Hirnforschung: Neue Hoffnung für das alte Hirn

Die von der Wissenschaft ausgerufene „Dekade des Gehirns“ (die 90er Jahre) geht langsam zu Ende. Die Forschung hat in den vergangenen Jahren erstaunliche Erkenntnisse gewonnen. Insbesondere ist das Dogma gefallen, das ausgewachsene Gehirn könne sich nicht mehr regenierieren. Man hofft auf neue Therapien für Alzheimer und Parkinson.

Über lange Zeit galt es als ausgemacht: Ein zünftiger Suff massakriert Millionen Hirnzellen, die unwiederbringlich verloren sind. Doch selbst der gesündeste Lebensstil kann den Niedergang des Hirns nicht verhindern. Dazu kommen heimtückische Krankheiten, welche Nervenzellen schädigen und zerstören und beim Betroffenen zum Abstieg in die Demenz führen. Alzheimer und Parkinson sind solche Leiden, bei welchen eine eigentliche Heilung auch heute nicht möglich sind.

Diese Vorstellungen beruhen auf einem altehrwürdigen Dogma der Biologie, das zu Beginn dieses Jahrhunderts formuliert wurde – unter anderem vom genialen spanischen Anatom Santiago Ramon y Cajal. Der Nobelpreisträger für Medizin des Jahres 1906 fand wie viele andere keinerlei Belege für eine Regenerationsfähigkeit des Hirngewebes. Damit wurde eine pessimistische Ansicht über das Zerntralnervensystem etabliert, die Forscher jüngst in die Formel pressten „alles kann sterben – nichts regeneriert“.

Damit nimmt das Gehirn offenbar eine Sonderstellung ein. Die Alltagserfahrung lehrt uns, dass wir zahlreiche Blessuren mit Leichtigkeit überstehen: Schnittwunden verheilen, gebrochene Knochen wachsen wieder zusammen. Viele Gewebe des menschlichen Körpers besitzen dazu sogenannte Stammzellen (vgl. Kasten). Es handelt sich um Zellen, welche in einem dem embryonalen Stadium vergleichbaren Zustand verblieben sind und deshalb die Fähigkeit besitzen, die gerade gebrauchten Zelltypen wieder hervorzubringen. Besonders oft gebrauchte Zellen, wie die Blutkörperchen oder die Innenauskleidung der Darmwand, vermag der Körper pro Tag millionenfach nachzuliefern.

Dass das Gehirn des Menschen diese Fähigkeit nicht besitzen soll, wurde lange mit einem an sich plausiblen theoretischen Argument untermauert. Das Gehirn gilt gemeinhin als die komplexeste Struktur, welche die Natur hervorgebracht hat, bestehend aus einer ganzen Reihe verschiedener Zelltypen. Die eigentlichen Nervenzellen wiederum sind ebenfalls sehr kompliziert aufgebaute Zellen mit einer baumartigen Struktur. Die schätzungsweise 100 Milliarden Zellen bilden ein ungeheuer grosses Netzwerk: Die Gesamtlänge dieser Verbindungen soll etwa eine Million Kilometer betragen – in einem einzigen Gehirn! Diese Vernetzung bildet sich in den ersten Lebensmonaten eines Neugeborenen. Sterben nun einzelne Zellen – so das Argument – können die nicht einfach ersetzt werden, da die neue Zelle nicht „weiss“, wie die alte vernetzt war. Das Gehirn kann auf Schädigungen der Nervenzellen zwar so reagieren, indem die noch lebenden Zellen neue Verbindungen knüpfen können. Neue Nervenzellen hingegen könnten den geregelten Signalfluss zwischen den bestehenden Zellen gefährden, so das Dogma.

Gestützt wurde diese Ansicht durch experimentelle Befunde: Einfachere Lebensformen wie Eidechsen können bei Hirnverletzungen problemlos neues Hirngewebe produzieren. Je „höher“ die Lebensform, desdo seltener beobachtet man das Phänomen. Dies, weil komplexere Lebensformen eine höhere „Verdrahtungsdichte“ im Hirn haben und neue Nervenzellen „ihren Platz“ nicht mehr finden könnten.

Angekratzt wurde dieses Dogma bereits in den 60er Jahren: 1965 berichteten amerikanische Forscher, dass sie in einer speziellen Hirnregion bei ausgewachsenen Ratten die Bildung neuer Nervenzellen nachweisen konnten. Es handelte sich dabei um den sogenannten Hippocampus – einer Region tief im Innern des Gehirns, die für die Gedächtnisbildung eine wichtige Rolle spielt. Andere Forscher bestätigten zwar das Resultat, doch die Wissenschaft war für diese Erkenntnis noch nicht reif. Zum Einen war die angewandte Methode noch problematisch und man konnte nicht sicher sein, ob man wirklich Nervenzellen nachgewiesen hatte. Zum anderen hatte man auch gar keine Vorstellung, wie diese Stammzellen des Gehirns, aus welchen sich diese neuen Zellen hätten entwickeln sollen, aussehen könnten. So fanden die damaligen Resultate keine Resonanz.

