Studie zeigt tiefgreifenden Umbau im alternden menschlichen Gehirn

Das alternde menschliche Gehirn ist faszinierend: In mancher Hinsicht wird es mit den Jahren besser, doch meist ist eher von seinem Abbau die Rede. Das ist verständlich.

Schließlich gibt es zahlreiche neurodegenerative Erkrankungen, an denen niemand von uns leiden möchte.

Frühere Studien haben gezeigt, dass einige der scheinbar unvermeidlichen Einbußen der Gehirngesundheit, die häufig bei Menschen in ihren 70ern und 80ern beobachtet werden, bereits in der Lebensmitte beginnen.

Bekannt ist, dass genetische Faktoren diesen Abbau vorantreiben: Sie veranlassen Zellen dazu, Entzündungen zu verstärken und die synaptische Funktion zu verringern – also die Fähigkeit des Gehirns, Informationen innerhalb seiner Netzwerke weiterzuleiten.

Eine umfassende neue Studie legt nun nahe, dass diese genetischen Veränderungen die Architektur der Immunzelllandschaft im Gehirn grundlegend umgestalten, indem sich ein Zelltyp in einen anderen verwandelt.

Mithilfe einer bislang beispiellosen Verbindung aus genetischer und epigenetischer Analyse sowie dreidimensionaler Genomkartierung untersuchte das Forschungsteam knapp 320.000 Zellen aus dem Hippocampus. Diese für Gedächtnis, Lernen und Orientierung entscheidende Hirnregion stammte von 40 gesunden Personen im Alter von 20 bis 95 Jahren.

Die Arbeit zeigt, dass Altern nicht bloß bedeutet, dass Gene stärker oder schwächer aktiv werden. Vielmehr gehen damit abgestimmte Veränderungen in den molekularen Systemen einher, welche diese Gene steuern.

Mikroglia im alternden menschlichen Gehirn

Zu den besonders bemerkenswerten Ergebnissen der Studie zählt die Beobachtung zu Mikroglia, den ortsansässigen Immunzellen des Gehirns.

Jahrzehntelang gingen Forschende davon aus, dass diese Zellen vor der Geburt im embryonalen Dottersack entstehen und sich anschließend über das gesamte Leben weitgehend selbst erhalten.

Die neuen Daten sprechen jedoch dafür, dass zwischen dem 50. und 75. Lebensjahr viele dieser ursprünglichen Mikroglia durch Monozyten ersetzt werden – Zellen, die offenbar aus dem Blutkreislauf stammen.

(Monozyten sind große weiße Blutkörperchen, die normalerweise Zelltrümmer beseitigen und vor Krankheitserregern schützen.)

Direkt nachweisen konnten die Forschenden nicht, dass diese neu hinzugekommenen Zellen, wie bei Monozyten üblich, aus dem Knochenmark stammen. Ihre DNA-Methylierung – chemische Markierungen, welche die Entwicklungs-„Erinnerung“ einer Zelle bewahren – ähnelte jedoch auffallend stark jener gewöhnlicher Blutmonozyten und unterschied sich deutlich von der ursprünglicher embryonaler Mikroglia.

Mit 80 Jahren stellten diese monozytenähnlichen Zellen in den meisten untersuchten Gehirnen bereits die vorherrschende Zellpopulation dar.

Wichtig ist, dass diese Ersatzzellen ausgeprägtere Entzündungssignaturen tragen. Das könnte erklären helfen, weshalb chronische Entzündungen im Gehirn im Alter zunehmend verbreitet sind und mit Erkrankungen wie Alzheimer in Verbindung stehen.

Astrozyten und die Energiekrise im Hippocampus

Ein weiterer auffälliger Befund der Forschungsarbeit betraf Astrozyten. Diese sternförmigen Stützzellen versorgen Neuronen, regulieren Neurotransmitter und tragen zur Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke bei.

Ihre Zahl im Hippocampus nahm mit zunehmendem Alter kontinuierlich ab – ein unerwartetes Ergebnis.

