Menschliches Gehirn ist tatsächlich zwei getrennte Organe, zeigt Stanford-Studie

Ein lang etabliertes Modell der Gehirnentwicklung fällt

Jahrhundertelang wurde das menschliche Gehirn als ein einzelnes, vereintes Organ beschrieben – eine Struktur mit einem Ursprungspunkt. Von Stanford Medicine geleitete Forschung argumentiert nun, dass diese Darstellung falsch ist. Dem Team zufolge lässt sich das Gehirn besser als zwei unterschiedliche Organe verstehen, die sich über Hunderte Millionen Jahre auf getrennten Wegen entwickelten, bevor sie gemeinsam im Schädel untergebracht wurden. Die Arbeit erscheint in der begutachteten Fachzeitschrift Nature Neuroscience.

Das Ergebnis stürzt ein Modell, das die Entwicklungsbiologie seit Jahrzehnten geprägt hat. Forschende hatten lange angenommen, dass eine einzige Vorläuferzelle, die sehr früh im Embryonalleben vorhanden ist, das gesamte Gehirn hervorbringt, was bedeutet, dass jede Region einen gemeinsamen entwicklungsgeschichtlichen Vorfahren teilt. Nach den neuen Erkenntnissen hält diese Annahme nicht stand.

Kyle Loh, Ph.D., außerordentlicher Professor für Entwicklungsbiologie, ist der Seniorautor der Studie. Er sagte, das Team habe erstmals gezeigt, dass der vordere Teil des Gehirns und der hintere Teil des Gehirns aus völlig unterschiedlichen Vorläuferzellen entstehen. Die Doktoranden Carolyn Dundes und Rayyan Jokhai werden als gemeinsame Erstautoren der Arbeit genannt.

Zwei Nervensysteme teilen sich einen Schädel

Das Gehirn als zwei Organe zu bezeichnen, ist mehr als ein semantisches Wortgeplänkel. Eine Komponente ist ein uraltes Nervensystem, das den Körper ohne bewussten Input am Laufen hält, während die andere alles unterstützt, was wir mit dem Menschsein verbinden – Gedichte schreiben, Mathematik durcharbeiten oder sich fragen, woher wir eigentlich kommen.

Das erwachsene Gehirn wird konventionell in drei große Regionen unterteilt, und die in der Studie beschriebene Aufteilung deckt sich eng damit, wie diese Regionen funktionieren:

• Vorderhirn: der Sitz des höheren Denkens, einschließlich Sprache, Bewusstsein und abstraktem Denken.
• Mittelhirn: eine Region, die in der traditionellen dreiteiligen Darstellung zwischen den beiden Extremen liegt.
• Hinterhirn: am hinteren Teil des Schädels gelegen und gemeinhin als Hirnstamm bezeichnet, steuert es automatische Funktionen, die für das Überleben wesentlich sind.

Die uralte Hälfte

Die Schaltkreise des Hinterhirns regulieren Atmung und Schlaf und steuern den Herzschlag sowie Hungergefühle. Es kontrolliert außerdem die Muskeln von Gesicht, Zunge und Rachen, die am Sprechen beteiligte Maschinerie. Nichts davon erfordert bewusstes Denken, und genau das ist der Punkt: Dieses System übernimmt Funktionen, deren Übertragung an bewusste Entscheidungsfindung katastrophal wäre.

Die spezifisch menschliche Hälfte

Im Vorderhirn findet höhere Kognition statt – Sprache, Bewusstsein und die Fähigkeit zu abstraktem Denken. Diese beiden Systeme nebeneinanderzustellen, mit unterschiedlichen Evolutionsgeschichten und radikal unterschiedlichen Aufgaben, ist der Kern der Entdeckung. Was Forschende zuvor als ein Organ mit einem Bauplan behandelten, erweist sich als Paarung aus uralter und neuerer neuronaler Architektur.

