Studie zeigt zwei neuronale Systeme in der Gehirnentwicklung

Das Gehirn ist ein unermesslich komplexes Organ, und wir beginnen erst langsam zu verstehen, wie es überhaupt entsteht.

Ein heute in Nature Neuroscience veröffentlichter Fachartikel eines von Stanford geleiteten Forschungsteams zeigt, dass die Gehirne von Menschen und anderen Tieren tatsächlich aus zwei zusammenarbeitenden neuronalen Systemen bestehen. Diese beginnen sich bereits in den frühesten Momenten eines Embryos parallel zu entwickeln.

Die Studie deutet darauf hin, dass die unterschiedlichen Hirnregionen aus verschiedenen Arten embryonaler Zellen hervorgehen, die als Vorläuferzellen bezeichnet werden.

Die Forschenden stellten fest, dass ein Typ von Vorläuferzellen die Entwicklung von Vorderhirn und Mittelhirn anstößt, während ein anderer einen völlig anderen Entwicklungsweg einschlägt und das Hinterhirn bildet.

Zwei neuronale Systeme in der Gehirnentwicklung

Zu ihrer ersten Entdeckung gelangten die Wissenschafterinnen und Wissenschafter, indem sie untersuchten, wie sich Mäusegehirne ab dem sehr frühen embryonalen Stadium der Gastrulation entwickeln.

Anschließend bestätigten sie, dass auch menschliche pluripotente Stammzellen – abhängig von den Signalen, die sie erhalten – denselben Entwicklungswegen folgen.

Als wissenschaftliche Premiere gelang es dem Team, menschliche Stammzellen zur Entwicklung in motorische Neuronen des Hinterhirns anzuregen. Diese wiesen sowohl elektrische Aktivität als auch für diese Zellen typische Proteine auf.

Die Vorläuferzellen, aus denen die Regionen von Vorder- und Mittelhirn entstehen, erzeugen mithilfe eines Gens namens Otx2 ein bestimmtes Protein. Die Zellen, die später das Hinterhirn bilden, exprimieren hingegen ein Gen namens Gbx2.

Beide Arten von Vorläuferzellen bilden die Grundlage für das vollständige Organ Gehirn, ihre Aufgaben lassen sich jedoch nicht gegeneinander austauschen.

Auch die Verpackung ihrer DNA unterscheidet sich grundlegend: Sie besitzen völlig unterschiedliche Chromatin-„Landschaften“.

Das könnte erklären, weshalb Versuche, die Zellen des Hinterhirns im Labor zu züchten, häufig gescheitert sind: Möglicherweise wurden die falschen Ausgangszellen verwendet – nämlich solche, die dazu bestimmt waren, Vorderhirngewebe zu werden.

„In der Stammzellbiologie sind Menschen immer darauf fixiert, den endgültigen Zelltyp zu erzeugen, etwa ein Neuron … Doch es ist wichtig, bei den frühesten Stadien der Embryonalentwicklung anzusetzen“, sagt der Entwicklungsbiologe Rayyan Jokhai, der den Artikel gemeinsam mit seiner Kollegin Carolyn Dundes als Erstautor verfasst hat.

„Unsere genaue Aufmerksamkeit für diesen frühen Zeitpunkt ermöglichte es uns, diese grundlegende Aufspaltung in der Gehirnentwicklung zu entdecken“, ergänzt Jokhai.

Dieser Teil der Forschung dürfte Studien zu Erkrankungen beschleunigen, die den Hirnstamm betreffen und damit die grundlegendsten Funktionen unseres Körpers beeinträchtigen.

Evolutionäre Hinweise aus Embryonen

Neben den Folgen für die medizinische Forschung wirft die Entdeckung auch zahlreiche Fragen zur Evolutionsgeschichte tierischer Gehirne auf.

„Unsere Forschung legt nahe, dass die Evolution zwei bereits vorhandene neuronale Systeme genommen und räumlich zusammengefügt hat“, sagt der Entwicklungsbiologe Kyle Loh, in dessen Labor die Forschung durchgeführt wurde.

„Das Gehirn als einzelnes Organ zu haben, wäre vermutlich effizienter, doch wir sind auf diese ursprüngliche Weise angewiesen, das Gehirn aus zwei getrennten Teilen zu bilden.“

„Die Ergebnisse haben mich überrascht, weil das Wort ,Gehirn‘ ein zusammenhängendes Organ nahelegt, das wahrscheinlich einen einheitlichen Ursprung hat“, sagt Jokhai.

„Doch schon vor 500 Millionen Jahren gab es diese getrennten neuronalen Systeme, die heute beinahe wie eines funktionieren, was sehr faszinierend ist.“

Diese Aussagen benötigen etwas zusätzlichen Kontext: Loh und Jokhai meinen nicht, dass die neuronalen Systeme anfangs zwangsläufig zwei getrennte Organe waren.

Sie beschreiben vielmehr eine evolutionäre Schlussfolgerung, die darauf beruht, wie sich die Gehirne heutiger Tiere während der Gastrulation entwickeln.

Die Forschenden fanden dieses zusammengesetzte Gehirnsystem – bei dem die zwei Typen von Vorläuferzellen zusammenwirken, um ein vollständiges Organ zu bilden – im Gastrulationsstadium moderner Embryonen von Maus, Makak, Huhn, Zebrafisch und Eichelwurm.

Alle diese Tiere haben im Stammbaum des Lebens einen gemeinsamen Vorfahren. Wissenschafter schätzen, dass sie sich vor etwa 550 Millionen Jahren von diesem einzelnen Knotenpunkt abspalteten.

Die Studie legt nahe, dass tierische Gehirne – einschließlich unseres eigenen – diesem zweiteiligen Bauplan seit Hunderten Millionen Jahren folgen.

Die bisherigen Belege können jedoch nicht klären, ob sich diese beiden Teile tatsächlich unabhängig voneinander entwickelten; das ist eine Frage für künftige Forschung.

Die Forschung wurde in Nature Neuroscience veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Peter Dockrill auf Fakten geprüft und von Peter Dockrill redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prüfprozess, aber auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.