Fast ihr ganzes Leben lang ist eine Nervenzelle eine Studie in Asymmetrie: Ein langer Fortsatz, das Axon, leitet Signale nach außen, während viele kürzere Dendriten sie aufnehmen. Wie eine junge Nervenzelle ausgerechnet einen ihrer mehreren, nahezu identischen Fortsätze zum Axon macht, beschäftigt die Biologie seit Jahrzehnten. Eine neue Studie in Nature argumentiert, dass der entscheidende Anstoß aus der Zelle selbst kommt.
Die Arbeit, geleitet von Tien-chen Lin und Frank Bradke am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) mit Mitarbeitenden aus Deutschland, Österreich und Japan, stellt eine lange gültige Sichtweise infrage. Lehrbücher gingen davon aus, dass die Spitzen der wachsenden Fortsätze, die sogenannten Wachstumskegel, chemische Reize in ihrer Umgebung lesen und dass diese äußere Steuerung bestimmt, welcher Fortsatz zum Axon wird. Doch dieses Bild lässt sich schwer damit vereinbaren, dass Nervenzellen im wachstumsfaktorreichen, sich entwickelnden Gehirn zuverlässig genau ein Axon bilden.
Eine innere Welle, die Favoriten kürt
Als das Team kortikale und hippocampale Neuronen Bild für Bild beobachtete, verhielten sich die jungen Zellen rhythmisch: Die Fortsätze verlängern und verkürzen sich Minute für Minute, wobei sich jeweils nur ein Fortsatz streckt. Innerhalb von etwa 48 Stunden setzt sich einer von ihnen durch und stabilisiert sich zum Axon.
Die Forschenden führen diesen Rhythmus auf das Soma zurück, den Zellkörper. Dort formen periodische Schübe des Proteinkomplexes Arp2/3 das innere Gerüst der Zelle um – das auf Aktin basierende Zytoskelett – und senden eine Welle aus, die die Fortsätze zunächst zurückzieht und sich dann in einen einzelnen Fortsatz hinein fortsetzt. Wo die Welle ankommt, lockert sie die Spannung, die einen Fortsatz sonst in Schach hält, sodass Mikrotubuli die Spitze vorschieben und diesen Fortsatz in Richtung eines Axons drängen. „Er wirkt wie ein Reißverschluss, der örtlich das Korsett der Zelle öffnet“, erklärte Lin. Einmal durch starre Strukturproteine stabilisiert, wächst der ausgewählte Fortsatz eigenständig weiter, während die anhaltende Spannung in den übrigen sie zu Dendriten werden lässt.
Bradke brachte den Nutzen nüchtern auf den Punkt: „Wenn unsere Neuronen mehrere Axone hätten, würde das im Gehirn Chaos verursachen.“ „Die Natur hat deshalb einen cleveren Weg gefunden, um sicherzustellen, dass Neuronen nur ein Axon erzeugen“, fügte er hinzu. Das Team schließt eine unterstützende Rolle äußerer Signale nicht aus – „Wir können nicht ausschließen, dass äußere Faktoren eine gewisse Rolle spielen“ –, verortet das ordnende Prinzip aber in der Zelle.
Weil diese Ein-Axon-Regel dem geordneten, einseitig gerichteten Informationsfluss durch neuronale Schaltkreise zugrunde liegt, schärft der Befund ein grundlegendes Verständnis davon, wie sich Gehirne verschalten. Offene Fragen bleiben, darunter, was den Rhythmus zuerst auslöst und welches genetische Programm ihn in Gang hält.