Menschliche Gehirnentwicklung geht eigene Wege

Wie eine kleine genetische Veränderung das menschliche Gehirn zum Lernbeschleuniger gemacht hat

Für alle LeserDer Mensch ist ein Rätsel. Immer noch. Obwohl die Forscher schon so viel herausgefunden haben über seinen Werdegang. Das größte Rätsel ist sein Gehirn, denn irgendetwas unterscheidet dessen Struktur so erheblich von der Hirnstruktur unserer nächsten Verwandten, der Menschenaffen, dass es dafür eine Erklärung braucht. Eine Erklärung, der jetzt Forscher vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig auf der Spur zu sein scheinen.

Gemeinsam mit Forschern vom Institute of Molecular and Clinical Ophthalmology Basel und von der ETH Zürich veröffentlichen sie in der vergangenen Woche neue Erkenntnisse zur Gehirnentwicklung beim Menschen und Unterschiede im Vergleich zu anderen Menschenaffen. Die Studie beleuchtet für den Menschen einzigartige Gehirnentwicklungsprozesse und beschreibt, wie sich diese Prozesse von denen anderer Primaten unterscheiden.

Der entscheidende Unterschied

Seit der Abspaltung des Menschen von dem gemeinsamen Vorfahren mit Schimpansen und anderen Menschenaffen hat sich das menschliche Gehirn dramatisch verändert. Welche genetischen und entwicklungsdynamischen Prozesse für diese Abweichungen verantwortlich sind, war bisher unklar. Zerebrale Organoide (hirnähnliche Gewebe), die aus Stammzellen in der Petrischale gezüchtet werden, bieten nun die Möglichkeit, die Evolution der frühen Gehirnentwicklung im Labor zu untersuchen.

Um die Genexpressionsdynamik und die regulatorischen Besonderheiten menschlicher Organoide zu untersuchen, verfolgten die Erstautoren der Studie, Sabina Kanton, Michael James Boyle und Zhisong He, sowie Gray Camp, Barbara Treutlein und Kollegen über vier Monate hinweg die Entwicklungsprozesse zerebraler Organoide aus menschlichen pluripotenten Stammzellen. Dafür verwendeten sie Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um Genexpressionsmuster und Einzelzell-ATAC-Sequenzierung, um die Chromatinzugänglichkeit zu erforschen.

Anschließend untersuchten die Autoren zerebrale Organoide von Schimpansen und Makaken, um zu verstehen, wie sich die Organoidentwicklung im Vergleich zum Menschen unterscheidet.

„Wir beobachteten eine ausgeprägtere kortikale Neuronenreifung bei Schimpansen- und Makakenorganoiden im Vergleich zu menschlichen Organoiden des gleichen Entwicklungsstandes“, sagt Co-Seniorautorin Barbara Treutlein. „Das deutet darauf hin, dass die menschliche neuronale Entwicklung langsamer verläuft als bei den anderen beiden Primatenarten.“

Ein erstaunlicher Befund, der begründet, warum Menschen deutlich länger brauchen, um erwachsen zu werden: Das Gehirn „nimmt sich deutlich mehr Zeit“, um zu reifen und dabei deutlich komplexere Strukturen auszubilden. Mehr Zeit bedeutet eben auch: Mehr Platz für zusätzliche Informationen.

Humanspezifische Genexpression

Darüber hinaus beobachteten die Forscher Gene mit humanspezifischer Expression während des Prozesses der Neurogenese und neuronalen Reifung. Im Vergleich mit Schimpansen- und Makakenorganoiden konnte gezeigt werden, dass viele dieser Veränderungen mit humanspezifischen Unterschieden bei der Chromatinzugänglichkeit in Verbindung stehen. Die Mehrheit dieser regulatorischen Regionen weist Veränderungen in der DNA-Sequenz auf, die von allen heute lebenden Menschen geteilt werden.

„Von einigen genetischen Veränderungen glauben wir, dass sie die Bindung von Transkriptionsfaktoren verändern, was möglicherweise erklären könnte, wie die Unterschiede bei der Genexpression zustande kommen“, sagt Gray Camp, Co-Seniorautor der Studie. „Viele dieser Gene sind an Prozessen wie der Zellvermehrung beteiligt, was zu einem größeren menschlichen Gehirn geführt haben könnte, und der Neuronenfunktion, was zu kognitiven und Verhaltensunterschieden beim Menschen im Vergleich zu anderen Primaten beigetragen haben könnte.“

Zerebrale Organoide von Schimpansen in der Petrischale. Foto: Sabina Kanton, MPI für evolutionäre Anthropologie

Zerebrale Organoide von Schimpansen in der Petrischale. Foto: Sabina Kanton, MPI für evolutionäre Anthropologie

Die Autoren untersuchten zudem die für Menschen spezifische Genexpression im präfrontalen Kortex (Stirnhirnrinde) von Erwachsenen und beobachteten Genexpressionsunterschiede, die von der frühen Entwicklung bis ins Erwachsenenalter nachweisbar sind, sowie zellzustandsspezifische Veränderungen, die ausschließlich im erwachsenen Gehirn auftreten.

„Unsere Daten dienen als Informationsquelle für die weitere Erforschung von Mechanismen der Genregulationsdynamik während der frühen Gehirnentwicklung, insbesondere derer, die sich bei der Gehirnentwicklung von Menschen und Schimpansen unterscheiden“, so die Autoren.

Was ja in der Summe nicht nur die Unterschiede zu den Menschenaffen erklärt. Denn da der „Reifungsprozess“ des menschlichen Gehirn so lange dauert, bedeutet das auch, dass die kulturelle Prägung einen viel größeren Anteil an der Ausprägung der Persönlichkeit hat. Der Mensch wird quasi erst in diesem Hirnstrukturierungsprozess zum Menschen. Gerade der über Jahre unfertige Zustand seines Gehirns ermöglicht es ihm, lauter Dinge zu lernen, die ihn befähigen, Dinge zu tun, die einem Schimpansen nicht mal im Traum einfallen würden.

Das heißt: Eine kleine genetische Veränderung sorgt dafür, dass der Aufbau des menschlichen Gehirns länger dauert und dabei deutlich komplexer wird. Und während der wachsende Mensch sein Gehirn permanent mit neuen Informationen füttert, formt er es auch, gibt also mit dem, was er lernt und begreift, seinem Gehirn eine unverwechselbare Struktur.

Indem eine kleine genetische Veränderung also dem Gehirn des Menschen erlaubt, sich über Jahre relativ eigenständig selbst zu vervollkommnen, entsteht ein Lebewesen, das genau diesen Prozess dazu nutzen kann, sich seiner selbst und der Welt bewusst zu werden.

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