Unser Gehirn besteht aus zwei Organen – Stanford-Forscher entdecken zwei getrennte Ursprünge

Dass Vorderhirn und Hirnstamm unterschiedliche Aufgaben haben, ist bekannt. Überraschend ist etwas anderes: Sie könnten ursprünglich aus zwei getrennten biologischen Systemen entstanden sein. Stanford-Forscher haben bei der frühen Entwicklung des Gehirns zwei Gruppen von Vorläuferzellen gefunden, die offenbar auf zwei getrennte Entwicklungslinien zurückgehen.

Die eine Entwicklungslinie führt zu Vorder- und Mittelhirn, also jenen Bereichen, die unter anderem Wahrnehmung, Denken und bewusste Handlungen ermöglichen. Aus der anderen geht das Hinterhirn hervor, das lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Herzschlag und Schlucken steuert. Die Forscher vermuten, dass beide Bereiche auf ursprünglich getrennte Nervensysteme zurückgehen, deren evolutionäre Geschichte sich mehr als 550 Millionen Jahre zurückverfolgen lässt.

Das Team um Kyle Loh von Stanford Medicine berichtet darüber im Fachjournal Nature Neuroscience. „Wir haben erstmals gezeigt, dass der vordere Teil des Gehirns aus einer völlig anderen Vorläuferzelle entsteht als der hintere Teil“, sagt der Entwicklungsbiologe. Für Loh verändert das den Blick auf den Aufbau des Gehirns grundlegend: Vorder- und Hinterhirn teilen demnach keinen gemeinsamen frühen Ursprung.

Warum sich die Entwicklung des Gehirns so früh aufteilt

Lange galt ein anderes Modell. Demnach sollte eine gemeinsame frühe Vorläuferzelle das gesamte Gehirn hervorbringen. Vorderhirn, Mittelhirn und Hinterhirn hätten sich erst später voneinander unterschieden.

Bei Mäuseembryonen fanden die Stanford-Forscher dagegen schon während der Gastrulation zwei klar voneinander abgegrenzte Zellpopulationen. In dieser sehr frühen Phase der Embryonalentwicklung ordnen sich die Zellen neu und bilden die grundlegenden Gewebeschichten, aus denen später Organe und Körperstrukturen entstehen.

Die beiden Gruppen unterscheiden sich bereits anhand bestimmter Gene:

• Otx2 kennzeichnet Zellen, aus denen später Vorder- und Mittelhirn entstehen.
• Gbx2 findet sich in Zellen, die sich zum Hinterhirn entwickeln.
• Beide Zellpopulationen überschnitten sich in den untersuchten Embryonen nicht.

Zellschicksal wird früh festgelegt

Auch im Inneren der Zellen fanden die Wissenschaftler deutliche Unterschiede. Ihre DNA ist unterschiedlich verpackt. Entscheidend dafür ist das sogenannte Chromatin, also der Verbund aus DNA und Proteinen im Zellkern. Je nach Struktur sind bestimmte Gene leichter oder schwerer zugänglich.

Vorderes und hinteres Neuralgewebe besaßen schon früh verschiedene Chromatinmuster. Damit scheint ein Teil des späteren Zellschicksals bereits festgelegt zu sein, lange bevor aus den Vorläuferzellen spezialisierte Nervenzellen werden.

„Frühere Versuche, Hinterhirn-Neuronen herzustellen, haben wahrscheinlich versucht, Vorläufer des Vorder- und Mittelhirns in Hinterhirnzellen umzuwandeln, was nach unserer Arbeit nicht möglich ist“, sagt Erstautor Rayyan Jokhai.

Forscher erzeugen erstmals gezielt Hinterhirn-Neuronen

Aus diesem Befund ergab sich unmittelbar ein praktischer Ansatz. Das Team behandelte menschliche pluripotente Stammzellen so, dass sie sich gezielt entlang des hinteren Entwicklungswegs weiterentwickelten.

So entstanden funktionierende motorische Nervenzellen des Hinterhirns. Sie erzeugten elektrische Impulse und bildeten Proteine, die für bestimmte Abschnitte des Hirnstamms typisch sind. Dazu gehören Regionen, deren Nervenzellen Muskeln von Gesicht, Zunge und Rachen steuern.

