Neue Gehirn-Entdeckungen stellen langjährige Theorien der jugendlichen Gehirnentwicklung in Frage

Neue Forschungsergebnisse deuten jedoch dara

Wissenschaftler wissen seit langem, dass dieser Verhaltenswandel mit Veränderungen im Gehirn zusammenhängt, aber die schrittweisen Verdrahtungsänderungen, die ihn unterstützen, sind noch nicht vollständig kartiert.

Im Zentrum dieser Verdrahtung stehen Synapsen, die funktionellen Verbindungen zwischen Neuronen, die den Informationsfluss durch das Gehirn ermöglichen.

Technik und Auswirkungen

Jahrelang hat ein populäres Modell einen einfachen Bogen vorgeschlagen: Die Anzahl der Synapsen steigt während der Kindheit an und fällt dann während der Adoleszenz ab, wenn das Gehirn schwächere Verbindungen abschneidet.

Dieser Verfeinerungsprozess, genannt synaptisches Pruning, wird oft als eine Art biologische Qualitätskontrolle beschrieben, die effiziente Schaltkreise durch das Entfernen ungenutzter oder fragiler Verbindungen stärkt. Einige Forscher haben argumentiert, dass das Risiko neuropsychiatrischer Störungen steigen könnte, wenn das Pruning zu weit geht.

Schizophrenie wird in diesem Zusammenhang häufig diskutiert, da sie Halluzinationen, Wahnvorstellungen und desorganisiertes Denken beinhalten kann.

Technik und Auswirkungen

Eine Herausforderung für das synaptische Pruning-Modell Ein Forschungsteam der Kyushu University stellt nun diese langjährige Vorstellung in Frage, dass die Adoleszenz hauptsächlich vom Abschneiden.

In einer in Science Advances veröffentlichten Studie berichtet die Gruppe, dass das Gehirn des Adoleszenten auch etwas Neues aufbaut: dichte, eng gepackte Cluster, die auf spezifischen Bereichen, den verzweigten Fortsätzen, erscheinen.

„Wir haben nicht damit begonnen, Gehirnerkrankungen zu studieren“, sagt Professor Takeshi Imai Sciences der Kyushu University. Nach der Entwicklung eines hochauflösenden Werkzeugs zur synaptischen Analyse im Jahr 2016 untersuchten wir aus Neugier die Großhirnrinde der Maus.

Was die Studie zeigt

Über die Schönheit der neuronalen Struktur hinaus waren wir überrascht, einen zuvor unbekannten Hotspot hoher Dichte dendritischer Spines zu entdecken, der winzigen Ausstülpungen in Dendriten, an denen erregende Synapsen gebildet werden.

Die Großhirnrinde, die eine zentrale Rolle bei Wahrnehmung, Denken und Verhalten spielt, ist in sechs unterschiedliche Schichten organisiert. Imais Team konzentrierte sich auf Neuronen in Schicht 5, die Informationen aus mehreren Quellen sammeln und Signale aus der Großhirnrinde senden.

Aufgrund dieser Rolle sind diese Neuronen für die Steuerung der Verarbeitung kortikaler Informationen unerlässlich. Mapping Synaptic Hotspots in the Adolescent Brain Um synaptische Strukturen in gesamten Neuronen zu untersuchen, kombinierten die Forscher Superauflösungs-Mikroskopie mit SeeDB2 – dem Gewebe-Klarspülmittel, das Imais Team entwickelt hat.

Technik und Auswirkungen

Dieser Ansatz machte das Gehirngewebe transparent und ermöglichte es den Wissenschaftlern, feine neuronale Details tief in intakten Proben zu beobachten. Mit dieser Methode erstellte das Team eine vollständige Karte der dendritischen Spines über einzelne Neuronen der Schicht 5.

