Oligodendrozyten: Tankstellen der Nervenbahnen

eGFP-fluoreszente Oligodendrozyten im Corpus Callosum, nachgefärbt mit CNPase und GFAP für Astrozyten. Image Source / © Nadine Richter / AG Kettenmann

Author: Ragnar Vogt

Sie wickeln sich um Fortsätze von Nervenzellen herum und ermöglichen so die hohen Denkgeschwindigkeiten des Gehirns: Oligodendrozyten. Neue Forschung zeigt, dass diese Gliazellen auch wichtig sind für die Energieversorgung der Nervenbahnen.

Scientific support: Prof. Dr. Mikael Simons

Published: 27.10.2014

Difficulty: intermediate

Das Wichtigste in Kürze

Zwischen den Myelinscheiden sind Lücken in der Isolierung, Ranvier’sche Schnürringe genannt. Diese Lücken ermöglichen hohe Leitungsgeschwindigkeiten: Das Signal kann von Schnürring zu Schnürring springen, beim Menschen mit 720 km/h.
Bei der Multiplen Sklerose greift das Immunsystem eines Patienten die Myelinscheiden an. Die Oligodendrozyten können zwar zunächst neue Myelinscheiden bilden, im Laufe der Krankheit gelingt ihnen das immer schlechter. Daher kommen die verschiedenen Symptome von Sehstörungen bis Spastiken.
Neuere Forschung zeigt, dass Oligodendrozyten noch eine weitere Aufgabe im Gehirn haben: Sie versorgen die Nervenzellfortsätze, die so genannten Axone, gezielt mit Energie.

Wir Menschen können im Kopf einen Roman formulieren, eine Sonate komponieren oder einen Wolkenkratzer entwerfen. Verantwortlich für diese unglaublichen Denkleistungen ist ein Netzwerk aus rund 100 Milliarden Nervenzellen, den Neuronen. Doch es gibt eine weitere Sorte Zellen im Gehirn, ohne die sich das menschliche Gehirn niemals zu dem hätte entwickeln können, was es heute ist: die Oligodendrozyten. Sie gehören zu den Gliazellen, also den Helferzellen im Gehirn. Würden sie fehlen, dann würden wir wahrscheinlich nicht klüger sein als ein Tintenfisch – diese Tiere besitzen nämlich, wie alle Wirbellosen, keine Oligodendrozyten.

Was diese Zellen so wichtig macht, zeigt ein Vergleich aus der Elektronik: Kabel müssen isoliert werden, damit es keine Kurzschlüsse gibt. Dafür ist das leitende Metall des Kabels mit Plastik oder Gummi ummantelt. Eine Nervenfaser im Gehirn kann man sich so ähnlich wie ein Kabel vorstellen: Auch sie leitet elektrische Signale. Damit sie gut arbeiten kann, braucht auch die Nervenbahn eine Isolationsschicht. Dafür sind die Oligodendrozyten zuständig.

Der Prozess, in dem diese Zellen die Isolationsschichten um die Nervenzellfortsätze bilden, beginnt bereits im Mutterleib und ist größtenteils abgeschlossen, wenn ein Kind zwei Jahre alt ist. Nervenzellfortsätze sind bis zu einem Meter lange, sehr dünne Ausläufer der Neurone; sie werden auch Axone genannt. Ein Oligodendrozyt bildet eine Isolationsschicht, indem es einen Teil seiner Zelle ausstülpt und hin zu einem Axon streckt und sich mehrmals um dieses herumlegt – etwa so wie ein Mullverband um einen Arm gewickelt wird. Myelinscheide ist der Fachbegriff für einen solchen Abschnitt einer Isolationsschicht. Sie besteht zum Großteil aus Fetten, die gut isolieren können. Myelin sieht weiß aus – an Orten, wo besonders viele isolierte Axone im Gehirn vorhanden sind, erscheint das gesamte Gewebe weiß. Dort spricht man von weißer Substanz, im Gegensatz zu der grauen Substanz, in der vor allem die Zellkörper der Neuronen vorhanden sind. Ein einzelner Oligodendrozyt kann bis zu 40 Myelinscheiden an verschiedenen Axonen bilden.

