passendes Objekt gefunden, wächst unter Führung des Filopodiums ein Axon aus und verbindet sich zwecks Nachrichtenweiterleitung mit der gewünschten Nervenzelle. Alle Pionierarbeit liegt hierbei bei den kleinen Fingern, die das Axon hinter sich herschleppen.

Dass die Wachstumsrichtung durch bestimmte Moleküle innerhalb der kleinen Erkundungsfinger beeinflusst wird, wussten die Wissenschaftler also bereits. Doch wie die Nachrichten von dort den Wachstumsbereich der Nervenzelle erreichen konnte, hat erst jetzt ein Forschungsteam der University of California in San Diego nachgewiesen.

Für ihre Untersuchungen zogen die Biologen embryonale Nervenzellen aus dem Rückenmark von Fröschen heran, da sie in Zellkultur schnell wachsen und somit in ausreichender Menge vorhanden sind. Die lebenden Zellen markierten sie mit einem leuchtenden Farbstoff, der das Vorhandensein von Calcium aufzeigt. Unter einem konfokalen Mikroskop konnte das Team von Timothy M. Gomez und Nicholas C. Spitzer die Calcium-Wanderung mit Hilfe einer Serie von acht Bildern pro Sekunde verfolgen. Fürs bloße Auge ist das unsichtbar, denn ein Calcium-Ausbruch dauert die Winzigkeit von 300 Millisekunden.

Doch die Wissenschaftler konnten nicht nur die Signaldauer erkennen, sondern auch die Art und Weise, wie das Signal das Wachstum beeinflusst. So setzten sie die Zellen acht unterschiedlichen chemischen Umgebungen aus – einige interessanter für Nervenzellen als andere. Und die Filopodien konnten dies durchaus unterscheiden, denn sie schickten unterschiedlich starke Signale nach Hause. Ebenso differenzierten sie zwischen den Konzentrationen der Moleküle. Nur dort, wo ein Calciumstrom auch die Wachstumszone der Nervenzelle erreichte, konnte das Team ein gerichtetes Wachstum feststellen. Ihre Orientierung wird somit vom gemorsten Signal festgelegt.

Besonders interessant könnten diese Ergebnisse bei der Aufklärung von Entwicklungsschäden sein. So scheinen viele Defekte der Wirbelsäule ein Problem von fehlerhafter Kontaktaufnahme während der Embryonalentwicklung zu sein. "Wir wollen verstehen, wie sich das normale Gehirn zusammensetzt", sagt Spitzer, "damit wir die Fälle verstehen können, bei denen es sich nicht korrekt zusammensetzt".

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  • Quellen
University of California, San Diego
Science 291: 1983–1987 (2001)

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