Wie bauen sich entwickelnde Gehirne zusammen und organisieren sich?

Jul 30, 2023

Beuteltierstudie zeigt, dass Gehirnbereiche schon sehr früh durch unterschiedliche Aktivitätsmuster gekennzeichnet waren

von Tamara Bhandari•29. August 2023

Linda Richards, PhD (am Mikroskop) Leiterin der Abteilung für Neurowissenschaften an der Washington University School of Medicine in St. Louis, veröffentlichte kürzlich eine Studie, die einige der frühesten Ereignisse in der Gehirnentwicklung beschreibt. Die Ergebnisse legen den Grundstein für das Verständnis der Ursachen von Hirnerkrankungen wie Epilepsie, Autismus und geistiger Behinderung.

Babys werden mit einem vororganisierten Gehirn in Bereichen geboren, die der Bewegung, dem Sehen, dem Hören und anderen Funktionen gewidmet sind. Dies ist eine entscheidende Infrastruktur, die es ihnen ermöglicht, vom Moment ihrer ersten Atemzüge an etwas über die Welt zu lernen. Aufgrund der Herausforderungen, die die Untersuchung der Gehirnentwicklung vor der Geburt mit sich bringt, ist jedoch wenig darüber bekannt, wie die Architektur des Gehirns aufgebaut ist.

Da kommen Dickschwanz-Dunnarts ins Spiel, mausähnliche Beuteltiere, die bereits nach 13 Tagen der Trächtigkeit geboren werden und deren Gehirne noch weitgehend ungeformt sind. Durch die Überwachung der Gehirnentwicklung von Dunnart Joeys, während sie in den Beuteln ihrer Mütter heranreiften, gewannen Forscher an der Washington University School of Medicine in St. Louis Erkenntnisse darüber, wie sich die äußere Oberfläche des Gehirns, die als Kortex bekannt ist, organisiert und strukturiert – a entscheidender Prozess, der bisher für wissenschaftliche Untersuchungen nahezu undurchschaubar war. Das Verständnis, wie die Gehirnstruktur normalerweise entsteht, könnte wichtige Hinweise darauf liefern, warum und wie der Prozess manchmal schiefläuft und zu neurologischen Störungen führt.

Die Studie ist online in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences verfügbar.

„Selbst während sich der Kortex noch bildet, entstehen in verschiedenen Funktionsbereichen des Gehirns unterschiedliche Aktivitätsmuster“, sagte die leitende Autorin Linda J. Richards, PhD, Edison-Professorin für Neurobiologie und Leiterin der Abteilung für Neurowissenschaften. „Diese Muster können entscheidend für die Herstellung von Verbindungen zwischen verschiedenen Gehirnbereichen sein. Wir möchten wissen, wie sich Musteraktivität im Gehirn entwickelt und was passiert, wenn das schief geht. Wie stören Veränderungen der Musteraktivität den Aufbau von Gehirnschaltkreisen und welche Auswirkungen könnte das auf Gehirnerkrankungen wie Epilepsie oder Autismus haben?“

Die Entwicklung des Nervensystems bei Säugetieren, darunter auch beim Menschen, beginnt mit der Entstehung eines sogenannten Neuralrohrs in den ersten Wochen nach der Empfängnis. Ein Ende des Neuralrohrs geht in ein Gehirn über; der andere verlängert sich in das Rückenmark. Über mehrere Wochen hinweg organisieren sich Zellen in der Außenfläche des entstehenden Gehirns zur Großhirnrinde, der zerknitterten Außenfläche des Gehirns, die für Gedächtnis, Denken, Lernen, Wahrnehmung und Emotionen verantwortlich ist. Ein Dunnart wird direkt nach der Bildung des Neuralrohrs geboren, sodass sich seine Großhirnrinde entwickelt, während er sich im Beutel seiner Mutter befindet. Bei Menschen beginnt die Bildung der Großhirnrinde etwa fünf Wochen nach der Empfängnis und entwickelt sich bis zum zweiten Schwangerschaftstrimester weiter.

Zum Forschungsteam gehörten neben Richards der Co-Autor Geoffrey J. Goodhill, PhD, Professor für Entwicklungsbiologie und Neurowissenschaften an der School of Medicine; sowie die Co-Erstautoren Rodrigo Suárez, PhD, Tobias Bluett und Michael H. McCullough, PhD, die alle an der University of Queensland in Australien waren, als die ersten Forschungsarbeiten durchgeführt wurden.

Wenn Neuronen aktiv sind, steigt der Kalziumspiegel in den Zellen. Um die neuronale Aktivität im Gehirn der Joeys zu überwachen, verwendeten die Forscher einen fluoreszierenden Indikator, der aufleuchtete, wenn der Kalziumspiegel anstieg. Sie fanden heraus, dass Aktivitätsmuster sehr früh entstanden, selbst als noch neue Neuronen erzeugt wurden und sich die sechsschichtige Struktur des Kortex noch im Aufbau befand.

