1 Einleitung

1.1 Zellneubildung im adulten ZNS

Schon die ersten autoradiographischen Studien von J. Altman um 1960 zeigten, daß sich teilende Zellen im erwachsenen Zentralnervensystem bei verschiedenen Spezies in weiter Verbreitung vorkommen (Altman and Das, 1967; Altman, 1966 ; Altman and Das, 1965a ; Altman and Das, 1965b).

Altmans Arbeiten wurden anfänglich nur zurückhaltend aufgenommen, widersprachen seine Vorstellungen von adulter zellulärer Plastizität doch dem gemeinhin akzeptierten Paradigma von weitgehender Stabilität der zellulären Elemente des Nervensystems. Die Ressourcen adult gebilteter zentralnervöser Zellen, Stamm- und Vorläuferzellen des ZNS, sind mittlerweile Gegenstand intensiver und vielversprechender Forschung, schwebt doch die Zukunftsvision im Raum, diese endogenen -oder exogen applizierte- Kapazitäten eines Tages zur vielfältigen Behandlung verschiedener neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen nutzen zu können (Le Belle and Svendsen, 2002; Lakatos and Franklin, 2002; Stewart and Przyborski, 2002; Cao et al., 2002; Weissman, 2000; Sinden et al., 2000; Goldman, 1998). Von großem allgemeinem Interesse ist weiterhin die Aufdeckung der physiologischen Funktionen adulter zellulärer Neogenese, insbesondere im Zusammenhang mit der Fähigkeit des ZNS zu plastischen Reaktionen (Nottebohm, 2002; Kempermann, 2002; Cecchi et al., 2001; Gould et al., 1999).

Es gibt regionale Unterschiede, was adulte zentralnervöse Zellneubildung betrifft, sowohl quantitativer als auch qualitativer Art. Nach gegenwärtigem Verständnis ist zwei Gebieten des erwachsenen Gehirns, den sog. neurogenen Regionen, die Bildung neuer Nervenzellen eigen: Das ist zum einen der Gyrus dentatus des Hippokampus (van Praag et al., 2002; Cameron et al., 1993; Kaplan and Hinds, 1977; Altman and Das, 1965a; Altman and Das, 1965b), zum anderen das System Subventikuläre Zone (SVZ), Rostral Migratory Stream (RMS), Bulbus olfactorius (Lois and Alvarez-Buylla, 1993; Alvarez-Buylla and Nottebohm, 1988; Kaplan and Hinds, 1977; Altman and Das, 1965a; Altman and Das, 1965b). Dieses System besteht aus einem Pool sich in [Seite 9↓]den Seitenwänden der Ventrikel teilenden Zellen, die über den Rostral Migratory Stream (RMS) zum Bulbus olfactorius wandern und dort zu Nervenzellen ausdifferenzieren. Die Existenz adulter Neurogenese im Gyrus dentatus des Hippokampus auch von Menschen (Eriksson et al., 1998) und von nicht-menschlichen Primaten (Kornack and Rakic, 1999; Gould et al., 1999a) ist mittlerweile etabliert und gemeinhin akzeptiert.

Offenkundig ist auch, daß demgegenüber viele Regionen des erwachsenen ZNS unter physiologischen Bedingungen nicht die Fähigkeit, neue Neurone zu bilden, besitzen, d.h. die dort angesiedelten Nervenzellen sind Produkt embryofetaler oder früh postnataler Neurogenese (Rakic, 2002; Kornack and Rakic, 2001; Rakic, 1985; Rakic, 1974). Zu diesen nicht-neurogenen Zonen zählt beispielsweise das Rückenmark, dessen neugebildeten Zellen glialer Natur sind (Horner et al., 2000).

