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Entwicklung des Neokortex Lange Tragezeit bringt größere Gehirne

| Redakteur: Christian Lüttmann

Der evolutionsgeschichtlich jüngste Teil des Gehirns ist entscheidend für das Sprechen, Träumen und Denken. Wie groß der Neokortex genannte Hirnteil wird, hängt nicht nur von den Genen, sondern auch von der Tragezeit während der Schwangerschaft ab. Dies haben Forscher nun im Mausmodell belegt. Eine längere Tragezeit erlaubt demnach die Bildung von mehr neokortikalen Nervenzellen.

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Nervenzellen in den tiefen (Magenta) und oberen (grün) Neokortex-Schichten bei Mäusen mit kurzer (l.) und langer (r.) Tragezeit. Man erkennt die Nervenzell-Zunahme in den oberen Schichten im Mausembryo mit langer Tragezeit.
Nervenzellen in den tiefen (Magenta) und oberen (grün) Neokortex-Schichten bei Mäusen mit kurzer (l.) und langer (r.) Tragezeit. Man erkennt die Nervenzell-Zunahme in den oberen Schichten im Mausembryo mit langer Tragezeit.
(Bild: Stepien, Vaid, Huttner / MPI-CBG)

Dresden – Das Gehirn hat in der Evolutionsgeschichte den entscheidenden Vorteil für den Menschen gebracht. Es hat sich so weiterentwickelt, dass wir durch Nachdenken komplexe Probleme lösen und unsere Umgebung damit ständig analysieren und hinterfragen können. Entscheidend beteiligt an Prozessen wie Sprechen, Träumen und Denken ist der Neokortex, der evolutionär gesehen jüngste Teil des Gehirns. Dieser ist beim Menschen etwa dreimal so groß wie bei unseren nächsten lebenden Verwandten, den Schimpansen.

In den vergangenen Jahren hat ein Forscherteam am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) unter der Leitung eines der Gründungsdirektoren des Instituts, Wieland Huttner, die Ursache für die evolutionäre Expansion des menschlichen Neokortex erforscht. Man vermutete bereits 2014 aufgrund von Modellrechnungen, dass das Zeitfenster, in dem die neokortikalen Nervenzellen produziert werden können, eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Neokortex vor der Geburt spielen. Diese Entwicklungszeit wird als neurogene Phase bezeichnet.

Wie die Tragezeit das Gehirn beeinflusst

Die aktuelle Studie der Gruppe liefert nun experimentelle Beweise für die Annahme aus den mathematischen Modellen. Die Wissenschaftler zeigten, dass eine längere neurogene Phase ein zentraler Aspekt der Vergrößerung des Neokortex ist. „Wir haben herausgefunden, dass Embryonen von Mauslinien mit einer längeren Tragezeit (20,5 Tage) tatsächlich eine längere neurogene Phase haben und bemerkenswerterweise mehr Nervenzellen für die oberen neokortikalen Schichten bilden als Embryonen von Mauslinien mit einer kürzeren Tragezeit (19,5 Tage)“, fasst Samir Vaid, einer der Hauptautoren der Studie, zusammen.

Diese Beobachtung passt zu dem Vergleich von Menschen mit anderen Primaten: Der Mensch hat die längste Tragezeit, die längste neurogene Phase und die größte Anzahl neokortikaler Nervenzellen. Die neurogene Phase beim Menschen ist acht bis neun Tage länger als bei den Menschenaffen (Gorilla, Orang-Utan). „Während der neokortikalen Neurogenese werden die Nervenzellen der oberen Schicht zuletzt gebildet. Daher führt eine Verlängerung dieser letzten Phase der Neurogenese zu einer spezifischen Vermehrung der Nervenzellen der oberen neokortikalen Schichten, was ein Kennzeichen der evolutionären Expansion des Neokortex ist“, ergänzt Vaid.

Auch die Mutter beeinflusst die Gehirnentwicklung

Bei Modellversuchen mit Mäusen kürzerer und längerer Tragezeit, machten die Wissenschaftler noch eine entscheidende Beobachtung. „Mit Erstaunen stellten wir fest, dass nicht die genetische Anlage des Embryos, sondern vielmehr die mütterliche Umgebung bestimmt, wie lange die neurogene Phase dauert“, sagt Barbara Stepien, Erstautorin der Studie.

Das Team analysierte einen chimären Embryo von Maus und Ratte, der sich im Inneren einer Rattenmutter entwickelte, und fand dadurch heraus, dass Faktoren aus der Rattenumgebung die Bildung der Maus-Nervenzellen für die oberen neokortikalen Schichten beeinflussten. Das lässt vermuten, dass ein äußerer Einfluss auf die Nervenzellenbildung für die oberen neokortikalen Schichten ein konserviertes, speziesübergreifendes Phänomen sein könnte.

Erkenntnisse relevant für Kognitionsforschung

Mit ihrer Studie haben die Forscher belegt, dass die Tragezeit ein entscheidender Faktor für die Entwicklung des Neokortex ist, zusätzlich zu dem genetischen Faktor. „Interessanterweise stehen die Wirkung der Gene und die Rolle der neurogenen Phase nicht im Widerspruch zueinander“, sagt Studienleiter Huttner. „So bewirkt das menschenspezifische Gen ARHGAP11B, das für die Expansion des menschlichen Neokortex wesentlich ist, tatsächlich eine Verlängerung der neurogenen Phase. Allgemeiner gesagt, könnten unsere Ergebnisse dazu beitragen, weitere Erkenntnisse über die Ursachen und Abhilfe von Störungen der neuralen Entwicklung zu gewinnen, insbesondere im Bereich der Kognition.“

Originalpublikation: Barbara K. Stepien, Ronald Naumann, Anja Holtz, Jussi Helppi, Wieland B. Huttner, Samir Vaid: Lengthening neurogenic period during neocortical development causes a hallmark of neocortex expansion, Current Biology, 03. September 2020; DOI: 10.2139/ssrn.3565014

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