Jahrhundertelang haben Wissenschaftler das Gehirn als ein einziges, einheitliches Organ betrachtet. Doch neue Forschungen unter der Leitung von Stanford Medicine enthüllen, dass das, was wir als Gehirn bezeichnen, zwei unterschiedliche Organe sind, die sich über Hunderte von Millionen Jahren unabhängig voneinander entwickelt haben.

Diese Entdeckung wirft ein vorherrschendes Modell der Gehirnentwicklung um. Seit Jahrzehnten waren Forscher der Theorie gefolgt, dass es zu Beginn der Entwicklung eine einzige Vorläuferzelle gibt, aus der das gesamte Gehirn hervorgeht.

Dieses Modell legte nahe, dass alle Teile des Gehirns einen gemeinsamen Entwicklungsursprung haben. Das neue Forschungsergebnis zeigt, dass das menschliche Gehirn aus zwei uralten Nervensystemen besteht, die geschickt zusammengepackt sind — ein primitiverer Teil, der unseren Herzschlag, unsere Atmung und andere Funktionen reguliert, und ein anderer, der uns zu etwas ganz Besonderem macht, fähig zu Poesie, Mathematik und dem Nachdenken über unsere eigenen Ursprünge.

Diese Entdeckung könnte erklären, warum Wissenschaftler jahrzehntelang darum gekämpft haben, bestimmte Typen von Gehirnzellen im Labor zu züchten. Sie eröffnet auch neue Wege zur Erforschung verheerender Krankheiten, die den Hirnstamm betreffen, wie spinale Muskelatrophie (auch bekannt als SMA) und amyotrophe Lateralsklerose (auch bekannt als ALS oder Lou-Gehrig-Krankheit).

„Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass der vordere Teil des Gehirns aus einer völlig anderen Vorläuferzelle entsteht als der hintere Teil des Gehirns“, sagte Kyle Loh, PhD, Associate Professor für Entwicklungsbiologie.

„Unsere Entdeckung bedeutet, dass wir nun Neuronen aus dem hinteren Gehirn, dem Hindahirin bzw. dem Rautenhirn, in einer Petrischale züchten und ihre Funktionen untersuchen können.“ Die Ergebnisse wurden am 18. September in Nature Neuroscience veröffentlicht.

Loh ist der leitende Autor. Die Doktoranden Carolyn Dundes und Rayyan Jokhai sind die Ko-Erstautoren der Forschung.

Das erwachsene Gehirn hat drei Hauptregionen: das Vorderhirn, das Mittelhirn und das Rautenhirn. Das Vorderhirn steuert das Denken höherer Ordnung — Sprache, Bewusstsein und abstraktes Denken.

Im Gegensatz dazu steuert das Rautenhirn, das sich am Hinterkopf befindet und oft als Hirnstamm bezeichnet wird, wesentliche, automatische Funktionen, die uns am Leben erhalten: Atmung, Schlaf und die Regulierung unseres Herzschlags sowie unseres Hungergefühls.

Die Neuronen des Rautenhirns steuern auch die Muskeln von Gesicht, Zunge und Rachen, die sich auf Sprache und Schlucken auswirken. Trotz der entscheidenden Bedeutung des Rautenhirns haben Wissenschaftler jahrzehntelang darum gekämpft, menschliche Rautenhirn-Neuronen im Labor zu erzeugen.

Diese Lücke hat die Erforschung verheerender Krankheiten, die den Hirnstamm betreffen, einschließlich spinaler Muskelatrophie und amyotropher Lateralsklerose, behindert. SMA ist eine der häufigsten genetischen Todesursachen bei Kindern unter 1 Jahr.

ALS, die oft im Alter zwischen 40 und 70 Jahren diagnostiziert wird, betrifft sowohl das Vorderhirn als auch das Rautenhirn. Bei beiden Erkrankungen stellen bestimmte Neuronen des Rautenhirns allmählich ihre Funktion ein, und der Patient verliert die Fähigkeit zu schlucken, was eine Lungenentzündung verursachen kann, wenn Nahrung oder Flüssigkeit in die Lunge eingeatmet wird; schließlich verlieren die Patienten die Fähigkeit zu atmen.

Der Durchbruch der Forscher gelang bei der Untersuchung der frühesten Momente der embryonalen Entwicklung, während einer Phase namens Gastrulation, in der der Körper zum ersten Mal seine Form annimmt. Jokhai und Dundes entdeckten, dass das Rautenhirn einen eigenen Entwicklungspfad beschreitet, der parallel zu dem Pfad verläuft, der das Vorderhirn und das Mittelhirn erzeugt, anstatt von ihm abzweigend.

Die Forscher fanden dies bei der Untersuchung sich entwickelnder Mausembryonen heraus. Sie identifizierten zwei verschiedene Gehirn-Vorläuferzellen.

Die eine, die ein Gen namens Otx2 exprimiert, ist dazu bestimmt, das Vorder- und Mittelhirn zu werden. Die andere, die ein Gen namens Gbx2 exprimiert, ist auf die Bildung des Rautenhirns festgelegt.