Seit Jahrzehnten kontrovers diskutiert wird, ob der erwachsene Neocortex von Säugetieren neurogen ist. Einige frühe autoradiographische Studien, die die Identifizierung von Zelltypen noch ausschließlich nach morphologischen Kriterien und mit lichtmikroskopischen Verfahren vornahmen, schlugen – nicht unbestrittenerweise (Rakic 1985) - die Existenz kortikaler, adulter Neurogenese unter physiologischen Bedingungen vor (Kaplan, 1981). Doch selbst im Zeitalter fortentwickelter immunhistochemischer Methoden und computergestützter mikroskopischer Techniken herrscht über die Frage der Existenz adulter kortikaler Neurogenese keine Einigkeit. Jüngst wieder entfacht wurde die Kontroverse durch Elisabeth Goulds Meldung, kortikale Neurogenese in Primaten- wie auch Nagerhirnen beobachtet zu haben (Gould et al., 2001; Gould et al., 1999b). Goulds Ergebnis wurde von anderen in Frage gestellt (Rakic, 2002; Kornack and Rakic, 2001; Nowakowski and Hayes, 2000).

Nach Rakic kommt kortikale Neurogenese nur zu ganz bestimmten Entwicklungszeitpunkten des Gehirns vor (Rakic, 2002; Rakic, 1985). Neurone verschiedener kortikaler Schichten und Regionen werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten gebildet. Dabei werden kortikale Neurone in proliferativen Bereichen der Ventrikelwand gebildet und wandern dann in den Cortex aus. Neurone tieferer kortikaler Schichten werden zuerst gebildet, die höherer Schichten wandern vor Erreichen der Endplatzierung durch die früher [Seite 10↓]gebildeten tiefen Schichten hindurch. Ausnahme ist die kortikale Schicht I, die neuronale Zufuhr während der ganzen Periode der Kortikogenese erhält.

Um so interessanter wird die Frage nach der Existenz adulter kortikaler Neurogenese durch die Tatsachen, daß der adulte Cortex offenkundig multipotente Stammzellen beherbergt, die in vitro Zellen glialen und neuronalen Phänotyps hervorbringen können (Arsenijevic et al., 2001; Palmer et al., 1999).

Weithin akzeptiert ist jedoch unterdessen, daß adulte kortikale Neurogenese unter bestimmten, nicht physiologischen Bedingungen vorkommen kann. So konnten Magavi et al. zeigen, daß die umschriebene Laserablation kortikothalamischer Projektionsneurone lokal kortikale Neurogenese induziert (Magavi and Macklis, 2001; Magavi et al., 2000). Gezeigt wurde auch, daß die Induktion eines Schlaganfalls im Tiermodell adulte Neurogenese im Cortex (Jiang et al., 2001) beziehungsweise im Striatum (Arvidsson et al., 2002) auslösen kann.

Wenn auch das Studium der bis dato publizierten Literatur keine letzte Klärung der Frage nach der Existenz adulter kortikaler Neurogenese erlaubt, so besteht doch kein Zweifel, daß es im erwachsenen Cortex in vivo eine relativ große Zahl sich teilender Zellen gibt (Rakic, 2002; Gould et al., 2001; Kornack and Rakic, 2001; Magavi et al., 2000; Gould et al. 1999b; Kaplan and Hinds, 1980; Hommes and Leblond, 1967; Altman, 1966).

Verschiedene Studien befaßten sich mit dem phänotypischen Schicksal dieser Zellen (Gensert and Goldman, 2001; Kornack and Rakic, 2001; Levison et al., 1999; Kaplan and Hinds, 1980; Hommes and Leblond, 1967).

Gemein ist diesen Untersuchungen die Beschreibung glialer Differenzierung kortikal proliferierender Zellen.

Allerdings wurde kaum je eine quantitative Untersuchung der Populationen adult proliferierender kortikaler Zellen vorgenommen, geschweige denn deren Verteilung innerhalb funktionell und anatomisch distinkter kortikaler Regionen und Schichten untersucht und damit die Frage einer möglichen regionalen Spezifität adulter kortikaler Zellneubildung angegangen.


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1.2  Cerebraler Cortex

Erste, heute noch weitgehend gültige Versuche, den cerebralen Cortex nach histoarchitektonischen Merkmalen zu differenzieren und zu klassifizieren gehen in das späte 19. und frühe 20. Jahrhundert zurück. Vor allem Karl Brodmann machte sich hierum sehr verdient (Brodmann, 1909).

