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Diese winzigen „Gehirne“ könnten helfen, den menschlichen Geist zu entmystifizieren

Diese Geschichte wurde ursprünglich in unserer Mai/Juni 2022-Ausgabe als „Tracing Back Brains“ veröffentlicht. Klick hier abonnieren, um mehr Geschichten wie diese zu lesen.


Die Geheimnisse hinter der Evolution des menschlichen Geistes könnten in den Tausenden winziger „Gehirne“ liegen, die Organoide genannt werden und die der Neurowissenschaftler Alysson Muotri seit 2011 in seinem Labor an der University of California in San Diego gezüchtet hat.

Sein Team platzierte ein Neandertaler-Gen in jedem Organoid, um herauszufinden, wie es das Gehirnwachstum beeinflusst. Das Experiment markiert den Beginn eines Versuchs zu verstehen, wie genetische Mutationen unser Denken von dem früherer Homininen und von unseren nächsten evolutionären Cousins, den Menschenaffen, unterscheiden. Auf dieser intellektuellen Suche haben Muotri und andere Wissenschaftler auf der ganzen Welt Techniken entwickelt, um Gehirnzellkulturen in drei Dimensionen zu züchten – ein neuartiger Weg, die Vergangenheit wiederzubeleben.

Das Rätsel entstand vor etwa 7 Millionen Jahren, als sich unsere Verwandten der Primaten von den Vorfahren der Schimpansen unterschieden. Nach dieser Trennung etwas ermöglichte es der menschlichen Linie, größere Gehirne zu züchten. Schließlich schwoll das menschliche Gehirn im Durchschnitt dreimal so groß an wie das von Schimpansen. Dies musste aus genetischen Mutationen resultieren – und Gehirnorganoide helfen Wissenschaftlern dabei, genau aufzudecken, welche Gene beteiligt waren.

bestimmen, wie die Neandertaler-Variante eines Gens namens NOVA1, das am Gehirnwachstum beteiligt ist, möglicherweise anders funktioniert hat als die moderne menschliche Version. Sie verglichen zunächst zuvor veröffentlichte Neandertaler-Genome mit aktuellen menschlichen und identifizierten 61 Gene, die sich zwischen den beiden unterscheiden. Dann konzentrierten sie sich auf das Züchten von Organoiden mit den zwei verschiedenen Varianten von NOVA1, das mit der frühen Entwicklung von Neuronen und Synapsen in Verbindung gebracht wird. Neuronen treiben die meisten Gehirnaktivitäten an, indem sie andere elektrische Signale über Lücken, die Synapsen genannt werden, übertragen; dies bildet die biologische Grundlage des Denkens. Letztendlich machen Gene wie NOVA1 den menschlichen Verstand möglich. Angesichts des Einflusses des Gens auf das Gehirn sagte Muotri signifikante Unterschiede zwischen den „Neandertaler“-Organoiden und den modernen Menschen voraus.

Da sich der genetische Code des Neandertalers NOVA1 von dem des modernen Menschen durch einen einzigen Buchstaben unterscheidet, ist es ziemlich einfach, das Gen in den Stammzellen zu verändern, bevor sie zu Neuronen werden und zu Organoiden heranwachsen. „Wir haben nach den tief hängenden Früchten gesucht“, sagt Muotri, „und NOVA1 hat alle Markierungen überprüft.“

Muotris Team kultivierte zwischen 3.000 und 5.000 Neandertaler-Organoide und verglich sie mit einer ähnlichen Anzahl moderner menschlicher Versionen. Die Neandertaler-Organoide waren relativ kleiner und klumpiger. Wie in a berichtet Wissenschaft Studie vom Februar 2021 entdeckten die Forscher auch Unterschiede in Neuroneninteraktionen und Veränderungen in den Proteinen, die am Synapsenfeuern beteiligt sind. Dies könnte darauf hindeuten, dass ausgestorbene Menschen, einschließlich Neandertaler, anders dachten als moderne Menschen.

Aber Muotri warnt davor, dass eine einzelne Mutation nur so viel über das Gehirn der Neandertaler verraten kann. Der Neandertaler NOVA1 könnte innerhalb eines vollständigen Genoms anders funktioniert haben, fügt er hinzu. Gene oder Teile der „regulatorischen“ DNA können sich ändern, wenn NOVA1 ein- und ausgeschaltet wird, was das Wachstum der Neandertaler-Neuronen beeinflusst. Zukünftige Arbeiten in Muotris Labor werden versuchen herauszufinden, wie andere Neandertaler-Gene das Wachstum von Gehirnzellen beeinflussen, zusammen mit den breiteren Unterschieden zwischen menschlichen und Neandertaler-Gehirnen.

Frühe menschliche Verwandte behielten eine affenähnliche Gehirnstruktur (links) bis vor etwa 1,5 Millionen Jahren, als erweiterte Stirn- und Scheitellappen (rechts) auftauchten. (Bild: Marcia Ponce de León und Christoph Zollikofer, UZH)

Wir können auch etwas über die Evolution des menschlichen Gehirns von unseren entfernteren (und pelzigeren) Verwandten lernen. Bis vor 2 Millionen Jahren unterschieden sich die Gehirne von Homininen in Größe und Form nicht wesentlich von den Gehirnen von Schimpansen. Aber sowohl Neandertaler als auch moderne menschliche Gehirne sind größer als die von Affen, und es ist unklar, warum. Das Labor von Madeline Lancaster am Labor für Molekularbiologie des Medical Research Council in England hat eine mögliche Erklärung gefunden. Unter Verwendung von Zellen von Schimpansen und Gorillas, die über veterinärmedizinische Verfahren gewonnen wurden, schuf Lancaster Stammzellkulturen, um Gehirnorganoide zu züchten. Sie verglich diese mit Organoiden, die aus menschlichen Zellen hergestellt wurden – etwas ähnlich Muotris Arbeit mit Neandertaler-Genen – und beobachtete sie bei ihrer Expansion.