Gerade solche Zellen waren im Labor bislang nur schwer herzustellen. Das erschwerte die Forschung an Erkrankungen, bei denen Nervenzellen des Hirnstamms geschädigt werden.

Neue Zellen könnten Forschung an SMA und ALS erleichtern

Das Hinterhirn übernimmt zahlreiche Funktionen, die ohne bewusste Steuerung ablaufen. Dazu gehören Atmung, Herzschlag und Schlaf. Dort liegen außerdem Nervenschaltkreise für Schlucken, Gesichtsmuskeln und Teile der Hungerregulation.

Bei der spinalen Muskelatrophie, kurz SMA, und der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) können Nervenzellen betroffen sein, die für Schlucken und Atmung wichtig sind. Hirnstammgewebe lässt sich lebenden Patienten jedoch nicht einfach entnehmen.

Im Labor erzeugte Hinterhirn-Neuronen könnten deshalb neue Krankheitsmodelle ermöglichen. Forscher könnten an ihnen genauer untersuchen, welche Veränderungen die Nervenzellen schädigen und wie mögliche Behandlungen darauf wirken.

Spuren führen mehr als 550 Millionen Jahre zurück

Die Zweiteilung findet sich nach Angaben der Forscher nicht nur bei Säugetieren. Vergleichbare Muster identifizierten sie auch bei Hühnern, Zebrafischen und Eichelwürmern. Letztere gehören zu einer Tiergruppe, deren gemeinsame Entwicklungslinie mit den Wirbeltieren weit in die Erdgeschichte zurückreicht.

Das Team vermutet deshalb, dass die beiden Nervensysteme bereits vor mehr als 550 Millionen Jahren getrennt existierten. „Unsere Forschung legt nahe, dass die Evolution zwei bereits vorhandene Nervensysteme genommen und räumlich zusammengerückt hat“, erklärt Loh.

Noch weiter zurück reicht der Vergleich mit Quallen. Sie besitzen Nervensysteme an unterschiedlichen Enden ihres Körpers. Ihre Entwicklungslinie trennte sich ungefähr vor 600 bis 700 Millionen Jahren von jener, aus der später die Wirbeltiere hervorgingen.

Forscher verfolgen nun den Ursprung des Rückenmarks

„Das Wort ‚Gehirn‘ lässt an ein zusammenhängendes Organ denken, das wahrscheinlich einen einzigen Ursprung hat“, sagt Jokhai. Nach Ansicht der Autoren sprechen ihre Ergebnisse stattdessen für zwei alte Entwicklungssysteme, die heute eng miteinander verbunden arbeiten.

Offen bleibt unter anderem, wie das Rückenmark in dieses Bild passt. Das Team will nun untersuchen, aus welchen frühen Zellpopulationen es hervorgeht. Außerdem wollen die Wissenschaftler genauer analysieren, wie SMA und ALS bestimmte Nervenzellen des Hinterhirns schädigen.

„Jetzt haben wir ein Modell, mit dem wir diese schweren Erkrankungen besser verstehen und an regenerativen Therapien arbeiten können“, so Jokhai.

Kurz zusammengefasst:

• Stanford-Forscher fanden zwei früh getrennte Vorläuferlinien: Aus der einen entstehen Vorder- und Mittelhirn, aus der anderen das Hinterhirn.
• Die Trennung beginnt bereits sehr früh in der Embryonalentwicklung und ist auch an unterschiedlichen Gen- und Chromatinmustern erkennbar.
• Der Befund könnte erklären, warum bestimmte Hinterhirn-Neuronen bisher schwer im Labor herzustellen waren, und neue Modelle für Erkrankungen wie SMA und ALS ermöglichen.

Übrigens: Unser Gehirn hat nicht nur überraschend getrennte Entwicklungsursprünge – es besitzt offenbar auch eine bislang unbekannte Form der Selbstheilung. Wie Astrozyten beschädigte Zellnetze reparieren, mehr dazu in unserem Artikel.

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