Was uns ein Blick auf mehr als 3.000 Arten von Zellen im menschlichen Gehirn sagt

Ein neuer Blick auf das menschliche Gehirn beginnt, das Innenleben seiner Zellbewohner zu enthüllen.

Das menschliche Gehirn verfügt über eine schwindelerregende Ansammlung unterschiedlicher Zellen, und zellulär gesehen gleicht kein Gehirn dem anderen. Dies sind die vorherrschenden Schlussfolgerungen einer Flut von 21 Artikeln, die am 12. Oktober online in Science, Science Advances und Science Translational Medicine veröffentlicht wurden.

Die Ergebnisse kratzen nur an der Oberfläche des Verständnisses der Geheimnisse des Gehirns. Dennoch bieten sie den bisher intimsten Einblick in die Zellen, aus denen das Gehirn besteht, und geben Hinweise darauf, wie das Gehirn Gedanken, Handlungen und Erinnerungen ermöglicht. Die Datenerhebung könnte Forschern auch bei der Suche nach den Ursachen von Hirnerkrankungen wie Schizophrenie, Alzheimer und Depression helfen.

Die neue Gehirnkarte ist das Ergebnis einer koordinierten internationalen Forschungsinitiative namens „Brain Initiative Cell Census Network“ (BICCN) der National Institutes of Health, die 2017 ins Leben gerufen wurde. Viele der Studien in der Sammlung basieren auf einer leistungsstarken Technologie namens Single-Census. Zellgenomik. Die Methode deckt auf, welche Gene in einer einzelnen Zelle aktiv sind – Informationen, die Hinweise auf die Identität und Funktion der Zelle geben.

Im Rahmen des BICCN untersuchten Forscher verschiedenste Gehirne. In einem Projekt wurden die Zellen in kleinen Stücken lebenden Gehirngewebes detailliert beschrieben, die von 75 Menschen entnommen wurden, die sich einer Operation wegen Tumoren oder Epilepsie unterzogen, ein Ansatz, der bereits in kleineren Maßstäben verwendet wurde (SN: 07.08.19). Ein anderer untersuchte Proben aus den Gehirnen von 17 verstorbenen Kindern. Ein weiterer untersuchte Gehirngewebe von sieben Menschen, sieben Schimpansen, vier Gorillas, drei Rhesusaffen und drei Weißbüschelaffen.

Die durch die Einzelzellgenomik bereitgestellte Auflösung enthüllte Details über menschliche Gehirnzellen auf eine Weise, die mit früheren Methoden nicht möglich war. „Es ist bemerkenswert, wie gut es funktioniert“, sagt Ed Lein, Neurowissenschaftler am Allen Institute for Brain Science in Seattle und einer der leitenden Forscher der BICCN-Gruppe. Insgesamt beschreiben die neuen Studien über 3.000 Zelltypen, die im menschlichen Gehirn vorkommen.

Die wichtigste Erkenntnis, sagt Lein, ist, dass „das Gehirn aus zellulärer Sicht wirklich komplex ist.“

Inmitten dieser Komplexität sind bereits mehrere wichtige Erkenntnisse entstanden, darunter Hinweise darauf, wie sich menschliche Gehirne entwickeln, wie sie sich von Mensch zu Mensch unterscheiden und wie sie sich von den Gehirnen naher Verwandter von Primaten unterscheiden.

Einige der Studien konzentrierten sich auf sehr junge Gehirne. Eine Untersuchung der ersten beiden Trimester des Gehirnwachstums brachte beispielsweise bisher unbekannte Details über die Identität von Nervenzellen im Thalamus zu Tage, einer Art Wegstation für Informationen, die ins Gehirn gelangen. Viele dieser Zellen, sogenannte GABAerge Neuronen, werden an anderer Stelle im sich entwickelnden Gehirn geboren und wandern in den Thalamus.

Andere Ergebnisse zeigen, dass die frühen Jahre sehr wichtig sind. Seth Ament, ein Neurowissenschaftler an der University of Maryland School of Medicine in Baltimore, und seine Kollegen untersuchten Gehirnzellen im Kleinhirn, einer Gehirnregion im hinteren Teil des Gehirns. Bei Kindern, die an einer Entzündung im Gehirn starben, wiesen bestimmte Arten von Nervenzellen – Purkinje- und Golgi-Neuronen – veränderte Mengen an aktiven Genen auf. Das Muster, das sich über acht Gehirne erstreckte, lässt darauf schließen, dass Entzündungen im frühen Leben die Entwicklung von Nervenzellen an bestimmten Stellen verändern könnten.

„Ich bin erstaunt, dass wir bei allen Proben etwas so Konsistentes gesehen haben“, sagt Ament.

