Myelin

Myelin bzw. die Myelinschicht oder Markscheide ist eine weiße Schicht aus Fett und Protein, sie umhüllt jedes Axon und beschleunigt die Übertragung von Impulsen an den Neuronen entlang. Die Myelinisierung ist dabei der Vorgang, bei dem insbesondere die Axone, die für die Impulsleitung zu weiteren Neuronen zuständig sind, im Laufe der Entwicklung zunehmend mit Lipiden und Proteinen umgeben werden, die wie eine Isolationsschicht wirken und die Reizweiterleitung beschleunigen. Die Myelinschicht entlang der Axone trägt einerseits zur statischen Stützung der Nervenzelle bei, doch die Hauptaufgabe liegt in der Erhöhung der elektrischen Reizleitungsgeschwindigkeit entlang der Nervenzelle.

Beim Menschen sind die Gehirnneuronen bei der Geburt nur wenig myelinisiert, doch nimmt die Dichte dieeser Fettschicht im Kleinkindalter stark zu. Doch bereits pränatal setzt ein Prozess der Myelinisierung entwicklungsgeschichtlich älterer Hirnregionen wie Rückenmark oder Hirnstamm ein, der in den höheren kortikalen Regionen bis in späte Lebensjahrzehnte hineinreicht. Während Kindheit und Jugend wird die Myelinisierung wieder langsamer, setzt sich aber bis ins dritte Lebensjahrzehnt hin fort. Bei anderen Primaten wie Schimpansen sind die Nervenfasern schon bei der Geburt stark myelinisiert, wobei am Beginn der Pubertät diese Schicht am dichtesten ausgeprägt ist. Bei Primaten sind Kindheit, Jugend und das frühe Erwachsenenleben besonders intensive Lernphasen, wobei vermutlich diese nun festgestellte Verzögerung der Myelinisierung es Menschen erst ermöglicht, die Entwicklung des Gehirns an soziale Beziehungen und Umwelteinflüsse anzupassen. Gleichzeitig trägt die verspätete Myelinisierung auch dazu bei, dass Menschen in der Jugend und als junge Erwachsene anfällig für einige psychische Erkrankungen wie die Schizophrenie sind. Störungen bei der Myelinbildung spielen auch bei anderen psychischen Erkrankungen eine wichtige Rolle.

Die Myelenisierung des Gehirns ist also ein wichtiger Prozess in der Gehirnentwicklung, denn durch die Myelinisierung wird die Geschwindigkeit der Informationsvermittlung erhöht, weil die Impulse von einem Knoten, dem Ranvierschen Schnürring, zum nächsten springen.

Zahlreiche Daten deuten darauf hin, dass die Dicke des menschlichen Cortex während der Entwicklung im Kindesalter zu sinken scheint, denn Studien haben immer wieder gezeigt, dass bestimmte Areale der Großhirnrinde im Laufe der Entwicklung von Kindern dünner werden, wobei bei einer Dicke von nur drei Millimetern Kinder im Durchschnitt fast einen Millimeter an grauer Substanz verlieren, bis sie das Erwachsenenalter erreichen. Allerdings sind die zugrunde liegenden mikrostrukturellen Mechanismen weitgehend unbekannt. So wird etwa vermutet, dass Zellen der Grauen Substanz und ihre Verbindungen auf natürliche Weise abgebaut werden, um das Gehirn effizienter zu machen, oder dass sich beim Umbau das Gehirn ausdehnt und dadurch dünner wird Natu et al. (2019) haben nun herausgefunden, dass diese Veränderung aufgrund der Einschränkungen heutiger Messgeräte unterschätzt wurde, denn misst man mit quantitativer Magnetresonanztomographie, so scheint es, dass junge Gehirne tatsächlich mit der Zeit mehr myelinisiert werden, was für die Gehirnentwicklung wichtig ist. Das Problem dabei ist, dass die Messung der Dicke der Grauen Substanz entscheidend von der Festlegung der Grenze zwischen weißer und grauer Substanz abhängt, d. h., diese Grenze kann unklar sein und die cortikale Dicke daher unterschätzt werden, wenn die Myelinisierung während der Entwicklung zunimmt. Man untersuchte drei Teile des Gehirns im höheren visuellen Cortex, wobei sich in jenen Arealen, die für die Gesichts- und visuelle Worterkennung verantwortlich sind, dieser Myelinisierungseffekt zeigte, doch für das Areal der Ortserkennung fand sich kein Hinweis auf eine Myelinisierung, sondern es schien sich mit der Zeit morphologisch zu verändern und über die Zeit zu dehnen. Viele Arbeiten darauf hin, dass sich die Dicke des Cortex ändert, wenn Menschen neue Fähigkeiten erlernen, wobei auch die Myelinisierung eine Rolle spielen dürfte. Alle Ergebnisse deuten nun eher darauf hin, dass der Cortex im Kindesalter nicht dünner wird, sondern nur stärker myelinisiert wird.

