Purkinjezellen: rätselhaften Neuronen im Kleinhirn und im Herzen

Forscherinnen und Forscher der Universität Harvard haben herausgefunden, dass Purkinjezellen möglicherweise mit dem Auftreten von Autismus in Verbindung stehen. Das öffnet die Tür zu zukünftigen Behandlungen.
Purkinjezellen: rätselhaften Neuronen im Kleinhirn und im Herzen

Geschrieben von Redaktionsteam

Letzte Aktualisierung: 29. Juli 2022

Unter dem Mikroskop sehen Purkinjezellen wie kleine Weihnachtsbäume aus. Neurowissenschaftler beschreiben sie als ein herausforderndes Rätsel. Wir wissen, dass sie im Kleinhirn und auch im Herzen vorkommen und mit Autismus-Spektrum-Störungen in Verbindung stehen könnten.

Das neurologische Universum ist vergleichsweise winzig, doch genauso faszinierend wie der Kosmos.

Purkinjezellen zeichnen sich durch bis zu zehnmal mehr Verbindungen als jede andere Art von Neuronen aus. Durch ein Objektiv betrachtet, fallen diese Zellen nicht nur durch ihre auffällige Form und ihre Größe auf. Wissenschaftler erforschen ihre Strukturen bereits seit Jahren, denn im Gegensatz zu anderen inhibitorischen Neuronen sind sie in der Lage, die Zellfunktion auch außerhalb des Kleinhirns “abzuschalten”.

Ihre elektrophysiologische Aktivität ist einzigartig und eröffnet die Möglichkeit, neue Behandlungen und Ansätze für eine Vielzahl von Krankheiten zu entwickeln.

Das braucht allerdings Zeit. Forschungseinrichtungen wie die Universität Tokio führen seit Jahren Laborstudien und Beobachtungen an Zebrafischen durch, um die Purkinjezellen und ihren Zusammenhang mit bestimmten neurologischen Störungen zu verstehen.

“Das Gehirn nimmt die Realität nicht passiv auf, sondern konstruiert sie aktiv.”

David Eagleman

Purkinje-Zellen

Wissenswertes über Purkinjezellen

Es handelt sich um einen GABAergen Neuronentyp mit inhibitorischen Funktionen. Im Kleinhirn und im Herzmuskel finden sich jeweils rund 30 Millionen Purkinjezellen. Die Purkinjefasern erzeugen im Herzen elektrische Impulse, die dann weitergeleitet werden.

Der Neurologe Jan Evangelista Purkyně entdeckte diese nach ihm benannten Zellen 1832, als er an der Universität Breslau mit einem achromatischen Mikroskop forschte. Fünf Jahre später stellte er seine Ergebnisse der wissenschaftlichen Gemeinschaft im damaligen Böhmen, der heutigen Tschechischen Republik, vor.

Jahre später untersuchte Camillo Golgi an der Universität Pavia in Italien die Purkinjezellen, indem er sie mit Silbernitrat färbte, um mehr über ihre Funktionsweise zu erfahren. Der spanische Wissenschaftler  Santiago Ramón y Cajal führte ebenfalls Forschungen in diesem Bereich durch. Im Jahr 1906 erhielten beide Wissenschaftler den Nobelpreis für Medizin für ihren Beitrag zum Verständnis der Struktur des Nervensystems.

Wie sehen Purkinjezellen aus?

Wie bereits erwähnt, sind Purkinjezellen hemmende Neuronen. Sie sind groß und zeichnen sich durch eine hohe Anzahl von Verbindungen aus. Dr. Thomas Launey, Leiter der Abteilung für Molekularforschung am Riken-Institut in Japan, ist einer der führenden Experten für diese Gehirnstrukturen.