Der cerebrale Cortex ist eine Gewebestruktur - bei Primaten von gewundener Gestalt - an der äußeren Oberfläche des Gehirns. Seine Dicke variiert regional zwischen 2 und 4 mm und ist bei verschiedenen Spezies relativ invariabel. Die Größe der kortikale Oberfläche dagegen zeigt deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Spezies, von ihr hängt die kortikale Informationsverarbeitungskapazität ab. Man unterscheidet vier Lappen, die nach den benachbarten Schädelknochen benannt sind: der Frontal-, Temporal-, Parietal- und Okzipitallappen. Zusätzlich gehören der insuläre und cinguläre Cortex zum cerebralen Cortex.

Der cerebrale Cortex ist aus verschiedenen Schichten aufgebaut. Die Anzahl der Schichten und ihr innerer Aufbau unterscheiden sich von Region zu Region. Der typische Aufbau des Neocortex zeigt sechs Schichten (Isocortex). Während Schicht I (Molekularschicht) arm an Zellkörpern ist, ist hier der relative Volumenanteile an Dendriten und Axonen hoch. Schicht II (äußere Körnerschicht) und IV (innere Körnerschicht) sind durch kleine Zellkörper gekennzeichnet. Schicht III (äuÿere Pyramidenschicht) und V (innere Pyramidenschicht) enthalten vor allem pyramidenförmige Zellen. In Schicht VI (multiforme Schicht) finden sich Zellen verschiedenster Gestalt.

Besonders variabel und damit diagnostisch (als Merkmal zur Differenzierung verschiedener kortikaler Regionen) wertvoll ist die regionale Ausprägung von Schicht IV. Kortikale Gebiete mit gewichtigem thalamischem Input wie der visuelle Cortex haben eine ausgeprägt entwickelte innere Körnerschichten (IV). Dagegen hat der motorische Cortex, der nur wenige thalamische Afferenzen erhält, eine nur marginal ausgebildete Schicht IV. Kriterien wie zum Beispiel das Vorhandensein oder die Ausprägung von Schicht IV (Ausprägung einzelner Schichten, allgemeine Zelldichte, besondere Zellformen) nutzte Brodmann zur Aufteilung des Cortex in verschiedene histoarchitektonische Gebiete. Partiell deckt sich die histoarchitektonische Gliederung des Cortex von Brodmann mit funktionellen Eigenschaften [Seite 12↓]kortikaler Regionen. Allerdings erlaubt eine Klassifizierung kortikaler Gebiete mittels elektrophysiologischer und moderner neuroanatomischer Techniken eine weitere Differenzierung von Brodmanns Arealen.

Während viele lebenserhaltende Funktionen an Rückenmark, Hirnstamm und Diencephalon gebunden sind, vermittelt der cerebrale Cortex höhere kognitive Funktionen. Die wahrscheinlich elementare kortikale Verarbeitungseinheit stellt die kortikale Säule dar, ein Zylinder, der alle Schichten umfaßt und einen Durchmesser von ca. einem Millimeter aufweist (Amaral, 2000). Zu einer kortikalen Einheit gehörige Neurone zeigen sehr ähnliche Antworteigen- schaften, was wohl darauf zurückzuführen ist, daß sie ein lokales Netzwerk bilden. Die Anzahl der Neurone, die eine kortikale Säule bilden ist interregional (Ausnahme: visueller Cortex) und bei verschiedenen Spezies recht konstant. Variabel ist die Anzahl kortikaler Säulen, die der gesamte Cortex bei verschiedenen Arten enthält, und damit auch die Informationsverarbeitungskapazität.

Man unterscheidet Cortexareale, die in motorische Funktionen involviert sind, von solchen, die überwiegend der Verarbeitung sensorischer Information dienen. Primär sensorische Areale erhalten direkt thalamische Afferenzen, während der primär motorische Cortex über den Tractus corticospinalis bzw. corticonuclearis direkt mit den motorischen Kerngebieten in Hirnstamm und Rückenmark verbunden ist. Höhere motorische bzw. sensorische kortikale Felder sind den primären übergeordnet und stehen in wechselseitiger Beeinflussung mit diesen. Integrative Leistungen werden von den Assoziationscortices, die mit unterschiedlichen Cortexbereichen in Verbindung stehen, vermittelt. Zu diesen Assoziationscortices zählen im wesentlichen der parieto-temporo-okzipitale, der frontale und der limbische Assoziationscortex (bestehend aus dem orbitofrontalen und cingulären Cortex sowie temporalen Cortexbereichen).