Eine spezielle Form der Proteine, die Connexine können winzige Röhrchen bilden, über die Zellen kleine Moleküle austauschen können, wobei  die Connexin-Halbkanäle zweier Nachbarzellen aneinander andocken und  gemeinsam einen interzellulären Tunnel bilden. Connexine können aber nicht nur Zellen des gleichen Typs miteinander verbinden, sondern bilden auch Kanäle zwischen Oligodendrozyten und Astrozyten, also Neurogliazellen, die man bekanntlich früher nur für eine Art Bindegewebe im Gehirn gehalten hatte. Die Neuroglia hat aber auch bei der Informationsverarbeitung viele wichtige Aufgaben, wobei  die Gliazellen über ihre Connexine ein ganzes Arsenal von Molekülen austauschen. Astrozyten produzieren dazu unter anderem das Connexin Cx43, Oligodendrozyten verfügen dagegen über das Connexin Cx47, wobei Cx43 und Cx47 miteinander kompatibel sind und daher einen Gemeinschaftstunnel bilden können. Diese Kooperation deshalb wichtig, denn wenn ein Cx43-Halbkanal an einen Cx47-Halbkanal andockt, wird das Cx47 mit einer Art Schutzanstrich versehen, der  verhindert, dass das Cx47 von seiner Mutterzelle abgebaut wird. In einem Versuch mit Mäusen (May et al., 2013), die kein Cx43 produzieren, kann sich das Cx47 gegen den Abbau nicht wehren und es verschwindet. Mit dem Verlust oder der Inaktivierung von Connexin büßen die Oligodendrozyten aber auch ihre Funktionsfähigkeit ein, denn dadurch wird kein Myelin gebildet und es kommt zu Kurzschlüssen. Daher trägt der Schutzanstrich des Cx47 dazu bei, dass die Oligodendrozyten genügend Isolierung produzieren können. Mäuse ohne Cx43 verlieren auch das Cx47 und damit ein wichtiges Protein für den Stoffaustausch zwischen Gliazellen. Unklar bleibt nach diesen Tierversuchen, ob diese Ergebnisse auch auf den Menschen übertragbar sind, allerdings gibt es beim Menschen eine Reihe von Krankheiten, die auf einer Störung des Myelin-Stoffwechsels beruhen.


Die Grenzfläche zwischen der weißen und der grauen Substanz des Gehirns wird als oberflächliche weiße Substanz bezeichnet, wobei frühere Untersuchungen darauf hingedeuten, dass schwerwiegende Erkrankungen wie Alzheimer und Autismus mit dieser Region verknüpft sind. Kirilina et al. (2020) ist es jüngst mit einer innovativen bildgebenden Methode gelungen, die oberflächliche weiße Substanz im lebenden menschlichen Gehirn sichtbar zu machen. So konnte man hochauflösende Karten der Grenze zwischen weißer und grauer Substanz über das gesamte lebende Gehirn hinweg erstellen, wobei die Genauigkeit dieser Submillimeterkarten im Vergleich zu traditionellen und fortgeschrittenen histologischen Methoden beurteilt wurde, die eine physische Untersuchung und Analyse von postmortalen Gehirnen beinhalten. Der Einblick in die Organisation der Grenzfläche zwischen weißer und grauer Substanz wirft ein neues Licht auf die Entwicklung des Gehirns. Sie wiesen auch nach, dass die oberflächliche weiße Substanz sehr viel Eisen enthält, das für den Prozess der Myelinisierung notwendig ist. Myelin macht die weiße Substanz weiß und bildet die Fettschicht der Axone der Nervenzellen, die die Informationsübertragung durch das Gehirn beschleunigt. Dieser Prozess kann während der gesamten Lebensspanne auftreten, ist aber in der frühen Entwicklung des Gehirns vorherrschend. Tatsächlich fand sich die größte Eisenkonzentration in der oberflächlichen weißen Substanz in Regionen des frontalen Cortex, der sich im gesamten Prozess der Hirnreifung am langsamsten entwickelt. So ist der frontale Cortex erstaunlicherweise erst im vierten Lebensjahrzehnt eines Menschen vollständig myelinisiert.


Siehe dazu Neuronen – Nervenzellen

Netzwerk Gehirn Nervenzellen

Literatur

Kirilina, Evgeniya, Helbling, Saskia, Morawski, Markus, Pine, Kerrin, Reimann, Katja, Jankuhn, Steffen, Dinse, Juliane, Deistung, Andreas, Reichenbach, Jürgen R., Trampel, Robert, Geyer, Stefan, Müller, Larissa, Jakubowski, Norbert, Arendt, Thomas, Bazin, Pierre-Louis & Weiskopf, Nikolaus (2020). Superficial white matter imaging: Contrast mechanisms and whole-brain in vivo mapping. Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaz9281.
May, Dennis, Tress, Oliver,  Seifert, Gerald &  Willecke, Klaus (2013). Connexin47 Protein Phosphorylation and Stability in Oligodendrocytes Depend on Expression of Connexin43 Protein in Astrocytes. The Journal of Neuroscience, 33, 7985-7996.
Natu, Vaidehi S., Gomez, Jesse, Barnett, Michael, Jeska, Brianna, Kirilina, Evgeniya, Jaeger, Carsten, Zhen, Zonglei, Cox, Siobhan, Weiner, Kevin S., Weiskopf, Nikolaus, & Grill-Spector, Kalanit (2019). Apparent thinning of human visual cortex during childhood is associated with myelination. Proceedings of the National Academy of Sciences, doi:10.1073/pnas.1904931116.
Nerven reifen bei Menschen langsamer als bei Affen. Die Welt vom 26. September 2012.

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