Was macht uns zu Menschen? Laut Neurobiologen ist es unser Neocortex. Diese äußere Schicht des Gehirns ist reich an Neuronen und ermöglicht es uns, abstrakt zu denken, Kunst zu schaffen und komplexe Sprachen zu sprechen. Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Mareike Albert am Zentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) der Technischen Universität Dresden hat einen neuen Faktor identifiziert, der möglicherweise zur Neokortexexpansion beim Menschen beigetragen hat. Die Studie wurde im veröffentlicht EMBO-Journal.
Der Neocortex ist die charakteristische gefaltete Außenschicht des Gehirns, die einer Walnuss ähnelt. Es ist für höhere kognitive Funktionen verantwortlich. „Der Neokortex ist der zuletzt entwickelte Teil des Gehirns“, sagt Dr. Albert, Forschungsgruppenleiter am CRTD. „Alle Säugetiere haben einen Neocortex, aber er variiert in Größe und Komplexität. Der Neocortex von Menschen und Primaten hat Falten, während beispielsweise Mäuse einen völlig glatten Neocortex haben, ohne Falten.“
Die für das menschliche Gehirn charakteristischen Falten vergrößern die Oberfläche des Neocortex. Der menschliche Neocortex verfügt über eine größere Anzahl von Neuronen, die komplexe kognitive Funktionen unterstützen.
Die molekularen Mechanismen, die die Evolution des Neokortex vorantreiben, sind noch weitgehend unbekannt. „Welche Gene sind für die Unterschiede in der Neokortexgröße zwischen den Arten verantwortlich? Welche Faktoren haben zur Gehirnvergrößerung beim Menschen beigetragen? Die Beantwortung dieser Fragen ist entscheidend für das Verständnis der menschlichen Gehirnentwicklung und möglicherweise für die Behandlung psychischer Störungen“, erklärt Dr. Albert.
Die Kraft der Gehirnorganoide
Um nach Faktoren zu suchen, die die Gehirnexpansion beeinflussen, verglich die Albert-Gruppe die sich entwickelnden Gehirne von Mäusen und Menschen. „Stammzellen bei Mäusen teilen sich nicht so stark und produzieren nicht so viele Neuronen wie bei Primaten. Menschen hingegen haben eine große Anzahl von Stammzellen im sich entwickelnden Gehirn. Dieser stark erweiterte Pool an Stammzellen liegt zugrunde.“ die Zunahme der Anzahl von Neuronen und der Gehirngröße“, erklärt Dr. Albert.
Das Team fand einen Faktor, der beim Menschen vorhanden ist, bei Mäusen jedoch nicht. Mithilfe der 3D-Zellkulturtechnologie testete die Gruppe, ob der neu identifizierte Faktor die Expansion des Neokortex beeinflussen könnte. „Dank der 2012 mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Forschung ist es möglich, jede Zelle in eine Stammzelle umzuwandeln. Eine solche Stammzelle kann dann in ein dreidimensionales Gewebe umgewandelt werden, das einem Organ ähnelt, beispielsweise einem Gehirn. Mensch.“ „Stammzellen ermöglichen es, Entwicklung und Krankheiten direkt im menschlichen Gewebe zu untersuchen“, erklärt Dr. Albert.
Diese 3D-Gehirnkulturen oder Gehirnorganoide ähneln für ein ungeübtes Auge möglicherweise nicht den Gehirnen, ahmen jedoch die zelluläre Komplexität sich entwickelnder Gehirne nach. „Die meisten Zelltypen des sich entwickelnden Gehirns sind vorhanden. Sie interagieren, signalisieren und sind ähnlich angeordnet wie in einem echten menschlichen Gehirn“, sagt Dr. Albert.
Anhand von 3D-Gehirnorganoiden konnte die Gruppe zeigen, dass ein Wachstumsfaktor namens Epiregulin tatsächlich die Teilung und Expansion von Stammzellen im sich entwickelnden Gehirn fördert.
Alles über die Menge
„Da wir wussten, dass Epiregulin die Expansion menschlicher neokortikaler Stammzellen vorantreibt, haben wir uns das Gen angesehen, das für Epiregulin kodiert, und versucht, es im Evolutionsbaum zu verfolgen“, sagt Studienleiterin Paula Cubillos, Doktorandin am CRTD. Das Gen kommt nicht nur beim Menschen vor, sondern kommt auch bei anderen Primaten und sogar bei Mäusen vor.
„Epiregulin wird im sich entwickelnden Mäusegehirn jedoch nicht produziert, da das Gen dauerhaft abgeschaltet ist und nicht verwendet wird. Wir waren gespannt, ob es Unterschiede in der Wirkungsweise von Epiregulin beim Menschen und bei anderen Primaten gibt“, erklärt Cubillos.
Die Forscher wandten sich erneut der 3D-Kulturtechnologie zu. Mithilfe von Gorilla-Stammzellen erzeugten die Forscher Organoide des Gorilla-Gehirns. „Gorillas sind vom Aussterben bedrohte Arten. Wir wissen sehr wenig über ihre Gehirnentwicklung. Aus Stammzellen hergestellte Organoide bieten eine Möglichkeit, ihre Gehirnentwicklung zu untersuchen, ohne überhaupt mit der Art zu interagieren“, sagt Dr. Albert.
Beim Vergleich der Wirkung von Epiregulin in Organoiden des Gehirns von Menschen und Gorillas stellte das Team fest, dass die Zugabe von Epiregulin zu Organoiden des Gehirns von Gorillas die Expansion von Stammzellen weiter fördern kann. Die Zugabe von noch mehr Epiregulin zu Organoiden des menschlichen Gehirns hatte jedoch nicht den gleichen Effekt. Dies könnte daran liegen, dass der menschliche Neocortex bereits sehr stark expandiert ist.
„Im Gegensatz zu zuvor identifizierten Faktoren scheint Epiregulin als solches nicht nur beim Menschen vorzufinden. Stattdessen scheint die Menge des Wachstumsfaktors der entscheidende Regulator für die Unterschiede zwischen den Arten zu sein“, schließt Dr. Albert.
Diese Studie erweitert nicht nur unser Verständnis der Einzigartigkeit des Menschen, sondern unterstreicht auch die Bedeutung neuer Technologien, die ethische und nicht-invasive Ergänzungen zur Tierforschung bieten.
Mehr Informationen:
Paula Cubillos et al., Der Wachstumsfaktor EPIREGULIN fördert die Proliferation basaler Vorläuferzellen im sich entwickelnden Neokortex. Das EMBO-Journal (2024). DOI: 10.1038/s44318-024-00068-7