Das Ergebnis: Das menschliche Gehirn habe sich langsamer entwickelt, sagt Lancaster, wie in einem in veröffentlichten Artikel berichtet wird Zelle letzten April. Die Schimpansen-Organoide reiften innerhalb von etwa fünf Tagen schnell heran, in denen sich die Stammzellen in neurale Vorläuferzellen verwandelten, bevor sie zu Neuronen reiften. Fast alle Neuronen des Gehirns, unabhängig von der Art, bilden sich aus der Versorgung dieser dazwischenliegenden Vorläuferzellen. Das menschliche Gehirn verbringt in dieser Übergangsphase einen zusätzlichen Tag, der es den Vorläuferzellen ermöglicht, eine weitere Zellteilung durchzuführen. Dieser zusätzliche Schritt ermöglicht es dem menschlichen Gehirn, etwa doppelt so viele Neuronen zu halten wie das Gehirn von Schimpansen oder Gorillas. Diese Eigenschaft stammt wahrscheinlich von einem Protein namens ZEB2, das dem Gehirn signalisiert, die Produktion neuraler Vorläuferzellen zu stoppen und sie in Neuronen umzuwandeln. Menschen beginnen mit der Produktion von ZEB2 später als Menschenaffen, wodurch mehr Zeit zur Verfügung steht, um die Zellen zu produzieren, die schließlich Neuronen bilden.

Es bleibt schwierig, den Zeitpunkt festzulegen, an dem die entscheidenden Mutationen des NOVA1-Gens aufgetreten sind, sowie den Zeitpunkt des Gens hinter dem ZEB2-Protein. Aber der Fossilienbestand liefert direkte Beweise dafür, wann die Gehirne der menschlichen Vorfahren zu expandieren begannen. Die Paläoanthropologen Christoph Zollikofer und Marcia Ponce de León von der Universität Zürich in der Schweiz führten eine umfassende Studie durch, die in veröffentlicht wurde Wissenschaft im April 2021 von den Innenseiten fossiler Homininenschädel. Sie verwendeten computergestützte Scans, um die Gehirnabdrücke zu untersuchen, und zeigten, dass Hominine, die älter als 1,7 Millionen Jahre sind, eine affenähnliche Gehirnstruktur beibehalten haben. Nach etwa 1,5 Millionen Jahren, wenn die Art Stehender Mann entwickelten sich die Merkmale, die die moderne menschliche Gehirnstruktur charakterisieren – erweiterte Frontal- und Scheitellappen – begannen sich abzuzeichnen. „In den ersten 5 Millionen Jahren der menschlichen Evolution ging es im Wesentlichen um Fortbewegung und wahrscheinlich um Ernährung, nicht um das Gehirn“, sagt Zollikofer.

Selbst mit ihrem affenähnlichen Gehirn haben die frühen menschlichen Vorfahren viel erreicht. Vor etwa 2 Millionen Jahren verließen die ersten Homininen Afrika und erfanden Steinwerkzeuge. „Wir denken, dass Verhaltensänderungen, kulturelle Veränderungen an erster Stelle stehen und es dem Gehirn ermöglichen, sich in eine neue Richtung zu entwickeln“, sagt Zollikofer. Er beschreibt eine Rückkopplungsschleife, in der immer komplexere Verhaltensweisen den evolutionären Druck erzeugen, größere Gehirne zu entwickeln, die in der Lage sind, immer schwierigere Aufgaben zu bewältigen, wie das Sprechen komplizierter Sprachen und das Behalten breiterer sozialer Netzwerke.

Die Neuronen menschlicher Organoide interagierten anders als die in den abgebildeten „Neandertaler“-Organoiden. (Quelle: Muotri lab/uc san diego)

In Zukunft werden Gehirn-Organoide entscheidend sein, um zu untersuchen, welche Veränderungen des menschlichen Genoms es unseren Vorfahren ermöglichten, den heutigen Verstand zu entwickeln. Lancasters zukünftige Arbeit wird sich auf Aspekte des Entwicklungstimings beim Menschen konzentrieren, wie zum Beispiel die Bestimmung, welches Gen das ZEB2-Protein umschaltet, um Neuronen zu entwickeln.

Muotris Labor plant, Organoide herzustellen, um die anderen 60 Genmutationen zu erforschen, die Neandertaler von modernen Menschen unterscheiden. Mindestens vier solcher Mutationen beeinflussen das Gehirn in irgendeiner Weise, sagt Muotri. Er hofft, dass ihre Untersuchung zeigen wird, was macht Homo sapiens‘ Köpfe einzigartig. „Es gibt heute eine Tendenz zu glauben, dass die Neandertaler uns so ähnlich waren, dass man sie in der U-Bahn sehen könnte und sie nicht erkannt würden, aber ich denke, unsere Forschung sagt, dass sie ganz anders sind“, sagt Muotri.

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