Das menschliche Gehirn sind zwei Organe

Seit Jahrhunderten gilt das Gehirn als ein einziges, einheitliches Organ. Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung von Stanford Medicine (USA) zeigen jedoch, dass das Gehirn aus zwei unterschiedlichen Organen besteht, die sich über Hunderte von Millionen von Jahren hinweg unabhängig voneinander entwickelt haben.

Jahrzehntelang vertraten Forschende die Theorie, dass das Gehirn während der frühen Embryonanentwicklung aus einer einzigen Vorläuferzelle entsteht. Dieses Modell legt nahe, dass alle Teile des Gehirns einen gemeinsamen entwicklungsbiologischen Ursprung haben.

Die neuen Forschungsergebnisse zeigen allerdings, dass das menschliche Gehirn aus zwei ursprünglich getrennten Nervensystemen besteht, die nachträglich miteinander verbunden wurden – einem primitiveren Teil, der unseren Herzschlag, unsere Atmung und andere Funktionen reguliert, und einem anderen, der Menschen zu Poesie, Mathematik und dem Nachdenken über unsere eigenen Ursprünge befähigt. Die Ergebnisse wurden in „Nature Neuroscience“ veröffentlicht.

Diese Entdeckung könnte den Forschenden zufolge auch erklären, warum Wissenschaftler seit Jahrzehnten Schwierigkeiten haben, bestimmte Arten von Gehirnzellen im Labor zu züchten – und sie eröffnet neue Wege für die Erforschung von Erkrankungen, die den Hirnstamm betreffen, wie beispielsweise die Spinale Muskelatrophie (SMA) und die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS).

„Wir haben erstmals gezeigt, dass der vordere Teil des Gehirns aus einer völlig anderen Vorläuferzelle entsteht als der hintere Teil“, erkärte Kyle Loh, PhD, außerordentlicher Professor für Entwicklungsbiologie. „Unsere Entdeckung bedeutet, dass wir nun Neuronen aus dem hinteren Teil des Gehirns, dem Hinterhirn, in einer Petrischale züchten und ihre Funktionen untersuchen können.“

Zwei getrennte Entwickungspfade

Unter der Leitung von Loh hatten Carolyn Dundes und Rayyan Jokhai die frühesten Phasen der Embryonalentwicklung, der Gastrulation, untersucht. Die Doktoranden entdeckten, dass das Hinterhirn einem separaten Entwicklungsweg folgt, der parallel zur Bildung von Vorder- und Mittelhirn verläuft – und nicht von diesem abzweigt.

An Mäuseembryonen identifizierten die Forschenden zwei verschiedene Gehirnvorläuferzellen. Die eine, die ein Gen namens Otx2 exprimiert, ist dazu bestimmt, das Vorder- und Mittelhirn zu bilden. Die andere, die ein Gen namens Gbx2 exprimiert, bildet das Hinterhirn. Die Wissenschaftler konnten zudem zeigen, dass sich diese beiden Zellpopulationen niemals überschneiden. Sie schließen sich bereits in den frühesten Entwicklungsstadien gegenseitig aus.

Anschließend untersuchte das Team das Chromatin in diesen Zellen und fanden im vorderen neuralen Ektoderm (das zukünftige Vorder- und Mittelhirn) und im hinteren neuralen Ektoderm (das zukünftige Hinterhirn) grundlegend unterschiedliche Chromatin-Konfigurationen. Diese Unterschiede legten im Wesentlichen das jeweilige Schicksal jeder Vorläuferzelle fest.

„Frühere Versuche, Neuronen des Hinterhirns zu erzeugen, zielten wahrscheinlich darauf ab, Vorläuferzellen des Vorder- und Mittelhirns in Hinterhirnzellen umzuwandeln, was sich unseren Studienergebnissen zufolge als unmöglich erweist“, erklärte Jokhai.

Hoffnung für die Erforschung von ALS und SMA

Damit haben die Forschenden wahrscheinlich auch die Erklärung dafür gefunden, warum es jahrzehntelang nicht gelungen ist, menschliche Hinterhirnneuronen im Labor zu züchten und daran Motoneuronerkrankungen wie die Spinale Muskelatrophie (SMA) und die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) zu erforschen.

Mit dem neuen Wissen ausgestattet gelang es Dundes und Jokhai hingegen, menschliche pluripotente Stammzellen im Labor dazu zu bringen, sich zu funktionsfähigen Motoneuronen zu entwickeln. Diese im Labor gezüchteten Neuronen wiesen alle charakteristischen Merkmale echter Hinterhirnzellen auf: Sie zeigten Aktionspotenziale und produzierten Proteine, die die Segmente des Hinterhirns kennzeichnen, welche die Gesichts- und Schluckmuskulatur steuern.

„Nun verfügen wir über ein Modell, um diese verheerenden Erkrankungen besser zu verstehen und auf regenerative Therapien für sie hinzuarbeiten“, erklärte Jokhai. „Dies ist ein sehr spannendes neues Forschungsgebiet in der Hirnforschung.“

Ein einheitliches Organ wäre wahrscheinlich (noch) effizienter

Schließlich blickten die Forscher auf 550 Millionen Jahre Evolutionsgeschichte zurück. Sie fanden dasselbe Gehirnmuster mit zwei Ursprüngen bei Hühnern, Zebrafischen und Eichelwürmern, winzigen Lebewesen auf dem Meeresboden, die einen entfernten gemeinsamen Vorfahren mit dem Menschen teilen. Quallen, die sich vor etwa 600 bis 700 Millionen Jahren vom Menschen abgespalten haben, verfügen über zwei Nervensysteme an verschiedenen Enden ihres Körpers.

„Unsere Forschung legt nahe, dass die Evolution zwei bereits vorhandene Nervensysteme genommen und sie räumlich zusammengeführt hat“, erklärte Loh. „Ein Gehirn als ein einziges Organ wäre wahrscheinlich effizienter, dennoch nutzen wir Menschen die ursprüngliche Art, das Gehirn aus zwei getrennten Teilen zu bilden.“ (ej/BIEMANN)