Einige der Studien konzentrierten sich auf die Variabilität zwischen Gehirnregionen und zwischen Menschen.

In einer Studie wurden Zellen von etwa 100 Stellen aus vier erwachsenen Gehirnen untersucht. Die Forscher fanden unter anderem heraus, dass Zellen, die Astrozyten genannt werden, ihre Gene je nach Aufenthaltsort unterschiedlich nutzen. Der Befund deutet darauf hin, dass diese Zellen, von denen bekannt ist, dass sie Nervenzellen dabei helfen, Verbindungen herzustellen und das Gehirngewebe gesund zu halten, auf ihre Region spezialisiert sein könnten.

Eine andere Studie untersuchte acht Regionen des Neocortex, des faltigen äußeren Bereichs, der für anspruchsvolles Denken verantwortlich ist. Die Zellen in diesen Regionen sind einigermaßen standardisiert und einheitlich in 24 Kategorien eingeteilt, fanden die Wissenschaftler heraus. Die Regionen weisen jedoch Unterschiede in den Proportionen der Zellen auf. Was das für die Funktionsweise dieser Regionen bedeutet, ist unklar.

Auch zwischen Menschen gibt es Ähnlichkeiten. Beim Vergleich der Gehirnzellen von 75 Personen fanden die Forscher äußerst konsistente Zellmuster. Aber es gab auch viel Spielraum. Mikroglia, Immunzellen im Gehirn, die auch Nervenzellverbindungen formen, waren beispielsweise besonders einzigartig in den Genen, die sie von Mensch zu Mensch nutzen.

In einigen Forschungsarbeiten werden menschliche Gehirne mit verwandten Primaten verglichen, darunter Schimpansen, Gorillas, Rhesusaffen und Weißbüschelaffen. Durch die Untersuchung von Zellen im Gehirn anderer Primaten, sagt Lein, „können wir endlich die Frage stellen, was den Menschen einzigartig macht.“

Insgesamt unterschieden sich die Zellen im mittleren Schläfengyrus, einem Teil der Hirnrinde, zwischen den Primatengehirnen nicht sehr. „Es ist wirklich bemerkenswert, dass dieser komplexe Zellaufbau so erhalten bleibt“, sagt Lein. „Aber Sie haben auch diese Veränderungen.“

Forscher fanden heraus, dass menschliche Gehirnzellen im Vergleich zu anderen Primaten bestimmte Gene anders nutzen – insbesondere Gene, die damit zusammenhängen, wie die Zellen Verbindungen herstellen und kommunizieren. Die Analyse ergab auch einige hundert Gene, die sich in Gehirnzellen offenbar auf menschenspezifische Weise verhalten. Die Forscher wissen noch nicht, was diese Gene tun könnten.

Der bildgebende Neuroanatom Matthew Glasser warnt davor, dass es schwierig sein kann, genau zu sagen, welche Gehirnbereiche bei Primaten vergleichbar sind. Dennoch seien die Ergebnisse „der erste Schritt zu etwas wirklich Coolem“, sagt Glasser von der Washington University School of Medicine in St. Louis, der nicht an diesen Studien beteiligt war.

Insgesamt sind die Fortschritte, die diese und verwandte Ergebnisse darstellen, „wirklich umwerfend“, sagt der kortikale Kartograph David Van Essen, der nicht an den neuen Studien mitgearbeitet hat. „Die Community wird sicherlich von dem profitieren, was in dieser Papiersammlung herauskommt.“

Aber was noch wichtiger ist: Es ist nur ein Vorgeschmack auf das, was noch kommt. „Meiner Ansicht nach ist das kein Endpunkt“, sagt Van Essen, ebenfalls an der Washington University. „Es ist eher ein Mittelpunkt.“

Ament stimmt zu. „Diese Papiere, so wichtig ich sie auch finde, sind nicht das Ende“, sagt er. „Es ist eher der Anfang, und jetzt haben wir noch viel mehr Arbeit vor uns.“

Die neuen Gehirnkarten werden wahrscheinlich überarbeitet, verfeinert und ergänzt, sagt Lein. Wissenschaftler arbeiten bereits an den nächsten Iterationen, die darauf abzielen, verkleinerte Ansichten von Gehirnnetzwerken und Gehirnverhalten mit den ultrafeinen Details der Einzelzellentechnologie zu kombinieren.

„Jetzt, da wir über diese Techniken verfügen“, sagt Glasser, „versuchen wir, sie mit der Bildgebung des Gehirns und der Systemneurowissenschaft zu kombinieren, um das Rätsel tatsächlich zu lösen.“

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