Wissenschaftler haben einen bahnbrechenden vorläufigen Atlas vorgestellt, der die komplexe Entwicklung von Gehirnzellen vom frühen Embryonalstadium bis zum Erwachsenenalter aufzeichnet – ein bedeutender Schritt, der unser Verständnis von Erkrankungen wie Autismus und Schizophrenie revolutionieren könnte.
Diese ehrgeizige Forschung konzentrierte sich hauptsächlich auf Gehirnzellen von Menschen und Mäusen, wobei zusätzliche Erkenntnisse aus Affengewebe gewonnen wurden. Die Forscher kartierten sorgfältig die Bildung, Differenzierung und Reifung verschiedener Zelltypen und überwachten gleichzeitig die dynamische Aktivierung und Deaktivierung von Genen in ihnen im Laufe der Zeit.
Der erste Entwurf hat bereits entscheidende Entdeckungen hervorgebracht und Schlüsselgene identifiziert, die Gehirnprozesse regulieren. Es beleuchtete gemeinsame Entwicklungswege im menschlichen und tierischen Gehirn und identifizierte gleichzeitig unterschiedliche Merkmale, die nur für das menschliche Gehirn gelten, darunter auch bisher unerkannte Zelltypen.
Diese entscheidenden Erkenntnisse wurden in einer Sammlung von Studien detailliert beschrieben, die in Nature und verwandten Fachzeitschriften veröffentlicht wurden.
Die Forschung ist Teil des BRAIN Initiative Cell Atlas Network (BICAN) der US National Institutes of Health, einer internationalen wissenschaftlichen Zusammenarbeit zur Erstellung eines umfassenden Atlas des menschlichen Gehirns.
„Unser Gehirn besteht aus Tausenden von Zelltypen mit außergewöhnlicher Vielfalt in ihren zellulären Eigenschaften und Funktionen, und diese verschiedenen Zelltypen arbeiten zusammen, um eine Vielzahl von Verhaltensweisen, Emotionen und Kognitionen zu erzeugen“, sagte der Neurowissenschaftler Hongkui Zeng, Direktor für Gehirnwissenschaften am Allen Institute in Seattle und Leiter von zwei der Studien.
Forscher haben mehr als 5.000 Zelltypen im Gehirn von Mäusen gefunden. Es wird angenommen, dass es im menschlichen Gehirn mindestens so viele davon gibt.
„Das sich entwickelnde Gehirn ist eine unglaublich rätselhafte Struktur, weil es schwer zugänglich ist, aus so vielen verschiedenen Zelltypen besteht und sich schnell verändert. Während wir die großen Veränderungen kannten, die während der Gehirnentwicklung stattfinden, haben wir jetzt aufgrund dieser Atlanten ein viel detaillierteres Verständnis davon, was die Teile des sich entwickelnden Gehirns sind“, sagte UCLA-Neurowissenschaftlerin Aparna Bhaduri, eine weitere Forschungsleiterin.
Die Forschung verspricht wichtige praktische Anwendungen.
„Erstens werden wir durch die Untersuchung und den Vergleich der Gehirnentwicklung bei Menschen und Tieren die Spezialisierung des Menschen und den Ursprung unserer einzigartigen Intelligenz besser verstehen. Zweitens werden wir durch das Verständnis der normalen Gehirnentwicklung bei Menschen und Tieren besser in der Lage sein, zu untersuchen, welche Veränderungen in erkrankten Gehirnen stattfinden – wann und wo – sowohl in menschlichen erkrankten Geweben als auch in tierischen Krankheitsmodellen“, sagte Zeng.
Durch den Gewinn dieses Wissens hoffen Wissenschaftler, präzisere gen- und zellbasierte Therapien für eine Reihe menschlicher Krankheiten zu erreichen, sagte Zeng. Die Hoffnung besteht darin, dass die Ergebnisse zu einem tieferen Verständnis von Autismus, Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung, Schizophrenie und anderen Erkrankungen führen, die bekanntermaßen während der Gehirnentwicklung auftreten.
Zu den Gehirnregionen, für die die Forscher Atlanten zur Zelltypentwicklung erstellten, gehörten der Neocortex, der Teil der äußersten Schicht des Gehirns, in dem höhere kognitive Funktionen entstehen, und der Hypothalamus, eine kleine Struktur tief im Gehirn, die dabei hilft, Körpertemperatur, Blutdruck, Stimmung, Schlaf, Sexualtrieb, Hunger und Durst zu regulieren.
Eine Studie zeigte, dass eine Untergruppe von Zellen in menschlichen Hirntumoren embryonalen Vorläuferzellen ähnelt – einer Art Zelle im Embryo, die sich innerhalb einer bestimmten Gehirnregion in bestimmte Typen verwandeln kann – was die Möglichkeit erhöht, dass solche Tumore Entwicklungsprozesse kapern und so zu bösartigen Erkrankungen führen können.
Die Forscher identifizierten einige einzigartige Aspekte des menschlichen Gehirns. Ein Beispiel war der verlängerte Differenzierungsprozess kortikaler Zelltypen aufgrund der langen Zeitspanne der menschlichen Gehirnentwicklung vom Fötus bis zur Pubertät im Vergleich zur schnelleren Entwicklungszeit bei Tieren.
Zu den neu identifizierten Gehirnzelltypen gehörten einige im Neocortex und in der Striatum-Region, die Bewegungen und bestimmte andere Funktionen steuert.
Es stehen noch weitere Arbeiten an.
„Das Ziel besteht letztendlich nicht nur darin, die Teile des sich entwickelnden Gehirns zu verstehen, sondern auch zu beschreiben, was bei neurologischen Entwicklungsstörungen und neuropsychiatrischen Störungen passiert, die im Laufe der Entwicklung eine Anfälligkeit entwickeln“, sagte Bhaduri.
„Dies ist auch für Hirntumor relevant, den mein Labor ebenfalls untersucht, da bei Hirntumor diese Entwicklungsteile wieder zum Vorschein kommen. Es ist also wirklich ein großes Ziel, und es wird einige Zeit dauern, alle diese Störungen vollständig zu verstehen und zu behandeln. Aber diese Reihe von Arbeiten ist ein schöner Fortschritt“, sagte Bhaduri.