Effektvolle Lücken in der Isolierung

Doch es ist nicht allein die Isolierung, die die Oligodendrozyten so besonders macht. Durch einen Trick sorgen sie nämlich auch für die hohen Leitungsgeschwindigkeiten, die unser schnelles Denken ermöglichen. Zwischen den einzelnen Myelinscheiden sind ganz kurze Abschnitte, in denen ein Axon keine Isolierung besitzt: Sie sind im Elektronenmikroskop deutlich als Einschnürungen zu sehen und werden Ranvier’sche Schnürringe genannt. Und diese Ringe ermöglichen den Trick: So muss ein elektrisches Signal nicht die gesamte Strecke des langen Axons durchlaufen, sondern es kann vielmehr von Schnürring zu Schnürring springen. Das ermöglicht eine Leitungsgeschwindigkeit von 200 Metern pro Sekunde – das entspricht 720 km/h.

Tintenfische besitzen – wie schon erwähnt – keine mit den Oligodendrozyten vergleichbaren Zellen. Manche ihrer Nervenfasern erreichen zwar auch hohe Leitungsgeschwindigkeiten. Um diese auch ohne Myelinscheiden zu erreichen, müssen die Axone sehr dick sein, nämlich etwa einen Millimeter im Querschnitt. Hätten wir so gewaltige Axone wie der Tintenfisch, dann wäre allein unser Sehnerv dick wie ein Baumstamm. Und das zeigt, wie wesentlich die Oligodendrozyten für das menschliche Gehirn sind: Nur mit ihnen sind auf kleinstem Raum in unserem Gehirn die hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten möglich.

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Angegriffene Isolierung

Wie wichtig die Myelinscheiden sind, zeigt sich, wenn sie nicht mehr richtig funktionieren. Das ist bei verschiedenen Krankheiten der Fall, vor allem bei der Multiplen Sklerose (MS). Das ist eine Autoimmunerkrankung – sprich: Das körpereigene Immunsystem ist falsch programmiert und greift körpereigene Strukturen an, wie es sonst Krankheitserreger bekämpft. Bei MS sind es ausgerechnet die Myelinscheiden, die von Immunzellen und Antikörpern attackiert und nach und nach zerstört werden. Da unterschiedliche Bereiche des Nervensystems betroffen sein können, gibt es viele verschiedene Symptome. Oft erleiden die Patienten Sehstörungen; sie müssen mit geschwächten oder gelähmten Muskeln oder mit Spastiken zurechtkommen.

Bei den meisten Patienten trete die Multiple Sklerose anfangs in Schüben auf, sagt Wolfgang Brück, Neuropathologe an der Universität Göttingen. „Dabei greift das Immunsystem mit einer Entzündungsreaktion vor allem die Myelinscheiden an“ (siehe auch Ein Immunsystem fürs Gehirn). Dadurch liegen Axone frei: ohne Schutz und Isolierung. Ist der Schub abgeklungen, dann signalisiert die Umgebung den Oligodendrozyten, dass neue Myelinscheiden gebildet werden müssen. So können zumindest manche Axone ihre Isolierung zurückbekommen und die Symptome klingen im besten Fall ab.

Wenn die Entzündung später chronisch wird und es keine Schübe mehr gibt, dann verschlechtert sich die Gesundheit der Patienten kontinuierlich. „Das Tückische in dieser Phase ist, dass auch die Oligodendrozyten zerstört werden“, sagt Wolfgang Brück. „So können die Myelinscheiden nicht mehr nachgebildet werden.“ Im Hirn gibt es auch Oligodendrozyten-Vorläuferzellen. „Doch leider schaffen sie es meist nicht, sich so schnell weiterzuentwickeln, dass sie noch rechtzeitig Myelinscheiden bilden können.“ Es ist ein Wettlauf gegen die Zeit: Axone ohne Schutzschicht gehen kaputt, manche binnen Stunden, andere binnen Tagen. Und eine einmal zerstörte Nervenfaser kann nicht ersetzt werden.

