E14 Neuroentwicklung

Thema

Die Entwicklung von Nervengewebe durchläuft fünf aufeinanderfolgende Prozesse: Zunächst die Neurogenese, also die Vermehrung und den Tod von Neuronen im Nervengewebe; dann die Zellmigration dieser Neuronen, gesteuert durch molekulare Gradienten im Nervengewebe; anschließend eine anfängliche Überproduktion von Synapsen, gefolgt von aktivitätsabhängigem Synapsenabbau; dann die fortschreitende Myelinisierung der Axone; und schließlich Phasen außergewöhnlich hoher Plastizität, sogenannte kritische Perioden, in denen das Nervengewebe besonders empfänglich für Erfahrungen ist.

Die Gesamtanzahl der Neuronen im Nervengewebe ergibt sich aus dem Gleichgewicht zweier gegenläufiger Prozesse: einer logistischen Vermehrung von Neuronen, die durch die Kapazität des Nervengewebes begrenzt ist und anfangs schnell verläuft, sich aber verlangsamt, sobald die Neuronenpopulation diese maximale Kapazität erreicht; und einem programmierten Zelltod, der die Neuronenpopulation kontinuierlich reduziert. Je näher die neuronale Gesamtpopulation der Kapazität des Nervengewebes kommt, desto langsamer wächst sie aufgrund logistischer Proliferation, während programmierter Zelltod die Anzahl der Neuronen weiter reduziert.

Die Zellmigration von Neuronen im Nervengewebe lässt sich näherungsweise durch eine Reaktions-Diffusions-Gleichung beschreiben. Derselbe Gleichungstyp wird auch zur Beschreibung der Ausbreitung elektrischer Entladungen in einem anderen Modell verwendet, jedoch hier durch einen anziehenden chemischen Gradienten beeinflusst: Migrierende Neuronen im Nervengewebe bewegen sich bevorzugt in Richtung der Bereiche mit dem stärksten Gradienten. Die synaptische Dichte des Nervengewebes folgt einem Muster aus Synapsenüberproduktion und anschließendem Synapsenabbau, das von der Korrelation zwischen prä- und postsynaptischer Aktivität an jeder Synapse im Nervengewebe abhängt. Diese Reduktion folgt einer Regel, die formal mit der synaptischen Plastizität verwandt ist, welche in einem anderen Modell für das effektive Gewicht der Synapse beschrieben wurde. Sie ist jedoch in die entgegengesetzte Richtung gerichtet, da diese Reduktion des Nervengewebes nicht die am stärksten korrelierten Synapsen stärkt, sondern gezielt die am schwächsten korrelierten Synapsen eliminiert.

Die Myelinisierung des Nervengewebes wird als sigmoide Wachstumskurve modelliert: Sie nimmt in der frühen Entwicklung langsam zu, dann in einer Zwischenphase rasch und flacht schließlich ab, wenn das Nervengewebe das Erwachsenenalter erreicht.

Das kritische Plastizitätsfenster des Nervengewebes hingegen wird als glockenförmiges Zeitprofil mit einem Maximum im entsprechenden Alter modelliert: Die Plastizität des Nervengewebes ist in der frühen Lebensphase gering, erreicht in diesem Alter ein Maximum und nimmt dann mit fortschreitender Reifung des Nervengewebes wieder ab. Zusammengenommen ist es dieses Nervengewebe – mit seiner neuronalen Nettopopulation, Zellmigration, synaptischen Dichte, Myelinisierung und seinem kritischen Plastizitätsfenster –, das in dieser Abfolge den gesamten Entwicklungsprozess des Nervensystems durchläuft.

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