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1.3  Bedingungen einer reizreichen Lebensumgebung (Enriched Environment)

In dem 1949 veröffentlichten Buch „The Organisation of Behaviour: A Neuropsychological Theory“ formulierte Donald O. Hebb die Idee und schlug Mechanismen vor, wie Erfahrungen die Eigenschaften des sie aufnehmenden Nervensystems in plastischer Weise modulieren könnten (Hebb, 1949). Hebb stellte in diesem Buch unter anderem die Hypothese auf, dass die zeitgleiche Aktivität von Prä- und Postsynapse zur Verstärkung der Übertragungseigen- schaften dieser Synapse führen könnten („Hebb-Synapse“). Für dieses Modell wurden später biologische Entsprechungen gefunden (Langzeitpotenzierung: „LTP“). Weniger bekannt ist, daß Hebb auch hatte beobachten können, daß Ratten aus seinem Labor, die er für eine gewisse Zeit zu sich nach Hause genommen hatte, und die dort Gelegenheit hatten, Haus und Kinder zu explorieren, bessere Problemlösefähigkeiten zeigten, als Ratten, die im Labor verblieben waren (Hebb, 1949). Welche zentralnervösen Prozesse dem zugrunde liegen, schien völlig unklar und ist noch heute Gegenstand intensiver Forschung.

Bennett, Diamond, Krech und Rosenzweig entdeckten zuerst, daß Ratten, die einem formalen Training ausgesetzt worden waren, Veränderungen von Hirngewicht und neurochemische Abweichungen zu Tieren aufwiesen, die nicht dieses Training erfahren hatten (Rosenzweig et al., 1962). Gleichartige Veränderungen konnten sie bei Tieren beobachten, die statt eines formalen Trainings einer stimulusreichen Umgebung („Enriched Environment“) ausgesetzt worden waren (Bennett et al., 1964). Kennzeichen dieser Umgebung ist das Beisammensein vieler Artgenossen in großzügig bemessener Räumlichkeit, die mit diversen Hilfsmitteln, z.B. Klettergerüsten, Laufrädern oder anderen „Spielzeugen“ ausgestattet sind (Bennett et al., 1964; Rosenzweig et al., 1962).

In den folgenden Jahren und Jahrzehnten wurden ein Reihe von biologischen Parametern untersucht, die erfahrungsabhängig variieren, und damit gewissermaßen ein „Gedächtnis“ einer biologischen Struktur für Reizeinwirkungen sind und möglicherweise ein morphologisches, molekulares, und/oder funktionelles Abbild von Lernen und Gedächtnisbildung sein oder zumindest Hinweise auf deren substantielle Grundlage geben könnten. So [Seite 14↓]konnte ein Effekt einer reizreichen Umgebung (Enriched Environment) auf das Hirngewicht (Mollgaard et al., 1971; Bennett et al., 1964), die kortikale Dicke (Diamond et al., 1966; Diamond et al., 1964), den Acetylcholinesterasegehalt des Gehirns (Bennett et al., 1964), die kortikale neuronale Dichte (Diamond et al., 1964), die Größe kortikaler neuronaler Zellkörper und Zellkerne (Diamond et al., 1964), die Anzahl und Komplexität neuronaler dendritischen Verzweigungen (Black et al., 1987; Greenough and Volkmar, 1973; Volkmar and Greenough, 1972), Anzahl, Verteilung und Art synaptischer Kontakte (Beaulieu and Colonnier, 1989a; Beaulieu and Colonnier, 1989b; Beaulieu and Colonnier, 1987), sowie astrozytäre Veränderungen (Jones et al., 1996; Sirevaag and Greenough, 1991), die möglicherweise im Zusammenhang mit synaptischen Veränderungen zu sehen sind (Meshul et al., 1987), festgestellt werden. Indirekt wurde ein Effekt auf die absolute Gliazellzahl postuliert (Szeligo and Leblond, 1977). Die meisten dieser kortikalen Effekte einer reizreichen Umgebung zeigen eine regional unterschiedlich starke Ausprägung und lassen eine regional spezifische Sensitivität des Cortex auf eine reizreiche Umgebung vermuten (vgl. Kapitel 4.3).

