Wie sich Nervenzellen im Gehirn während der Entwicklung verbinden

ETH-Forschende haben ein Modell entwickelt, das erklärt, wie sich Nervenzellen im Gehirn während der Entwicklung verbinden. Ihr Modell zeigt, dass der entscheidende Faktor die fortschreitende Zellteilung ist. Dieser Prozess führt auf natürliche Weise zur Bildung von molekularen Adressen, die Neuronen die Navigation ermöglichen.

Das menschliche Gehirn ist das mit Abstand komplexeste Organ, das die Natur je hervorgebracht hat: 100 Milliarden Nervenzellen, jede über mehrere Kontaktstellen mit anderen Zellen verbunden, sorgen dafür, dass unsere Fähigkeiten zu einer bemerkenswerten Gehirnleistung gehören. Doch wie dieses außergewöhnliche Organ aus einem zunächst unstrukturierten Cluster embryonaler Zellen entsteht, bleibt unklar.

Kein konkreter Bauplan

In den letzten Jahren wurden enorme Summen an Forschungsgeldern in die genaue Vermessung der Struktur des voll ausgebildeten Gehirns gesteckt. Die wissenschaftliche Gemeinschaft hofft, dass die umfassende Kartierung von Neuronen und ihren Verbindungen – zusammenfassend als Konnektom bekannt – zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise des Gehirns führen wird.

Die ergänzende grundlegende Frage, wie sich das Gehirn aus begrenzter genetischer Information bildet, bleibt jedoch unbeantwortet. Um das Konnektom zu beschreiben, müssten Gene milliardenfach mehr Informationen enthalten, als sie tatsächlich haben. Wie kommt es also, dass Menschen und Tiere mit einem komplexen, weitgehend vorstrukturierten Gehirn geboren werden, das ihnen schon nach der Geburt schnelle Lernfortschritte ermöglicht?

Anleitung zum Anschließen

Die Antwort auf dieses Rätsel ist überraschend einfach, sagen Stan Kerstjens, Doktorand am Institut für Neuroinformatik der ETH Zürich und der Universität Zürich, und seine beiden Betreuer Richard Hahnloser, Professor für Systemneurowissenschaften, und Rodney Douglas, emeritierter Professor für Neuroinformatik .

„Klar ist, dass die Anweisungen zur Verschaltung des Gehirns genetisch kodiert sein müssen – sonst würden die Gehirne der Menschen nicht alle eine ähnliche Struktur entwickeln“, sagt Kerstjens. „Verschlüsselt wird aber nicht das detaillierte Konnektom, sondern ein einzelnes kompaktes Suchverfahren. Dieses Verfahren können dann die Axone nutzen, die langen Fasern, die den Kontakt zu anderen Zellen herstellen. Das Netzwerk wird dann durch suchende Axone aufgebaut Zellen, die genetische Verwandte ihres eigenen Neurons sind.“

Räumliche und genetische Struktur

Dieser neuartige Mechanismus wird in einem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel beschrieben PLOS Computational Biology. Die Forscher haben ein Modell entwickelt, mit dem sie die Entwicklung des Gehirns einer Maus im Embryonal- und Erwachsenenstadium simulieren können. Aus menschlicher Sicht entspricht dies dem Reifegrad eines sechsjährigen Kindes.

„Im Grunde ist es ein Wachstumsmodell für Gewebe“, erklärt Kerstjens. Das Modell beginnt mit einer einzelnen Zelle. Wenn neue Neuronen entstehen, führt jede Zellteilung zu strukturierten Veränderungen in der Genexpression. Dieser Mechanismus stellt sicher, dass jede Tochterzelle eine ähnliche, aber nicht identische Genexpression wie ihre Elternzelle hat, und dass Zellen mit ähnlicher Genexpression nahe beieinander gruppiert werden. Durch die entwicklungsbedingte Organisation der Zellen werden sie wie Punkte auf einer Landkarte markiert, die die Biologie des Gehirns zur Axonnavigation nutzen kann.

Systematische Abfolge von Zellen

Während der Embryonalentwicklung etabliert dieser Prozess eine Hierarchie von genetischen Markern in verschiedenen Regionen des Gehirns, die jeweils durch das genetische Muster ihrer gemeinsamen Vorfahren gekennzeichnet sind. Das Navigieren in dem Raum, der von dieser kartenähnlichen Hierarchie beschrieben wird, beinhaltet das Verfolgen einer systematischen Abfolge von genetischen Profilen, die sich mit jeder neuen Zellgeneration entwickelt haben.

Hier analysierten die Forscher Genexpressionsdaten im Gehirn von Mäusen, die vom Allen Institute for Brain Science in Seattle veröffentlicht wurden. „Wir haben die Labordaten mit unseren Simulationen verglichen und festgestellt, dass sie weitgehend übereinstimmen. Wir sehen also, dass die Expression der Gene das Gehirn tatsächlich in verschiedene, aber verwandte Regionen unterteilt“, erklärt Kerstjens.

Suche nach verwandten Zellen

In der zweiten Stufe des Modells verbinden sich die Zellen mit anderen Zellen. „Hier geben wir ihnen nur grundlegende Anweisungen, mit welchen molekularen Signalen die Axone sie auf ihrem Weg leiten sollen“, so Kerstjens weiter. „Im Wesentlichen haben wir jedem gesagt, er solle die genetischen Muster verfolgen, die seine eigene individuelle Entwicklung bestimmt haben. Es war dann an den Axonen selbst, den molekularen Anweisungen zu den Adressen ihrer Verwandten zu folgen.“

Die Forscher konnten zeigen, dass dieser relativ einfache Mechanismus Axone über große Entfernungen zu bestimmten Zellen führen kann, wodurch ein Connectom entsteht, das dem eines echten Mausgehirns sehr ähnlich ist. „Die meisten Zellen verbinden sich mit anderen, die sich in der Nähe befinden, während einige es bis in sehr entfernte Regionen schaffen. Dadurch entstehen unterschiedliche Bereiche des Gehirns, die jeweils engmaschige Netzwerke enthalten und gleichzeitig mit anderen Bereichen verbunden sind.“ “, sagen die Forscher.

Dennoch erklärt dieses einfache Modell die Kartierung eines echten menschlichen Gehirns nicht vollständig. „Aber das war nicht das Ziel unserer Arbeit“, sagt Kerstjens. „Wir wollen das Prinzip verstehen, wie ein lernfähiges Organ entsteht. Und unsere bisherige Arbeit zeigt uns, in welche Richtung die zukünftige Forschung gehen kann.“