Dickere Nervenfasern lassen Mäuse schneller reagieren

Forscher schalten ein Protein in den Nervenfasern von Mäusen aus und erhöhen damit die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung

16. September 2020

Damit Organismen rasch auf Reize aus der Umwelt reagieren können, müssen Nervenimpulse entlang der Nervenfortsätze, sogenannter Axone, schnell und präzise weitergeleitet werden. Während wirbellose Tiere zum Teil sehr dicke Axone entwickelt haben, um die Nervenleitgeschwindigkeit zu erhöhen, hat sich im Nervensystem von Wirbeltieren Myelin um die Axone gebildet. Diese Isolationsschicht ermöglicht eine schnelle Erregungsleitung bei kleinem Axondurchmesser. Bisher war jedoch kein Molekül bekannt, das die Axondicke begrenzt. Forschende am Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin in Göttingen haben das Protein CMTM6 in den Myelin-bildenden Zellen von Mäusen genetisch abgeschaltet. Sie konnten daraufhin beobachten, dass diese Mäuse nicht nur dickere Axone entwickeln, sondern auch deutlich schneller auf sensorische Reize reagieren als ihre Artgenossen. Da in neurologischen Erkrankungen wie der Charcot-Marie-Tooth Krankheit reduzierte Axondurchmesser auftreten, könnte CMTM6 einen Angriffspunkt für Therapien darstellen.

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Axonen im Querschnitt. Mäuse, denen das Gen CMTM6 fehlt (rechts), besitzen dickere Axone als Tiere mit funktionierendem Gen (links).

Um vor einem Angreifer fliehen oder erfolgreich jagen zu können, müssen Tiere schnell auf äußere Reize reagieren. Die Nervenzellen leiten dabei entlang ihrer Fortsätze, den Axonen, elektrische Impulse weiter und lösen letztendlich die Kontraktion von Muskeln aus. Die Geschwindigkeit, mit der diese Reizweiterleitung geschieht, wird unter anderem vom Durchmesser der Axone beeinflusst. Sind die Axone dicker, setzen sie dem elektrischen Reiz weniger Widerstand entgegen, wodurch er schneller weitergeleitet werden kann. Wirbellose Tiere wie der Tintenfisch besitzen teilweise sehr große Axone, um hohe Übertragungsgeschwindigkeiten erreichen zu können.

Im Nervensystem von Wirbeltieren dagegen wurde im Laufe der Evolution die Reizweiterleitung auf andere Weise erhöht. Es bildete sich Myelin, das die Nervenfasern mit einer mehrlagigen, fettreichen Schicht umgibt und elektrisch isoliert. Durch Myelin ist die Erregungsleitung auch bei Axonen mit kleinem Durchmesser sehr schnell.

Das ist aus mehreren Gründen für die Wirbeltiere von Vorteil: Kleinere Axone verbrauchen nicht nur weniger Energie, sondern auch weniger Platz. Dadurch passen mehr Axone in eine Nervenbahn und erlauben so eine hohe Präzision bei der Übertragung von Reizen und die Entwicklung komplexer kognitiver Funktionen. Durch die Isolierung der Axone ist zudem die schnelle Reizweiterleitung auch über lange Strecken möglich, wie sie bei großen Tieren wie z.B. der Giraffe nötig ist. Die Myelin-bildenden Zellen im peripheren Nervensystem, Schwannzellen genannt, sind dicht um die Axone gewickelt. Ob und wie durch diese Interaktion der Durchmesser der Axone begrenzt wird, war bisher nicht bekannt.

Unbekanntes Protein in Schwannzellen

Hauke Werner und seine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin in Göttingen erforschen den Zusammenhang zwischen Myelin und der Funktionalität von Axonen. Zusammen mit Wissenschaftlern der Universität Göttingen, Universität Leipzig, Universität Mainz und dem Max-Planck-Institut für medizinische Forschung haben sie nun ein im Nervensystem bisher unbekanntes Protein der Schwannzellen untersucht, das in direktem Kontakt mit den Axonen steht.

In ihrer Studie schalteten die Forscher das Protein CMTM6 (chemokine-like factor-like MARVEL-transmembrane domain-containing family member-6) in den Schwannzellen von Mäusen genetisch aus. Dadurch entwickelten die Mäuse deutlich dickere Axone als ihre Artgenossen. Elektrophysiologische Untersuchungen der Nervenzellen zeigten, dass die Nervenleitgeschwindigkeit in diesen Mäusen erhöht ist. Andere Komponenten des Nervensystems waren unverändert, weshalb die Forscher die schnellere Reizübertragung auf die dickeren Axone zurückführen konnten.  

Schnellere Reaktionen

Auch im Verhalten der Mäuse beobachteten die Forscherinnen und Forscher diese schnelleren Reaktionen. „Setzten wir die Mäuse auf eine beheizte Platte, reagierten die Tiere mit den dickeren Axonen deutlich schneller auf den Hitzereiz“, erzählt Maria Eichel, Mitarbeiterin von Hauke Werner und Erstautorin der Studie. Die schnelle Reizweiterleitung stellte die Mäuse jedoch auch vor Probleme. Ließen die Wissenschaftler die Mäuse über ein Gitter laufen, rutschen die genetisch veränderten Mäuse öfter von den Stäben ab als ihre Artgenossen. „Die Tiere hatten wahrscheinlich Probleme, die sehr schnell weitergeleiteten Reize richtig zu koordinieren“, erklärt Eichel.

Durch das Ausschalten des Proteins CMTM6 haben die Forscher also keine Supermäuse erschaffen. Die Versuche mit den genetisch veränderten Tieren liefern jedoch eine mögliche Grundlage für die Therapie neuronaler Erkrankungen. In vielen dieser Erkrankungen ist die Reizweiterleitung gestört. Bei Patienten mit der Charcot-Marie-Tooth Krankheit sind Axone mit reduziertem Durchmesser ein Grund. „Das Protein CMTM6 könnte ein Ansatzpunkt für die Therapie solcher Krankheiten sein“, sagt Eichel. Im nächsten Schritt wollen die Forscher daher in Mäusen, die durch genetische Veränderungen bestimmte neurologische Erkrankungen entwickeln, zusätzlich das Protein CMTM6 ausschalten und untersuchen, ob sich das Krankheitsbild dadurch verbessert.

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