Studie identifiziert universellen Bauplan für die Gehirnform von Säugetieren

Forscher haben einen neuen Ansatz zur Beschreibung der Form der Großhirnrinde entwickelt und Beweise dafür vorgelegt, dass die Großhirnrinde bei allen Säugetierarten einem universellen fraktalen Muster ähnelt.

Die Studie, veröffentlicht als Begutachteter Vorabdruck In eLeben und heute in überarbeiteter Fassung erschienen, wird von den Herausgebern als wertvolles Gerüst für unser Verständnis der Hirnrinde als fraktale Form beschrieben. Sie beschreiben die Beweislage als überzeugend für einen universellen Bauplan für die Faltung der Großhirnrinde bei Säugetieren.

Durch weitere Forschung und Validierung könnte der Ansatz dazu genutzt werden, Erkenntnisse über die Entwicklung verschiedener degenerativer und angeborener neuropathischer Erkrankungen zu gewinnen.

Die Großhirnrinde ist die äußerste Schicht des Gehirns und ist für komplexe Funktionen wie Denken, Wahrnehmen und Entscheidungsfindung verantwortlich. Die Faltung der Großhirnrinde, auch Gyrifikation genannt, ist der Prozess, bei dem sich an der Oberfläche des Gehirns Furchen (Sulci) und Grate (Gyri) bilden. Diese Faltung vergrößert die Oberfläche des Gehirns und ermöglicht eine größere Anzahl von Neuronen und eine komplexere Informationsverarbeitung. Die Großhirnrinde weist über Arten hinweg und innerhalb von Arten eine große Vielfalt an Formen und Größen auf.

„Wir wollten einen Weg finden, die Form der Hirnrinde zu definieren und auszudrücken, was an den komplexen Formen und Falten, aus denen jede Hirnrinde besteht, einzigartig ist“, sagt der Hauptautor Yujiang Wang, ein Future Leaders Fellow am Computational Neurology, Neuroscience & Psychiatry (CNNP) Lab der School of Computing der Newcastle University in Großbritannien.

„Man kann sich ein Bild einer Großhirnrinde ansehen und erkennen, was sie ist. Aber wie können wir Ihre Großhirnrinde von meiner unterscheiden? Oder wie können wir die Großhirnrinde einer Giraffe von der eines Krallenaffen unterscheiden? Dazu ist eine ausdrucksstärkere Art und Weise erforderlich, die Form der Großhirnrinde zu beschreiben.“

Wang und seine Kollegen begannen mit der Festlegung zweier Schlüsselprinzipien. Erstens wussten sie, dass Kortex nicht einfach jede beliebige gefaltete Form annehmen kann – Kortex ist eine dünne Schicht grauer Substanz, die auf komplexe Weise um weiße Substanz gefaltet ist, und der Grad der Faltung wird genau durch die Dicke und Größe dieser Schicht bestimmt. Dieses Prinzip wird als universelle Skalierung bezeichnet.

Anschließend entwickelten sie eine Methode, um die Großhirnrinde zu „schmelzen“, indem sie Falten entfernten, die kleiner als ein bestimmter Schwellenwert waren, sodass sie die verbleibenden Falten einzeln untersuchen konnten. Dies enthüllte das zweite Prinzip: dass die Großhirnrinde aus Falten verschiedener Größen besteht, wobei die kleinen Falten den größeren Falten ähneln – eine Eigenschaft, die als Selbstähnlichkeit bezeichnet wird. Dies ähnelt der fraktalen Skalierung, bei der eine komplexe geometrische Form komplizierte Muster aufweist, die sich in zunehmend kleineren Maßstäben wiederholen.

Anschließend kombinierte das Team diese Prinzipien der universellen Skalierung und Selbstähnlichkeit, um die Großhirnrinde von 11 verschiedenen Primatenarten zu untersuchen, darunter Menschen, Schimpansen und Krallenaffen. Dabei stellte sich heraus, dass trotz der deutlichen optischen Unterschiede zwischen den Hirnrinden der einzelnen Arten alle einem universellen Skalierungsgesetz folgen und dieselbe fraktale Form aufweisen. Nimmt man also die komplexeste untersuchte Hirnrinde, die des Menschen, und verwendet das Schmelzverfahren des Teams, um die kleinsten Falten zu beseitigen, beginnt sie der eines Schimpansen zu ähneln. Schmelzt man die Hirnrinde eines Schimpansen, ähnelt sie der eines Rhesusaffen und so weiter.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass es unabhängig von der Art nur eine Art der Faltung der Großhirnrinde gibt. Warum unterscheiden sie sich also so deutlich, wenn man sie im MRT-Scan betrachtet? Sie scheinen unterschiedlich groß zu sein, und manche sind stark gefaltet, wie die menschliche Hirnrinde, und manche sind viel glatter, wie die Hirnrinde des Weißbüschelaffen.

„Der Schlüssel liegt hier darin, genau zu definieren, was wir mit ‚ähneln‘ meinen“, erklärt der leitende Autor Bruno Mota, Professor am metaBIO Lab, Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasilien. „Man kann sich eine Form vorstellen, die wie eine menschliche Hirnrinde aussieht, aber wenn man hineinzoomt, stellt man fest, dass sich in jeder Falte unendlich kleinere Falten befinden. Eine solche Form kann in der Natur nicht existieren, aber sie kann mathematisch als fraktale Form definiert werden, wie wir es hier getan haben. Was wir gezeigt haben, ist, dass alle Hirnrinden der von uns untersuchten Arten dieser fraktalen Form für einen bestimmten Bereich von Faltengrößen ähneln.“

Daher, so Mota weiter, seien die Unterschiede in der Rindenform dieser Arten größtenteils darauf zurückzuführen, dass jede Art eine andere Spanne von Faltengrößen aufweist, für die die Ähnlichkeit gilt. Bei einer glatteren Rinde, wie bei einem Krallenaffen, ist diese Spanne schmaler; bei einer stärker gefalteten, wie bei einem Schimpansen, ist sie breiter.

Die Autoren weisen darauf hin, dass sich ihre Studie auf die Beschreibung ganzer Hirnrindenhälften beschränkte und dass sie in zukünftigen Arbeiten versuchen werden, spezifischere Hirnrindenregionen zu untersuchen. Sie werden auch untersuchen, wie neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer die fraktale Form der Hirnrinde beeinflussen. Dies könnte letztendlich die Identifizierung detaillierterer Biomarker für verschiedene neurologische Zustände und Krankheiten ermöglichen und zu einem besseren Verständnis ihrer Entwicklung beitragen.

„Unsere Ergebnisse deuten auf einen universellen Bauplan für die Form des Säugetierhirns und einen gemeinsamen Satz von Mechanismen hin, die die Faltung der Hirnrinde steuern“, schließt Mota. „Wir hoffen, dass unser Rahmen für die Darstellung und Analyse der Hirnrindenform zu einem wirkungsvollen Instrument werden kann, um Hirnrinden verschiedener Arten und Individuen im Laufe der Entwicklung und des Alterns sowie im Laufe von Gesundheit und Krankheit zu charakterisieren und zu vergleichen.“