Ihre Analyse deckte eine unerwartete Region extrem hoher Spinedichte auf, die entlang des apikalen Dendriten lokalisiert war. Weiterführende Vergleiche über verschiedene Entwicklungsstadien zeigten, dass sich dieser dichte Cluster nicht früh im Leben bildet, sondern erst spezifisch während der Adoleszenz entsteht.

Wenn die Synapsenbildung fehlschlägt Um herauszufinden, wie und wann sich diese dichte Region bildet, verfolgten die Forscher Veränderungen in der Verteilung der dendritischen Spines über die Zeit. Bei Mäusen im Alter, die noch nicht abgesetzt waren, waren die Spines relativ gleichmäßig entlang der Dendriten verteilt.

Technischer Hintergrund

Zwischen drei und acht Wochen, einem Zeitraum, der die frühe Entwicklung bis zur Adoleszenz umfasst, stieg die Anzahl der Spines in einem bestimmten Abschnitt des apikalen Dendriten jedoch stark an. Mit der Zeit führte dieses selektive Wachstum zur Bildung eines konzentrierten synaptischen Hotspots.

„Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die etablierte Hypothese der ‚adoleszenten synaptischen Eliminierung‘ überdacht werden muss“, sagt Imai. „Während die synaptische Eliminierung breit über die Dendriten auftritt, findet die Synapsenbildung auch in spezifischen dendritischen Kompartimenten während der adoleszenten kortikalen Entwicklung statt.

Eine Störung dieses Prozesses könnte der Schlüsselfaktor bei mindestens einigen Formen der Schizophrenie sein“, sagt Ryo Egashira, der Erstautor der Studie und Doktorand an der Graduate School of Medical Sciences der Kyushu University, als die Forschung durchgeführt wurde.

Um diese Möglichkeit zu untersuchen, untersuchte

Um diese Möglichkeit zu untersuchen, untersuchte das Team Mäuse, die Mutationen in Genen trugen, die mit Schizophrenie in Verbindung stehen, wie Setd1a, Hivep2 und Grin1.

Während die Dichte der dendritischen Spines bis zu zwei bis drei Wochen nach der Geburt normal blieb, war die Spinenbildung während der Adoleszenz durch die Mutationen dieser Gene deutlich beeinträchtigt, was zum Versagen der ordnungsgemäßen Hotspot-Bildung führte.

Seit vielen Jahren wurde die Störung hauptsächlich mit dem übermäßigen Beschneiden (Pruning) dendritischer Spines in Verbindung gebracht.

Die neuen Ergebnisse bieten eine neue

Die neuen Ergebnisse bieten eine neue Perspektive auf die Ursprünge oder die Pathologie der Schizophrenie und deuten darauf hin, dass eine beeinträchtigte Synapsenbildung während der Adoleszenz ein Schlüsselmechanismus sein könnte.

Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Studie den Entwicklungsprozess nur an Mäusen untersucht hat und es unklar bleibt, ob in Primaten und Menschen ähnliche Mechanismen wirken. Ausblick „Wir hoffen, in Zukunft zu identifizieren, welche Hirnregionen diese neuen synaptischen Verbindungen während der Adoleszenz bilden“, sagt Imai.

„Das wird uns sagen, welche Schaltkreise während dieses Entwicklungsfensters tatsächlich aufgebaut werden.“ Das Verständnis davon, wie und wann diese Verbindungen entstehen, kann unser Wissen sowohl über die Gehirnentwicklung als auch über die Mechanismen zugrunde liegender neuropsychiatrischer Störungen erweitern." DOI: 10.1126/sciadv.adw8458 Förderung: Japan Agency for Medical Research and Development, Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A), Japan Science and Technology Agency, Japan Society for the Promotion Science, Uehara Memorial Foundation, Sumitomo Foundation, Ichiro Kanehara Foundation for the Promotion Medical Sciences and Medical Care, Brain Science Foundation, Daiichi Sankyo Foundation Life Science, Intramural grant from RIKEN Center for Developmental Biology, Kagoshima University Megumikai Medical Research Promotion Fund