Auch die verbleibenden Astrozyten schienen belastet zu sein. Gene, die an der Produktion von ATP, der wichtigsten Energiequelle der Zelle, beteiligt sind, wurden weniger aktiv. Gleichzeitig stieg die Aktivität von Genen, die für zelluläre Recyclingprozesse zuständig sind.

Zusammen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass alternde Astrozyten eine „Energiekrise“ durchmachen könnten, die zu ihrem Verschwinden beiträgt.

Die Forschenden fanden zudem Hinweise darauf, dass das Altern selbst die räumliche Organisation des Genoms verändert.

Im Zellkern faltet sich DNA zu einer komplexen dreidimensionalen Struktur, die mitbestimmt, welche Gene miteinander in Kontakt treten können.

Bei nahezu jedem untersuchten Zelltyp zerfiel diese Organisation im Lauf des Alters schrittweise.

Chromosomale Nachbarschaften wurden weniger klar abgegrenzt, während die Proteine, die diese Architektur aufrechterhalten, offenbar weniger wirksam an die DNA banden.

In ihrer Gesamtheit machen diese Veränderungen deutlich, dass diese „fortschreitenden strukturellen Störungen eng mit Verschiebungen in der Genregulation und Zellidentität verbunden waren und möglicherweise ein grundlegendes Merkmal des Alterns im menschlichen Gehirn offenlegen“, erklärte Bing Ren, korrespondierender Autor der Studie und Genetiker an der Columbia University, in einer Mitteilung.

Ein Wendepunkt um das 50. Lebensjahr

Viele dieser Veränderungen verliefen nicht gleichmäßig. Stattdessen identifizierte das Team einen klaren Kipppunkt um das 50. Lebensjahr: Ab dann verschoben sich Genaktivität und epigenetische Marker deutlich stärker.

Ähnliche Wendepunkte in der Lebensmitte wurden kürzlich auch bei anderen Organen beschrieben. Das stützt die Annahme, dass sich biologisches Altern in klar abgegrenzten Phasen beschleunigen könnte, statt einem gleichmäßigen Abwärtstrend zu folgen.

Die Forschenden untersuchten außerdem Unterschiede zwischen Männern und Frauen.

Obwohl die allgemeinen Alterungsmuster einander teilweise ähnelten, korrelierten molekulare Veränderungen bei Männern über die meisten Zelltypen hinweg tendenziell stärker mit dem Alter.

Die Studie war nicht darauf ausgelegt zu erklären, warum diese Unterschiede entstehen. Ihre Ergebnisse deuten jedoch an, dass der alternde Hippocampus bei Männern und Frauen unterschiedlichen Alterungsverläufen folgen könnte.

Da Forschende mit der Realität arbeiten müssen – etwa mit Forschungszeiträumen von Monaten oder Jahren statt ganzen Lebensspannen – und nicht unter Idealbedingungen, konnten sie die Gehirne derselben Personen nicht in verschiedenen Lebensphasen messen.

Stattdessen analysierten sie Hirngewebe nach dem Tod und erhielten dadurch Momentaufnahmen unterschiedlicher Menschen, die selbstverständlich verschiedene Leben geführt hatten und unterschiedliche Gene besaßen.

Dennoch eröffnet die Kombination verschiedener Methoden zur Analyse und zum Verständnis der Gehirnalterung die Möglichkeit, dass unser Gehirn beim Altern weit stärker auf Zellebene umgebaut wird als bislang angenommen.

Was bedeutet das, und wie lässt sich dieser Prozess verändern, damit wir unsere Gehirngesundheit bis zum Lebensende erhalten können?

Genau darin liegt der Zweck dieser Arbeit: „Das Verständnis dieser zellulären Übergänge könnte neue Möglichkeiten eröffnen, Interventionen zu entwickeln, die die Gehirnfunktion bewahren und die Anfälligkeit für neurodegenerative Erkrankungen verringern“, erklärte der Neurowissenschaftler und Studienautor Xiangmin Xu von der UC Irvine in einer Mitteilung.

Die Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Fiona MacDonald auf Fakten geprüft und von Rebecca Dyer redigiert. Wir sind zwar stolz auf unseren Prozess, aber auch nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.