Die Bildung von Nervenzellen (Neurogenese) ist bei Säugetieren überwiegend auf die frühe Kindheit beschränkt und findet im Erwachsenenalter nur noch in wenigen Regionen des Vorderhirns statt. Eine solche Ausnahme sind Riechnerven, die über mehrere Zwischenstadien aus Stammzellen entstehen.

Doch mit zunehmendem Alter lässt das Riechvermögen nach, weil die Produktion dieser Nervenzellen weniger wird. Warum das so ist, hat ein interdisziplinäres Forschungsteam vom Helmholtz Zentrum München und der Universitätsmedizin Mainz im Fachjournal "Cell Reports" untersucht. Für die Analyse verfolgten die Forscherinnen und Forscher die Stammzellentwicklung im Gehirn von Mäusen mit sogenannten Konfetti-Reportern und werteten die umfangreichen Daten anschließend mit intelligenten Algorithmen aus.

"Mit sogenannten Konfetti-Reportern bringen wir einzelne Stammzellen und alle ihre Nachkommen – sogenannte Klone – dazu, jeweils in einer bestimmten Farbe zu leuchten", beschreibt Filippo Calzolari von der Uni Mainz das Vorgehen. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler die Entwicklung einzelner Klone verfolgen und als verschiedenfarbige Punkte unterscheiden, was dem Verfahren seinen Namen verleiht. "Durch den Vergleich von jungen und älteren Mäusen wollten wir im nächsten Schritt herausfinden, welchen Beitrag einzelne Stammzellen und Zwischenstufen zur Neurogenese der fertigen Riechzellen leisten", so Calzolari weiter.

Keine Erneuerung im Alter

Allerdings ist die systematische Auswertung der Bilder für den Menschen kaum zu schaffen: die vorliegenden Daten waren extrem heterogen und ein Vergleich von jungen und alten Gehirnen schwierig. Hier kam die Expertise von Carsten Marr – Arbeitsgruppenleiter am Institute of Computational Biology (ICB) des Helmholtz Zentrums München – und seinem Team zum Tragen. Sie sind Spezialisten für die Quantifizierung von Einzelzelldynamiken, also der Frage: Welche und wie viele Zellen eines großen Verbandes entwickeln sich wie weiter? Dafür bedienen sich die Forscher künstlicher Intelligenz, entwerfen mathematische Modelle und programmieren Algorithmen, die die Bilddaten für sie auswerten können.

"Wir haben die Konfetti-Messungen mit mehreren mathematischen Modellen der Neurogenese verglichen", erklärt die Mathematikerin Lisa Bast. "Auf diese Weise konnten wir feststellen, dass vor allem in bestimmten Zwischenstadien – den sogenannten transit amplifying progenitors – die Fähigkeit zur Selbsterneuerung im Alter abnimmt."

Zudem zeigt die Analyse, dass in älteren Mäusen die sogenannte asymmetrische Zellteilung in Stammzellen sowie deren Ruhephasen zunahm. "Das bedeutet, dass sich im Alter weniger Zellen zu Riechzellen weiterentwickeln und inaktiv im Stammzell-Pool verbleiben, wodurch die Produktion zum Erliegen kommt", so der Stammzellforscher Jovica Ninkovic. Die Arbeit ist die erste, bei der Wissenschaftler das Verhalten von Nervenstammzellen im lebenden Säugergehirn mit einem mathematischen Modell quantitativ untersuchen konnten. (red, 22.12.2018)