"Mutante Frettchen" beleuchten die Evolution des menschlichen Gehirns
Bei der Untersuchung der Entwicklung des menschlichen Gehirns mithilfe eines mutierten Frettchenmodells stießen Wissenschaftler versehentlich auf Hinweise auf die Entwicklung unseres übergroßen Gehirns.
Menschen sind mit relativ großen Gehirnen gesegnet. Und in den letzten 7 Millionen Jahren - evolutionär gesehen eine kurze Zeitspanne - hat sich die Größe unseres Gehirns verdreifacht.
Die Großhirnrinde, die gewundene und gefaltete äußere Schicht, ist dies besonders beim Menschen. Warum und wie unser Gehirn so verdammt ausgefallen wurde, ist umstritten und die Beweise sind derzeit spärlich.
Das Finden von Hinweisen auf genetische und biologische Veränderungen, die vor Millionen von Jahren stattgefunden haben, ähnelt der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen auf der anderen Seite des Universums. Von Zeit zu Zeit lächelt Lady Serendipity jedoch den Wissenschaftlern zu.
Kürzlich führten Forscher einer Reihe von Institutionen, darunter das Howard Hughes Medical Institute in Chevy Chase, MD, die Yale University in New Haven, CT, und das Boston Children’s Hospital in Massachusetts, eine Reihe von Studien zur Mikrozephalie durch.
Ihre Studien waren fruchtbar und förderten unser Verständnis der Mikrozephalie, aber sie brachten uns auch näher an diese Nadel im fernen Heuhaufen heran. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
"Ich bin ausgebildeter Neurologe und studiere Kinder mit Entwicklungskrankheiten des Gehirns", erklärt Dr. Christopher Walsh vom Boston Children’s Hospital. "Ich hätte nie gedacht, dass ich in die Evolutionsgeschichte der Menschheit blicken würde."
Wie man Mikrozephalie erforscht
Babys mit Mikrozephalie haben einen viel kleineren Kopf als normal und ihre Großhirnrinde ist nicht richtig geformt. Dieser Zustand ist oft genetisch bedingt, obwohl er in letzter Zeit auch mit dem Zika-Virus in Verbindung gebracht wurde.
Wie und warum sich der Kortex nicht richtig bildet, ist nicht vollständig geklärt. Ein Grund, warum es so schwierig ist, dieses Thema zu untersuchen, ist das Fehlen eines guten Modells. Am häufigsten wird ein Mausmodell verwendet, das jedoch nicht für den jeweiligen Zweck geeignet ist.
Mausgehirne sind, wie zu erwarten, winzig. Außerdem genießen Mäuse nicht die gleiche vielfältige Auswahl an Gehirnzellen wie Menschen, und ihr Kortex ist viel glatter.
Das am häufigsten an der Mikrozephalie beteiligte Gen ist eines, das für ein Protein namens Aspm kodiert. Wenn dieses Gen mutiert ist, ist das Gehirn eines Menschen etwa halb so groß wie normal.
Bei Mäusen ohne das Gen - Aspm-Knockout-Mäuse genannt - schrumpft ihr Gehirn jedoch nur um ein Zehntel. Diese kaum wahrnehmbare Veränderung ist für Wissenschaftler von geringem Nutzen.
Auf der Suche nach einem besseren Modell der Mikrozephalie wandten sich die Forscher, die von Dr. Walsh und Byoung-Il Bae von der Yale University geleitet wurden, Frettchen zu.
Dies mag zunächst als seltsame Tierwahl erscheinen, macht aber Sinn; Frettchen sind größer und haben einen komplexen Kortex mit der gleichen Bandbreite an Zelltypen wie Menschen. Ebenso wie Mäuse brüten sie schnell und frei.
Dr. Walsh erklärt: „Auf den ersten Blick scheinen Frettchen eine lustige Wahl zu sein, aber sie sind seit 30 Jahren ein wichtiges Modell für die Entwicklung des Gehirns.“
Obwohl sich Frettchen zuvor als nützlich erwiesen haben, ist wenig über die Genetik von Frettchen bekannt, so dass die Erstellung einer Aspm-Knockout-Version des Tieres eine Herausforderung darstellen würde. Dr. Walsh ließ sich jedoch nicht abschrecken; Er sicherte sich die Finanzierung und machte sich an die Arbeit.
Das Aspm Knockout Frettchen ist nur das zweite Knockout Frettchen, das die Menschheit jemals erschaffen hat.
Wie erwartet war das Gehirn von Aspm-Knockout-Frettchen bis zu 40 Prozent kleiner als normal, was es der menschlichen Version der Mikrozephalie viel näher brachte. Und wie bei der menschlichen Mikrozephalie blieb die kortikale Dicke unverändert.
Ein Hinweis auf die Evolution des Gehirns
Abgesehen davon, dass sie ein neues und nützliches Modell für die Mikrozephalie beim Menschen entworfen haben, haben die Wissenschaftler ihre Zehen in ein viel schwierigeres Problem getaucht: Wie haben wir so große Gehirne entwickelt?
Sie untersuchten, wie sich der Verlust von Apsm auf die Gehirne der Frettchen auswirkte. Die Defekte wurden auf Veränderungen im Verhalten der radialen Gliazellen zurückgeführt.
Radiale Gliazellen entwickeln sich aus Neuroepithelzellen, den Stammzellen des Nervensystems. Diese können sich im Kortex zu einer Reihe verschiedener Zelltypen entwickeln.
Ausgehend von den sich entwickelnden Hirnventrikeln bewegen sich radiale Gliazellen in Richtung des sich bildenden Kortex. Wenn sich diese Zellen weiter von ihrem Startpunkt entfernen, verlieren sie langsam ihre Fähigkeit, sich zu verschiedenen Arten von Gehirnzellen zu entwickeln.
Das Team stellte fest, dass ein Mangel an Apsm dazu führte, dass sich radiale Gliazellen leichter von den Ventrikeln lösten, und begann früh mit ihrer Migration.
Sobald das Timing abgelaufen war, wurde das Verhältnis von radialen Gliazellen zu anderen Zelltypen schief, was zu weniger Nervenzellen im Kortex führte. Apsm wirkt als Regulator und wählt die Gesamtzahl der kortikalen Neuronen nach oben oder unten. Und hierin liegt der Hinweis auf die Evolution des menschlichen Gehirns.
"Die Natur musste das Problem lösen, die Größe des menschlichen Gehirns zu verändern, ohne das Ganze neu konstruieren zu müssen."
Byoung-Il Bae
Apsm verändert auf diese Weise die Gehirnentwicklung, indem es die Funktion von Zentriolen oder Zellstrukturen beeinflusst, die an der Zellteilung beteiligt sind. Ohne Apsm machen die Zentriolen ihre Arbeit nicht richtig.
In letzter Zeit haben einige Gene, die an der Regulierung von Zentriolproteinen beteiligt sind, einschließlich Apsm, evolutionäre Veränderungen erfahren. Dr. Walsh glaubt, dass es diese Gene sein könnten, die uns von Schimpansen oder unseren entfernten Cousins, den Neandertalern, unterscheiden.
"Im Nachhinein macht es Sinn", sagt Dr. Walsh. "Die Gene, die unser Gehirn während der Entwicklung zusammensetzen, müssen die Gene gewesen sein, die die Evolution optimiert hat, um unser Gehirn größer zu machen."
Durch Veränderung dieses einen Gens kann die Migration der radialen Gliazellen verändert werden und der Kortex kann größer werden. Diese Studien bieten ein neues Modell für die Mikrozephalie und einen neuen Einblick in die Entstehung unseres prall gefüllten Gehirns.