Offensichtlich sind Prozesse von zentralnervöser Zellteilung und Zellneubildung auch erfahrungsabhängig modulierbar. So steigert eine reizreiche Umgebung (Enriched Environment) die Überlebensrate von adult neugebildeten hippokampalen Neuronen oder deren Vorläufern (Kempermann et al., 1997). Resultate von Gould et al. schlagen eine Beteiligung hippokampaler Neurogenese bei hippokampusabhängigem Lernen vor. So konnte eine Steigerung hippokampaler Neurogenese beim Lernen (Gould et al., 1999) sowie die Störung des Lernerfolg durch Blockade hippokampaler Neurogenese gezeigt werden (Shors et al., 2001). Neurogenese im olfaktorischen System ist durch die olfaktorischen Reizwahrnehmung modulierbar (Rochefort et al., 2002; Corotto et al., 1994) und damit auch erfahrungsabhängig.

Wie in v.a. den oberen Abschnitten dieses Kapitels dargelegt, haben die Bedingungen einer reizreichen Umgebung, die wohl zur Beanspruchung verschiedenster Hirnleistungen führen, nicht nur Auswirkungen auf Struktur [Seite 15↓]und funktionelle Organisation des Hippokampus, sondern hinterlassen auch strukturelle Spuren am Cortex. Auf makroskopischer Ebene sind eine regional spezifische Dickenzunahme des Cortex, auf zellulärer Ebene die Veränderungen an neuronalem Zellkern und –körper, von Art und Menge synaptischer Kontakte, sowie astrozytärer Morphologie und auf molekularer Ebene z.B. die verstärkte Expression von Cholinesterase beschrieben worden (Jones et al., 1996; Jones and Greenough, 1996; Rosenzweig and Bennett, 1996; Sirevaag and Greenough, 1991; Black et al., 1990; Beaulieu and Colonnier, 1989a; Beaulieu and Colonnier, 1989c; Beaulieu and Colonnier, 1987; Black et al., 1987; Turner and Greenough, 1985; Sirevaag and Greenough, 1985; Diamond, et al., 1976; Greenough and Volkmar, 1973; Diamond, et al., 1972; Volkmar and Greenough, 1972; Diamond et al., 1971; Diamond et al., 1966; Bennett et al., 1964; Rosenzweig et al., 1962).

Systematisch erhobene Daten und Experimente unter Anwendung moderner quantitativer mikroskopischer Verfahren liegen hierzu nicht vor. Eine besonders interessante Frage ist, ob die beschriebenen kortikalen Veränderungen mit Veränderungen von kortikaler Proliferation und Zellneubildung einhergehen.


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1.4  Körperliche Aktivität

Körperliche Aktivität verbessert kognitive Funktionen und fördert die funktionelle Rehabilitation von neurologischen Schäden (Cotman and Engesser-Cesar, 2002; Taylor et al., 1985).

Es wäre von Interesse vor allem zentralnervöse substantielle Korrelate zu diesen funktionellen Effekten aufzudecken, könnte dies doch Ansatzpunkte für gezielte therapeutische Manipulationen hervorbringen. Bislang ist zwar nicht gesichert, ob die funktionellen Befunde tatsächlich durch einzelne oder die Kombination der aktivitätsinduzierten zentralnervösen zellulären und molekularen Veränderungen erkärt werden. Einzelne Zusammenhänge sind jedoch schon bekannt. So verstärkt körperliche Aktivität, wie auch eine reizreiche Umgebung (Enriched Environment), die Neurogenese im Gyrus dentatus des Hippokampus von Mäusen (van Praag et al., 1999). Die Bildung von Wachstumsfaktoren wird beeinflußt, so die Synthese von bFGF (basic fibroblast growth factor) im Hippokampus verstärkt (Gomez-Pinilla et al., 1998; Gomez-Pinilla et al., 1997). Physische Aktivität führt zur Neubildung von Gefäßen im Kleinhirn, das in entscheidende Funktionen bei der Ausführung motorischer Programme involviert ist (Black et al., 1990). Lokal werden Hirnteile verstärkt perfundiert und Energieträger vermehrt aufgenommen und verbraucht (Delp et al., 2001; Vissing et al., 1996; Gross et al., 1980).