Bedeutend mehr Aufsehen erregten die Untersuchungen an Kanarienvögeln Mitte der 80er Jahre: Erstmals konnte nachgewiesen werden, dass sich jene Hirnteile von männlichen Vögeln, welche für den Gesang zuständig waren, im Frühling massiv vergrösserte – gerade in jenem Zeitabschnitt, wo diese neue Melodien lernten, um Weibchen zu betören. Offenbar kann das Hirn doch neue Zellen bilden, wenn Neues gelernt werden muss.

Danach folgten Untersuchungen, welche die Geburt von Nervenzellen in erwachsenen Ratten und Mäusen zweifelsfrei nachwiesen. Man benutzte dazu die Substanz Bromdesoxyuridin, welche sich in Zellen einbaut, wenn diese sich teilen. Konnte diese im Gehirn getötetet Tiere nachgewiesen werden, war damit auch ein Beweis für die Neubildung von Nervenzellen erbracht. Die Frage, ob nun aber auch menschliche Gehirne zu dieser Neubildung fähig sind, konnte mit diesen Experimenten natürlich nicht beantwortet werden.

Wie so oft verhalf der Zufall zu einer Lösung. Der schwedische Arzt Peter Eriksson erfuhr an einem Forschungsaufenthalt in den USA beiläufig während eines Nachtdienstes, dass bestimmte Krebspatienten, die an einem unheilbaren Zungen- oder Kehkopfkrebs litten, zur Kontrolle des Tumorwachstums Bromdesoxyuridin erhielten – also genau jene Substanz, welche im Tierversuch zum Nachweis der Nervenzellengeburt (Neurogenese) verwendet wurde. Eriksson erhielt von einigen Patienten die Erlaubnis, nach deren Tod ihr Gehirn untersuchen zu können. Tatsächlich zeigte sich, dass sich im Hippocampus der Verstorbenen neue Nervenzellen bildeten. Diese Resultate wurden im November vergangenen Jahres publiziert – das Dogma ist gefallen.

Mit diesem Durchbruch hat die Hirnforschung neues Terrain gefunden. Offenbar hat auch das menschliche Gehirn Stammzellen, aus welchen sich neue Nervenzellen bilden können. Dies weckte die Hoffnung, Therapien für bisher als unheilbar geltende Krankheiten zu finden. Doch viele schwierige Fragen stehen noch an: Kann das Gehirn diese neuen Nervenzellen überhaupt brauchen? Können sich neue Nervenzellen in allen Hirnteilen bilden? Wie kann man diese Bildung anregen?

Der Weg führt auch hier über den Tierversuch. Die Forscher halten Mäuse und Ratten – bei welchen die Neurogenese ebenfalls im Hippocampus stattfindet – für ein gutes Modell für die Vorgänge beim Menschen. In den vergangenen Monaten wurden denn auch eine Reihe von Resultate veröffentlicht.

So zeigte sich zum einen, dass bei allen untersuchten Tieren die Bildung neuer Nervenzellen weitgehend auf den Bereich des Hippocampus beschränkt ist – jener Region also, die für Lern- und Gedächtnisvorgänge von zentraler Bedeutung ist. Dieses Ergebnis ist durchaus plausibel, ist doch die Lernfähigkeit für höhere Säugetiere ein entscheidender Überlebensfaktor. Die Bildung von Nervenzellen in dieser Region scheint offenbar ein normaler Vorgang zu sein – doch die meisten Zellen sterben bald darauf wieder ab.

Wie kann man nun das Überleben dieser Zellen fördern? Die in den vergangenen Monaten veröffentlichten Versuchsresultate zeigten nun, dass aktives Lernen der Schlüssel für die Erneuerung des Gehirns ist. Jene Versuchstiere, welche komplexe Lern- oder Gedächtnisaufgaben zu meistern hatten, hatten danach auch deutlich mehr neue Nervenzellen im Hippocampus. Andere Forscher erhielten ähnliche Ergebnisse, wenn sie ihre Versuchstiere in anregenden Umgebungen leben liessen. Diese Tiere schnitten in Lerntests auch weit besser ab als Ratten in öden Käfigen. Auch wenn sich die Forscher natürlich davor hüten, solche Ergebnisse auf den Menschen zu übertragen, erscheint die Sache durchaus plausibel: Abwechslung und Lernfreude wird wohl auch dem menschlichen Hirn guttun.

Doch die Forscher wollen natürlich mehr: Sie wollen den Prozess der Neurogenese derart gut verstehen, dass in Zukunft auch Therapien für schwere Hirnkrankheiten möglich werden. Bis eine solche vorliegen wird, werden zwar noch Jahrzehnte vergehen. Man möchte dabei folgende Ansätze weiterentwickeln:

• Man hofft, regulierend wirkende Substanzen zu finden, mit welchen sich die Regeneration des gehirns steuern lässt.
• Man hofft, mittels gentherapeutischer Ansätze das Gehirn dazu zu bringen, selbst für seine Regeneration zu sorgen.
• Man hofft, dereinst Hirnstammzellen klonen zu können und danach in das kranke Hirn transplantieren zu können.