  • Wie er in mehreren Artikeln erklärt, sind sie baumförmig, mit stark verzweigtem Dendritenbaum und einem einzigen Axon, von dem aus sie elektrische Impulse senden.
  • Jeder Zellkörper hat einen Durchmesser von etwa achtzig Mikrometern. Sie haben auch ein sehr starkes Potenzial, erregende Neuronen im Rückenmark zu hemmen.
  • Diese Neuronen können Zellen, die sich außerhalb der Kleinhirnrinde befinden, deaktivieren.
  • Außerdem haben Purkinjezellen zwei erregende Eingänge: das Moosfaser-Parallelfaser-System (Axone von Neuronen im Hirnstammkern und Rückenmark sowie Axone der Körnerzellen) und das Kletterfaser-System (entspringt der unteren Olive in der Medulla oblongata).
Purkinjezellen

Die inhibitorischen Funktionen dieser Zellen

Purkinjezellen sind an motorischen Prozessen und auch am Lernen beteiligt. In den letzten Jahren haben zahlreiche Forschungen die Schlüsselrolle dieser Zellen bestätigt.

  • Die meisten Purkinjezellen setzen einen Neurotransmitter namens GABA (Gamma-Aminobuttersäure) frei, der hemmende Wirkungen auf andere Neuronen ausübt. Auf diese Weise werden die Nervenimpulse reduziert, um motorische Bewegungen regulieren und koordinieren zu können.
  • Die elektrophysiologische Regulierung erfolgt auf zwei Arten. Über einzelne Dendriten (oder Spikes), die eine elektrische Aktivität von 17 bis 150 Hz ausüben oder durch intensivere elektrische Impulsen, die ein Potenzial zwischen 1 und 3 Hz aufweisen.
  • Schließlich ist es interessant zu wissen, dass Purkinjezellen auch die Konzentration beim Lernen erleichtern.

Purkinjezellen und Autismus

Die Zeitschrift Molecular Psychiatry veröffentlichte Anfang 2018 eine interessante Studie, die an der Harvard Medical School durchgeführt wurde. Daraus geht hervor, dass eine Fehlfunktion der Purkinjezellen im Kleinhirn den Ausbruch von Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) auslösen könnte.

Der Ursprung dieser Veränderung könnte genetisch bedingt sein und als tuberöse Sklerose (TSC) bezeichnet werden. Es hat sich zum Beispiel gezeigt, dass viele Patienten mit Autismus eine sehr geringe Anzahl dieser Art von Neuronen haben. Dies führt zu Problemen bei der Verhaltensregulierung, den Bewegungen, der ständigen Reizüberflutung, die diese Menschen empfinden, sowie zu den daraus resultierenden sozialen Defiziten. Es fehlen allerdings weitere Studien in diesem Bereich.

Derzeit arbeiten Wissenschaftler an der Herstellung von Purkinjezellen aus Stammzellen. Außerdem entwickeln sie eine Art Protein, das Kindern helfen könnte, die Funktionalität und Produktion dieser wichtigen und entscheidenden Struktur zu reaktivieren. Wir hoffen, dass neue Forschungen Möglichkeiten bieten, Betroffenen zu helfen.

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  • Abrams, Zéev R., and Xiang Zhang. (2014)”Signals and Circuits in the Purkinje Neuron.” Frontiers in Neural Circuits 5 (2011): 1–10. Doi: 10.3389 / fncir.2011.00011
  • Maria Sundberg, Ivan Tochitsky, David E. Buchholz, Kellen Winden “Purkinje Cells Derived from TSC Patients Display Hypoexcitability and Synaptic Deficits Associated with Reduced FMRP Levels and Reversed by Rapamycin.” Molecular Psychiatry (Published online: February 15, 2018) DOI: 10.1038/s41380-018-0018-4
  • Herzfeld, D. J., Kojima, Y., Soetedjo, R., & Shadmehr, R. (2015). Encoding of action by the Purkinje cells of the cerebellum. Nature526(7573), 439–441. https://doi.org/10.1038/nature15693