„Schon sehr früh fängt man an, ein wenig Aktivität zu verspüren, die keinem Muster folgt, aber sobald man Muster erkennen kann, unterscheiden sie sich in den somatosensorischen und visuellen Bereichen des Gehirns.“ sagte Richards.

Deutliche Aktivitätsmuster entstehen etwa zur gleichen Zeit, in der Verbindungen zwischen der Großhirnrinde und dem Thalamus hergestellt werden, einer eiförmigen Struktur in der Mitte des Gehirns, die motorische und sensorische Signale an die Großhirnrinde weiterleitet. Die Forscher führen nun weitere Studien durch, um die Rolle des Thalamus bei der Entwicklung des Kortex zu untersuchen, sagte Richards.

„Dunnarts und Mäuse sind in der Evolution etwa 120 Millionen Jahre voneinander entfernt, und dennoch weisen sie sehr ähnliche frühe Aktivitätsmuster auf“, sagte Richards. „Es ist bemerkenswert. Alles, was über einen so langen Zeitraum evolutionär konserviert wird, ist wahrscheinlich für die normale Funktion von entscheidender Bedeutung. Es ist sehr wahrscheinlich, dass diese bereichsspezifischen Muster eine Rolle bei der Bildung der Gehirnschaltkreise spielen, die allen Aspekten der Gehirnfunktion zugrunde liegen, und Dunnarts haben die Art und Weise, wie wir diese Prozesse untersuchen können, verändert.“

Suárez R, Bluett T, McCullough MH, Avitan L, Black DA, Paolino A, Fenlon LR, Goodhill GJ, Richards LJ. Kortikale Aktivität entsteht in regionalspezifischen Mustern während der frühen Gehirnentwicklung. Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften. 22. Mai 2023. DOI: 10.1073/pnas.2208654120

Die Finanzierung dieses Projekts erfolgte durch den Australian National Health and Medical Research Council, Fördernummern GNT1159778, GNT1120615, GNT1196855 und 2013349; Australian Research Council, Fördernummern DP160103958, DE160101394 und DP200103090; Die University of Queensland, Fördernummer UQECR1719425; die Brain and Behavior Research Foundation, Fördernummer 26728; und die National Institutes of Health (NIH), Fördernummer DP1NS127279.

Über die Washington University School of Medicine

WashU Medicine ist weltweit führend in der akademischen Medizin, einschließlich biomedizinischer Forschung, Patientenversorgung und Bildungsprogrammen mit 2.800 Lehrkräften. Sein Forschungsfinanzierungsportfolio der National Institutes of Health (NIH) ist das drittgrößte unter den US-amerikanischen medizinischen Fakultäten, ist in den letzten sechs Jahren um 52 % gewachsen, und zusammen mit institutionellen Investitionen stellt WashU Medicine jährlich weit über 1 Milliarde US-Dollar für Grundlagenforschung und klinische Forschung bereit Innovation und Ausbildung. Die Fakultätspraxis gehört durchweg zu den Top 5 des Landes. Mehr als 1.800 Fakultätsärzte praktizieren an 65 Standorten und sind auch das medizinische Personal der Kinderkrankenhäuser Barnes-Jewish und St. Louis von BJC HealthCare. WashU Medicine blickt auf eine lange Geschichte in der Ausbildung von Medizinern und Doktoranden zurück, hat kürzlich 100 Millionen US-Dollar für Stipendien und Lehrplanerneuerungen für seine Medizinstudenten bereitgestellt und bietet erstklassige Ausbildungsprogramme in allen medizinischen Fachgebieten sowie in der Physiotherapie, Ergotherapie und Audiologie und Kommunikationswissenschaften.

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Tamara deckt Infektionskrankheiten, molekulare Mikrobiologie, Neurologie, Neurowissenschaften, Chirurgie, das Institut für Informatik, die Abteilung für Ärzte und Wissenschaftler sowie das MSTP-Programm ab. Sie verfügt über einen Doppel-Bachelor-Abschluss in molekularer Biophysik und Biochemie sowie in Soziologie von der Yale University, einen Master-Abschluss in öffentlicher Gesundheit von der University of California, Berkeley, und einen Doktortitel in biomedizinischer Wissenschaft von der University of California, San Diego. Sie kam 2016 zu WashU Medicine Marketing & Communications. Sie hat drei Robert G. Fenley-Schreibpreise von der American Association of Medical Colleges erhalten: einen Bronzepreis im Jahr 2020 für „Das Qualitätskontrollzentrum des Geistes befindet sich in einem lange ignorierten Gehirnbereich“, einen Silberpreis im Jahr 2020 2022 für „Mäuse mit halluzinationsähnlichem Verhalten geben Aufschluss über psychotische Erkrankungen“ und Bronze im Jahr 2023 für „Die Rasse der Menschen, denen Alzheimer-Bluttests durchgeführt werden, kann die Interpretation der Ergebnisse beeinflussen.“