Warum bestimmte Gehirnzellen sich im Labor nicht vermehren wollten

Ein seit Langem bestehendes praktisches Rätsel könnte nun eine Erklärung haben. Wissenschaftler haben Jahrzehnte damit verbracht, bestimmte Klassen von Gehirnzellen dazu zu bringen, in Laborschalen zu überleben und zu reifen, mit begrenztem Erfolg. Wenn Vorderhirn und Hinterhirn von getrennten Vorläufern abstammen, dann wären Kulturprotokolle, die auf einen einzigen gemeinsamen Ursprung ausgelegt waren, von Anfang an unpassend gewesen – ein plausibler Grund, warum die Bemühungen immer wieder ins Stocken gerieten.

Das neue Verständnis weist auch einen Weg nach vorn. Loh merkte an, dass Hinterhirn-Neuronen nun in einer Petrischale gezüchtet werden können, sodass ihre Funktionen direkt untersucht werden können, was das ältere Modell nie vorhersah.

Neue Wege für Hirnstamm-Erkrankungen

Die Implikationen reichen bis zu einigen der verheerendsten Erkrankungen des Nervensystems, insbesondere jenen, die mit dem Hirnstamm verbunden sind:

• Spinale Muskelatrophie (SMA): eine Erkrankung, die den Hirnstamm und die an Bewegung beteiligten Motoneuronen betrifft.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): auch als Lou-Gehrig-Krankheit bekannt, eine weitere hirnstammassoziierte Erkrankung mit wenigen wirksamen Behandlungen.

Die Fähigkeit, aus dem Hinterhirn stammende Neuronen außerhalb des Körpers zu kultivieren, eröffnet die Möglichkeit zu beobachten, wie diese Zellen fehlfunktionieren, anstatt es aus Tiermodellen oder postmortalem Gewebe abzuleiten. Für Erkrankungen, bei denen der Hirnstamm ein primäres Ziel ist, ist das eine bedeutende Verschiebung dessen, was Forschende tatsächlich in Echtzeit beobachten können.

Was die Entdeckung verändert

Der unmittelbarste Effekt ist vielleicht konzeptioneller Natur. Eine Generation von Lehrbüchern, Laborprotokollen und experimentellen Annahmen beruhte auf der Idee, dass eine einzige Vorläuferzelle das gesamte Gehirn hervorbringt. Wenn diese Prämisse falsch ist, dann werden Fragen dazu, wie die beiden Systeme koordinieren – wie ein uraltes regulatorisches Netzwerk und ein neueres kognitives kommunizieren und wie sie über evolutionäre Zeit zusammengesetzt wurden – weit zentraler für das Feld.

Die Entdeckung ordnet auch neu ein, wie Wissenschaftler über zelluläre Identität denken. Zellen aus dem hinteren Teil des Gehirns und Zellen aus dem vorderen sind nicht einfach Variationen eines Themas; sie gehen auf unterschiedliche Ausgangspunkte zurück. Diese Unterscheidung könnte beeinflussen, wie Forschende alles von Entwicklungsstudien bis zu regenerativen Strategien angehen.

Das Fazit

Was sich im menschlichen Schädel befindet, ist nicht ein Organ, sondern zwei – ein primitives System, das Herzen schlagen und Lungen arbeiten lässt, und ein neueres System, das Poesie, Mathematik und Selbstreflexion hervorbringt. Die von Stanford Medicine geleitete und in Nature Neuroscience veröffentlichte Studie stellt ein vorherrschendes Modell der Gehirnentwicklung infrage und bietet Forschenden einen neuen Weg zur Untersuchung von Hirnstamm-Erkrankungen wie SMA und ALS.

Für ein Feld, das Jahrzehnte damit verbracht hat, widerspenstige Gehirnzellen im Labor zu züchten, könnte die Erklärung einfacher sein als erwartet: Wissenschaftler arbeiteten nach dem falschen Bauplan.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Medical Xpress. Lesen Sie den Originalartikel.