Letztere Methode darf nicht mit dem Schreckgespenst einer „Hirntransplantation“ verwechselt werden. Den Austausch ganzer Gehirne halten Wissenschaftler für schlicht unmöglich, da die „Verdrahtung“ des Hirns mit dem restlichen Körper unüberwindbare Schwierigkeiten bietet. Und es dürfte auch unwahrscheinlich sein, einen SVP-Politiker zu einem SPler umwandeln zu können, indem man nur die „richtigen“ Hirnzellen zum Wachstum anregt.

Literatur:

• Gerd Kempermann, Fred H. Gage: „Neue Nervenzellen im erwachsenen Gehirn“. Spektrum der Wissenschaft 7/99.
• Peter S. Eriksson: „Neurogenesis in the Adult Human Hippocampus“. Nature Medecine 4, Nov. 1998.

Stammzellen – die Mutter aller Gewebe

Das Wunder des menschlichen Lebens beginnt mit einer Zelle: der befruchteten Eizelle. Ein ausgeklügelter Prozess führt dazu, dass sich die Zellen laufend teilen und spezialisieren, bis schliesslich ein vollendeter Organismus entsteht. Jede Zelle des menschlichen Körpers besitzt die gesamte Erbinformation, kann aber nur jene Gene lesen, die für die Erfüllung ihrer Aufgabe notwendig sind. Lange glaubte man, dass diese Spezialisierung unumkehrbar ist – bis das Klonschaf Dolly den Gegenbeweis antrat.

Der Spezialisierungsprozess von Zellen – die sogenannte Zelldifferenzierung – nimmt ihren Ursprung in sogenannten Stammzellen. Diese sind gewissermassen zu allem fähig oder sind zumindest der Ausgangspunkt für eine ganze Gruppe von Zelltypen. Ein Beispiel sind die Blut-Stammzellen, die 1991 entdeckt wurden. Diese sind Ausgangspunkt sämtlicher Blutzellen und sorgen unter anderem dafür, dass ständig Nachwuchs für die sterbenden roten Blutkörperchen bereitgestellt wird.

Stammzellen sind auch Ausgangspunkt eines medizinischen Traums: Könnte man den Differenzierungsprozess derart steuern, dass beliebiges Gewebe entstehen könnte, würde die heutige Transplantationsmedizin revolutioniert. Statt sich mit dem Problem der zu geringen Anzahl Organspender herumschlagen zu müssen, könnte man aus Stammzellen das gewünschte Organ wachsen lassen. Liessen sich diese Zellen sogar aus dem jeweiligen Patienten gewinnen, entfällt das Problem der Abstossung.

Einen zentralen Schritt zur Realisierung dieses Traums leisteten im vergangenen Jahr zwei private amerikanische Labors. Erstmals gelang die Züchtung von menschlichen Stammzellen – eine der wohl bedeutendsten wie auch umstrittendsten wissenschaftlichen Leistungen dieses Jahrhunderts. Denn die Verfügbarkeit menschlicher Stammzellen wirft schwierige ethische Fragen auf. Zum einen wird damit eine wichtige Voraussetzung für gentechnische Eingriffe in die Keimbahn des Menschen geschaffen, es winkt das Schreckgespenst des designten Menschen. Zum anderen arbeitet die Forschung mit Zellen von „überzähligen“ Embryonen, ein Produkt der Fortpflanzungstechnologie. Diese „verbrauchende Embryonenforschung“ ist in vielen Staaten – so auch in der Schweiz – mit einem Bann belegt. Selbst die USA ist skeptisch, ist es doch sämtlichen Labors, die staatliche Gelder bezihen, nicht gestattet, mit Stammzellen zu forschen.

Doch der Traum der Mediziner wie auch der Lockruf des Geldes sind stärker. So haben private Institutionen den genannten Durchbruch erzielt – was die Börsen mit einem rasanten Kursanstieg der Aktien der entsprechenden Unternehmen honorierte. Und auch Forscher wie Ethiker beginnen zu zweifeln, ob ein Verbot in diesem Bereich wirklich gerechtfertigt ist. Denn – so wird argumentiert – eine Transplantationstechnik via Stammzellen könnte heutige Methoden ablösen und neue Therapien ermöglichen. Andere weisen darauf hin, dass eine Forschung unter Auflagen Missbräuche besser verhindern könnte, als wenn Private schrankenlos forschten.

Intensiv läuft derzeit die Debatte in den USA: Abtreibungsgegner und konservative Politiker drängen auf ein Verbot der Forschung mit menschlichen Stammzellen. Diese sei „unmoralisch, illegal und unnötig“, so der republikanische Senator Sam Brownback (Kansas). Die nationale Bioethik-Kommission sieht das anders. Sie hat Präsident Clinton kürzlich empfohlen, Gelder für die Stammzellenforschung freizugeben. Ihrer Ansicht nach rechtfertigt das grosse therapeutische Potenzial der Stammzellen eine Forschung mit embryonalen Zellen.