Wissenschaftler haben die Faltung der Kleinhirnrinde anhand von Daten aus einer Stichprobe von 56 Säugetierarten charakterisiert und so die Vielfalt und Entwicklung der Kleinhirnfaltung sowie ihre Beziehung zur Anatomie des Großhirns untersucht.
Der Studie vom Institut Pasteur, heute veröffentlicht in eLifelegt nahe, dass die Größe und Faltung des Kleinhirns eng mit der Größe und Faltung des Großhirns bei allen Arten zusammenhängt, und zeigt, dass große Kleinhirne unverhältnismäßig stärker gefaltet sind als kleinere. Darüber hinaus scheint die Größe jeder einzelnen Falte trotz der großen Unterschiede in der Gehirngröße bei allen Arten konstant zu sein.
Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Vielfalt und Entwicklung der Kleinhirnfaltung, die Mechanismen, die der Gehirnfaltung zugrunde liegen, und ihren möglichen Einfluss auf die Organisation des Gehirns verschiedener Arten.
Das Großhirn ist der größte Teil des Gehirns von Säugetieren und übernimmt eine Vielzahl von Aufgaben, darunter Sehen, Hören sowie die Einleitung und Koordination von Bewegungen. Das Kleinhirn ist kleiner, enthält aber eine viel größere Anzahl an Neuronen und spielt eine wichtige Rolle bei der Wahrnehmung und Bewegung, einschließlich Muskelkontrolle, Gleichgewicht und Bewegung.
Während das Großhirn nur bei Säugetieren vorkommt, ist das Kleinhirn bei allen Wirbeltieren vorhanden. Die Faltung des Gehirns, der Prozess, bei dem die Oberfläche des Gehirns Rillen und Rillen bildet, erhöht das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen erheblich, sodass mehr Neuronen in einem kleineren Volumen untergebracht werden können, als wenn es entfaltet wäre. Es wird angenommen, dass dieser Prozess eine wichtige Rolle bei der Entwicklung, Konnektivität und Organisation sowohl des Großhirns als auch des Kleinhirns spielt.
„Die Untersuchung der Faltung des Kleinhirns ist aufgrund der geringen Größe und Fülle seiner Folia – kleinen blattähnlichen Strukturen der stark gefalteten Oberfläche des Kleinhirns – eine Herausforderung“, erklärt Hauptautorin Katja Heuer, Postdoktorandin am Institut Pasteur in Paris, Frankreich. „Deshalb ist wenig über seine Diversität und Entwicklung zwischen den Arten bekannt.“
Um Abhilfe zu schaffen, untersuchten Heuer und Kollegen Daten zur Gehirnstruktur von 56 Säugetierarten, darunter auch Menschen, um die Entwicklung des Kleinhirns und seine Beziehung zum Großhirn und zur Körpergröße zu untersuchen. Die Daten wurden aus mehreren offenen Quellen bezogen, darunter dem BigBrain Project für die menschlichen Daten und der Comparative Mammalian Brain Collection für viele andere Arten. Um die Daten zu visualisieren und zu segmentieren, nutzte das Team ein zuvor entwickeltes Web-Tool namens MicroDraw.
Sie entwickelten Methoden, um die Geometrie der Kleinhirnblätter verschiedener Arten zu messen und die Dicke der molekularen Schicht der Kleinhirnrinde abzuschätzen. Sie verwendeten auch phylogenetische Baumdaten von der TimeTree-Website, die die evolutionären Abstammungslinien einer bestimmten Art von einem gemeinsamen Vorfahren für alle in ihre Studie einbezogenen Arten darstellen.
Da Arten aufgrund ihrer evolutionären Verwandtschaft nicht unabhängige Datenpunkte sind, war es für das Team von entscheidender Bedeutung, die phylogenetische Baumstruktur zu berücksichtigen. Variationen in der Kleinhirnstruktur könnten beispielsweise auf unterschiedliche Evolutionsprozesse, natürliche Drift oder Selektion zurückzuführen sein. Die Forscher verwendeten daher phylogenetische Vergleichsmethoden, um sicherzustellen, dass ihre Analysen die evolutionären Beziehungen und die Geschichte jeder Art berücksichtigten.
Ihre Ergebnisse zeigten zwei Gruppen von Phänotypen oder beobachtbaren Merkmalen. Bei der ersten handelte es sich um eine Gruppe „verschiedener“ Merkmale, die je nach Art stark variierten, darunter Körpergewicht, Gehirngewicht sowie Fläche und Länge des Kleinhirns und des Großhirnabschnitts. Diese variierten alle über mehrere Größenordnungen hinweg zusammen mit der Körpergröße. Die zweite Gruppe „stabiler“ Merkmale zeigte im Vergleich viel weniger Variation und umfasste die Blattbreite und die Dicke der Molekülschicht. Diese Eigenschaften änderten sich mit Veränderungen der Gehirngröße nur geringfügig.
Indem das Team den Evolutionsweg der Art verfolgte, beobachtete es ein starkes Muster, das eine konzertierte Veränderung der Gehirngröße und der Körpergröße belegte. Ausreißer bei diesem Trend waren Primaten wie Menschen, deren Gehirne im Verhältnis zu ihrer Körpergröße groß waren.
Darüber hinaus bestätigten die Ergebnisse, dass die Kleinhirngröße stark mit der Großhirngröße korreliert, und zeigten, dass große Kleinhirnen unverhältnismäßig stärker gefaltet sind als kleinere. In ähnlicher Weise hing die Breite der Kleinhirnfalten mit der Dicke der Molekülschicht zusammen. Diese Muster waren bei allen untersuchten Arten hochkonserviert, was auf das Vorhandensein eines gemeinsamen Mechanismus hindeutet, der der Faltung des Großhirns und des Kleinhirns bei Säugetieren zugrunde liegt.
Die Autoren weisen darauf hin, dass die Studie einige Einschränkungen aufweist. Aufgrund der reduzierten Artenzahl konnten nur globale neuroanatomische Messungen analysiert werden. Eine größere Anzahl von Arten würde es ermöglichen, lokale Variationen und sogar vollständige 3D-Rekonstruktionen für jede Art zu untersuchen. Dies stellt sowohl technische Herausforderungen im Hinblick auf die computergestützte Neuroanatomie und phylogenetische Vergleichsmethoden als auch die Notwendigkeit von Zusammenarbeit und offener Wissenschaft dar.
„Unsere Ergebnisse ermöglichen einen genaueren Blick auf die Natur der makroskopischen Anatomie des Kleinhirns, ihre Beziehung zur Anatomie des Gehirns, ihre Vielfalt zwischen Säugetierarten und ihre Entwicklung“, schließt der leitende Autor Roberto Toro, Forschungsdirektor am Institut Pasteur und Leiter des Instituts Pasteur Abteilung für Angewandte und Theoretische Neuroanatomie.
„Die Ergebnisse legen nahe, dass der Prozess, der zur Faltung des Kleinhirns und des Gehirns führt, derselbe ist. In beiden Strukturen sollte die Faltung zur Bildung stark konservierter, mechanisch kanalisierter neuroanatomischer Module führen, die eine wichtige Rolle in ihrer funktionellen Organisation spielen könnten.“ “
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Katja Heuer et al, Diversität und Evolution der Kleinhirnfaltung bei Säugetieren, eLife (2023). DOI: 10.7554/eLife.85907