Studie: Gehirn entsteht aus zwei getrennten Ursprüngen

Ein von Stanford Medicine geleitetes Team berichtete am 18. September in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience, dass das, was Anatomielehrbücher als ein einziges Organ behandeln, in Wahrheit aus zwei voneinander unabhängigen Ausgangspunkten aufgebaut wird. An Mausembryonen während der Gastrulation — jener Phase, in der der Bauplan des Körpers erstmals Gestalt annimmt — identifizierten die Forschenden zwei Vorläuferzell-Populationen, die sich nie vermischen. Die eine, markiert durch ein Gen namens Otx2, bildet Vorder- und Mittelhirn. Die andere, markiert durch Gbx2, ist auf das Hinterhirn festgelegt: jene Hirnstammregion, die Atmung, Herzschlag und Schlaf reguliert und die Gesichts-, Zungen- und Rachenmuskulatur steuert.

Die beiden Populationen schließen einander von den frühesten Stadien an aus, und ihr Chromatin — die DNA-Verpackung, die entscheidet, welche Gene eine Zelle erreichen kann — ist so unterschiedlich konfiguriert, dass jede Vorläuferzelle auf ihr Schicksal festgelegt ist. "Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass der vordere Teil des Gehirns aus einer völlig anderen Vorläuferzelle hervorgeht als der hintere", sagte Kyle Loh, PhD, außerordentlicher Professor für Entwicklungsbiologie und Seniorautor der Studie. Das widerspricht dem Modell, mit dem das Fach seit Jahrzehnten arbeitet und nach dem eine einzige Vorläuferzelle das gesamte Gehirn hervorbringt. Die Doktorierenden Carolyn Dundes und Rayyan Jokhai sind Ko-Erstautoren.

Der Befund erklärt zugleich ein langjähriges Scheitern im Labor. Jahrzehntelang gelang es nicht, menschliche Hinterhirn-Neurone in der Kulturschale zu erzeugen. "Frühere Versuche, Hinterhirn-Neurone herzustellen, haben wahrscheinlich versucht, Vorder- und Mittelhirn-Vorläufer zu Hinterhirnzellen zu überreden — was unsere Studie als unmöglich ausweist", sagte Jokhai. Vom richtigen Zelltyp ausgehend brachten die Forschenden menschliche pluripotente Stammzellen erstmals dazu, sich in funktionsfähige Hinterhirn-Motoneurone zu verwandeln. Laut Stanford Medicine erzeugten diese Zellen Aktionspotenziale und bildeten Proteine, die jene Hinterhirn-Segmente kennzeichnen, welche die Gesichts- und Schluckmuskulatur steuern.

Genau deshalb reicht das Ergebnis über die Entwicklungsbiologie hinaus. Die spinale Muskelatrophie zählt zu den häufigsten genetischen Todesursachen bei Kindern unter einem Jahr; ALS wird meist zwischen dem 40. und 70. Lebensjahr diagnostiziert. In beiden Fällen stellen bestimmte Hinterhirn-Neurone nach und nach ihre Funktion ein, die Betroffenen verlieren zuerst die Fähigkeit zu schlucken und schließlich zu atmen. Da lebenden Patientinnen und Patienten kein Hirnstammgewebe entnommen werden kann, ließen sich diese Krankheiten bislang kaum direkt untersuchen. Was das Stanford-Team geschaffen hat, ist ein Modellsystem für diese Forschung — keine Therapie.

Die Gruppe verfolgte dasselbe Zwei-Ursprünge-Muster zudem über 550 Millionen Jahre Evolution zurück und fand es bei Hühnern, Zebrafischen und Eichelwürmern. "Unsere Forschung legt nahe, dass die Evolution zwei bestehende Nervensysteme genommen und räumlich zusammengeschoben hat", sagte Loh. Offene Fragen bleiben: woher das Rückenmark entwicklungsbiologisch stammt und wie genau spinale Muskelatrophie und ALS Hinterhirn-Neurone schädigen. Diese beiden Probleme will die Gruppe als Nächstes angehen.