„Tankstelle“ der Daten-Autobahn

Die bisher beschriebene Funktion der Oligodendrozyten, die Nervenbahnen zu isolieren und die Erregungsleitung zu beschleunigen, ist seit Jahrzehnten bekanntes Lehrbuch-Wissen. In den vergangenen Jahren der Forschung wurde aber deutlich, dass diese Zellen noch eine weitere wichtige Funktion besitzen. Einen Hinweis darauf gab die bereits beschriebene MS-Krankheitsgeschichte: Das Absterben der Axone, wenn das Myelin fehlt. Warum können die Nervenfasern nicht ohne diese Schutzschicht überleben? Für die Antwort muss man sich vor Augen halten, wie solch ein Neuron aufgebaut ist: Sein Zellkörper ist sehr klein, etwa 15 Mikrometer im Durchmesser, und von ihm geht ein Axon aus, das bis zu einen Meter, also eine Million Mikrometer, lang ist. Wie kann so eine kleine Zelle einen so langen Ausläufer versorgen? Zumal die Erregungsleitung sehr energieaufwändig ist. Die Antwort ist: Sie kann es nicht! Die Energie muss von anderer Stelle kommen – und hier kommen die Oligodendrozyten ins Spiel. Sie nehmen aus den Blutgefäßen energiereiche Stoffe, vor allem Glucose, auf. Diese verarbeiten sie in die leichter verdauliche Milchsäure und geben diese wiederum über die Myelinscheiden direkt an die Axone ab.

Der Göttinger Mediziner Klaus-Armin Nave hat diese Versorgungsfunktion der Oligodendrozyten entdeckt (hier im Interview). Er nennt diese Zellen deshalb auch gern „Tankstellen der Daten-Autobahnen“ des Nervensystems. Um in diesem Bild zu bleiben: Das Team von Klaus-Armin Nave hat sogar mittlerweile den Tankstutzen entdeckt, mit dem die Milchsäure in die Axone getankt wird. Es sind Kanalmoleküle, so genannte Monocarboxylat-Transporter, die diesen energiereichen Stoff gezielt durch die Zellhüllen, also die Membranen, hindurch transportieren.

Ziel der Hirnforschung ist es unter anderem zu begreifen, wie menschliche Gedanken, die so viel komplexer als die eines Tintenfischs sind, entstehen. Dabei konzentrieren sich die meisten Wissenschaftler berechtigterweise auf das Zusammenspiel der Netzwerke der Nervenzellen. Doch man sollte auch all die Helferzellen im Gehirn nicht außer Acht lassen. Denn nur so kann man begreifen, wie das Organ Gehirn in seiner Gesamtheit funktioniert. Die Helferzellen, auch Glia genannt, sind immer auch für eine Überraschung gut (Gliazellen: Unterschätzter Klebstoff). Das haben etwa Oligodendrozyten im Jahr 2010 mit ihrer Tankstellen-Funktion gezeigt.

zum Weiterlesen:

Nave KM: Neu entdeckte Funktion von Oligodendrozyten im Zentralen Nervensystem. Forschungsbericht 2014. Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin (zum Text).
Nave KM: Myelination and support of axonal integrity by glia. Review, Nature. 2010 Nov; 468: 244 – 252 (zum Abstract).
Baumann N, Pham-Dinh D: Biology of Oligodendrocyte and Myelin in the Mammalian Central Nervous System, Physiological Reviews. 2001 Apr; 81(2): 871 – 927 (zum Text).