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1.5  Problemstellung und experimenteller Aufbau

Im adulten cerebralen Cortex teilen sich offenbar Zellen in nicht unerheblichem Maße (Gould et al., 2001; Kornack and Rakic, 2001; Magavi et al., 2000; Gould et al., 1999b; Rakic, 1985; Kaplan and Hinds, 1980; Hommes and Leblond, 1967; Altman and Das, 1965a). Was für Zellen sich teilen, wie sie differenzieren und ob sich adulte kortikale Zellneubildung in verschiedenen kortikalen Bereichen gleich verhält oder regionale Spezifität zeigt, ist bislang nicht systematisch untersucht worden.

Leben in einer reizreichen Umgebung sowie körperliche Aktivität haben deutliche Wirkungen auf adulte hippokampale Neurogenese (Kempermann et al., 1997). Es sind eine Reihe von Effekten einer reizreichen Umgebung auf den cerebralen Cortex nachgewiesen worden (Jones et al., 1996; Jones and Greenough, 1996; Rosenzweig and Bennett, 1996; Sirevaag and Greenough, 1991; Black et al., 1990; Beaulieu and Colonnier, 1989a; Beaulieu and Colonnier, 1989c; Beaulieu and Colonnier, 1987; Black et al., 1987; Turner and Greenough, 1985; Sirevaag and Greenough, 1985; Diamond et al., 1976; Greenough and Volkmar, 1973; Diamond et al., 1972; Volkmar and Greenough, 1972; Diamond et al., 1971; Diamond et al., 1966; Bennett et al., 1964; Rosenzweig et al., 1962). Unsere Hypothese war, dass körperliche Aktivität und das Leben in einer reizreichen Umgebung kortikale Zellneubildung beeinflussen.

Um diese Hypothese zu überprüfen, wurde kortikale Zellneubildung bei Tieren, die entweder einer reizreichen Umgebung ausgesetzt oder körperlich aktiv waren, gemessen und mit der kortikalen Zellneubildung bei einer Kontrollgruppe verglichen.

In einer ersten experimentellen Gruppe von C57/BL6 Mäusen, die unter standardisierten Laborbedingungen gehalten wurden, wurde die Basisrate kortikaler Zellproliferation und Zellneubildung gemessen. Dabei wurde die kortikale Zellproliferation in Abhängigkeit von der kortikalen Lokalisation (verschiedene Regionen, verschiedene Schichten) untersucht. Um das phänotypische Schicksal proliferierender kortikaler Zellen verfolgen zu [Seite 18↓]können, wurde eine Gruppe kurz nach der Markierung sich teilender Zellen, die andere 4 Wochen später untersucht.

In einem zweiten Experiment ging es darum, mögliche physiologische Regulatoren kortikaler Zellproliferation, -überlebens und –differenzierung zu studieren. Da körperliche Aktivität (RUN) und eine reizreiche Umgebung (ENR) deutliche Effekte auf die zelluläre Neogenese im Hippokampus haben, war es von besonderem Interesse, zu prüfen, ob es sich dabei um einen lokal begrenzten Effekt handelt oder weitere Teile des Gehirns betroffen sind.

Dies ist die erste systematische, stereologische Untersuchung adulter kortikaler Zellproliferation und –neubildung. Ziel war es deswegen auch, sehr ausgedehnte Teile des Cortex zu untersuchen, um damit eine solide Ausgangsbasis für detailliertere Analysen in nachfolgenden Studien zu schaffen.

Perspektivisch bieten Einblicke in die Regulation adult kortikalen Zell-Turnovers einmal die Möglichkeit, zu einem Verständnis des kortikalen regenerative Potentials zu gelangen, zum anderen –möglicherweise- mehr von den Mechanismen funktioneller Plastizität im adulten ZNS zu verstehen.


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11.02.2005