Sie zeigten, dass sich diese beiden Zellpopulationen niemals überschneiden; sie schließen sich von den frühesten Entwicklungsstadien an gegenseitig aus. Das Team untersuchte dann die DNA-Verpackung, das Chromatin, in diesen Zellen.

Chromatin ist eine Art und Weise, wie Zellen bestimmen, auf welche Gene leicht zugegriffen werden kann und welche unerreichbar gebunden sind. Was sie fanden, war auffällig: Das anteriore neurale Ektoderm (zukünftiges Vorder- und Mittelhirn) und das posteriore neurale Ektoderm (zukünftiges Rautenhirn) haben grundlegend unterschiedliche Chromatinkonfigurationen.

Diese Unterschiede fixierten im Wesentlichen jede Vorläuferzelle auf ihr jeweiliges Schicksal, wie Reisende auf parallelen Gleisen, die sich niemals kreuzen.

„Frühere Versuche, Rautenhirn-Neuronen herzustellen, versuchten wahrscheinlich, Vorder- und Mittelhirn-Vorläufer in Rautenhirn-Zellen umzuwandeln, was unsere Studie zeigt, dass dies nicht möglich ist“, sagte Jokhai.

Diese Offenbarung erklärte jahrzehntelange Frustration auf diesem Gebiet — Wissenschaftler hatten versucht, einen Typ von Vorläuferzelle in einen anderen zu verwandeln, zu dem er grundlegend nicht fähig ist.

„In der Stammzellbiologie sind die Leute immer darauf fixiert, den endgültigen Zelltyp wie das Neuron zu erzeugen“, sagte Jokhai.

„Aber es ist wichtig, in den frühesten Stadien der embryonalen Entwicklung zu beginnen. Unsere sorgfältige Aufmerksamkeit auf diesen frühen Zeitpunkt erlaubte es uns, diese fundamentale Spaltung in der Gehirnentwicklung zu finden.“

Ausgestattet mit diesem Wissen gelang es den Forscher zum ersten Mal erfolgreich, menschliche pluripotente Stammzellen (eine Art von Zelle, die jede Zelle im menschlichen Körper erzeugen kann) dazu zu bringen, im Labor zu funktionellen Rautenhirn-Motoneuronen zu werden.

Diese im Labor gezüchteten Neuronen zeigten alle Merkmale authentischer Rautenhirn-Zellen: Sie wiesen Wellen elektrischer Aktivität auf, die Aktionspotenziale genannt werden, und produzierten Proteine, die die Segmente des Rautenhirns identifizieren, welche Gesichts- und Schluckmuskeln steuern.

Schließlich blickten die Forscher 550 Millionen Jahre in der Evolutionszeit zurück. Sie fanden dasselbe Gehirnmuster mit zwei Ursprüngen bei Hühnern, Zebrabärblingen und, bemerkenswerterweise, bei Eichelwürmern, winzigen Kreaturen auf dem Meeresboden, die einen fernen gemeinsamen Vorfahren mit Menschen teilen.

Quallen, die sich vor etwa 600 bis 700 Millionen Jahren von Menschen abspalteten, haben zwei Nervensysteme an verschiedenen Enden ihres Körpers.

„Unsere Forschung legt nahe, dass die Evolution zwei bestehende Nervensysteme nahm und sie räumlich zusammenschob“, sagte Loh.

„Das Gehirn als ein einziges Organ zu haben, wäre wahrscheinlich effizienter, aber wir verlassen uns auf diese urtümliche Art und Weise, das Gehirn als zwei getrennte Stücke zu machen.“

„Ich war überrascht von unseren Ergebnissen, da das Wort ,Gehirn‘ ein zusammenhängendes Organ impliziert, das wahrscheinlich einen einzigen Ursprung hat“, sagte Jokhai.

„Aber selbst vor 500 Millionen Jahren gab es diese getrennten Nervensysteme, die jetzt fast als eines funktionieren, was sehr cool ist.“

Die Forschung hat auch Auswirkungen auf die Untersuchung von Behandlungen für SMA, ALS und andere Erkrankungen, die den Hirnstamm betreffen.

Bisher war die Erforschung dieser Krankheiten nahezu unmöglich, da Wissenschaftler kein Hirnstammgewebe von lebenden Patienten erhalten können. Die Fähigkeit, diese Neuronen in einer Schale zu züchten, eröffnet neue Möglichkeiten, um zu verstehen, was schiefgeht.

Es gibt sogar eine unerwartete Verbindung zur Adipositasbehandlung: Das Rautenhirn enthält Schaltkreise, die den Hunger regulieren — genau so funktionieren Gewichtsverlustmedikamente wie Semaglutid.

Die Forscher möchten ihre Studien ausdehnen, um die Entwicklungsursprünge des Rückenmarks zu bestimmen und genau herauszufinden, wie SMA und ALS die Funktion der Rautenhirn-Neuronen beeinträchtigen.

„Jetzt haben wir ein Modell, um diese verheerenden Krankheiten besser zu verstehen und auf regenerative Therapien für sie hinzuarbeiten“, sagte Jokhai. „Das ist eine sehr aufregende neue Grenze in der Gehirnforschung.“

Forscher des California Institute of Technology und der University of California, San Francisco trugen zu der Studie bei.