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Glatt statt gefaltet: So entwickelt sich das Gehirn der Weißbüschelaffen
Das Gehirn von Weißbüschelaffen ist für Primaten ungewöhnlich klein und fast glatt. Vergleiche von Hirnorganoiden und fötalem Gewebe zeigen nun, dass nicht ein einzelner Mechanismus dahintersteckt. Vielmehr teilen sich bestimmte neuronale Vorläufer langsamer, wechseln später in andere Entwicklungsprogramme und besitzen teils einfachere Zellformen, wodurch weniger Nervenzellen entstehen.
Göttingen (Deutschland). Die Großhirnrinde vieler Primaten bildet im Verlauf der Entwicklung zahlreiche Furchen und Windungen aus. Diese Faltung vergrößert ihre Oberfläche und schafft Raum für zusätzliche Nervenzellen, ohne dass der Schädel im gleichen Maß wachsen muss. Beim Weißbüschelaffen bleibt die Hirnoberfläche dagegen nahezu glatt, obwohl frühe Entwicklungsstadien zunächst Merkmale eines stärker gefalteten Primatengehirns zeigen.
Vergleichende Analysen legen nahe, dass schon der gemeinsame Vorfahr der Primaten ein zumindest teilweise gefaltetes Gehirn besaß. Die glatte Großhirnrinde des Weißbüschelaffen gilt deshalb nicht einfach als ursprünglicher Zustand, sondern als Ergebnis einer späteren evolutionären Verkleinerung. Entscheidend ist damit die Frage, welche Entwicklungsprozesse die Produktion von Nervenzellen gegenüber stärker gefalteten Primaten begrenzen.
Wie dieser Unterschied während der Embryonalentwicklung entsteht, war bislang nur teilweise geklärt. Forscher des Deutschen Primatenzentrums (DPZ) um Prof. Dr. Michael Heide haben nun mehrere Vorgänge identifiziert, die gemeinsam die Produktion neuer Nervenzellen begrenzen. Dafür verglichen sie unter anderem Hirnorganoide von Menschen und Weißbüschelaffen und überprüften zentrale Beobachtungen an fötalem Gewebe der kleinen Primaten.
Hirnorganoide sind dreidimensionale Zellverbände, die wichtige Schritte der frühen Gehirnentwicklung im Labor nachbilden. Sie erlauben den Forschern, Entwicklungszeitpunkte und Zelltypen in vielen Proben miteinander zu vergleichen. Einige entscheidende Beobachtungen überprüfte das Team anschließend an fötalem Weißbüschelaffengewebe.
Im Mittelpunkt standen neurale Vorläuferzellen, aus denen während der Entwicklung die Nervenzellen der Großhirnrinde hervorgehen. Ein Teil dieser Zellen teilt sich beim Weißbüschelaffen deutlich langsamer als beim Menschen. Dadurch entstehen über denselben Zeitraum weniger Tochterzellen, aus denen wiederum weitere Vorläufer oder Nervenzellen hervorgehen können.
Zudem deuten die Experimente darauf hin, dass manche Vorläufer des Weißbüschelaffen besonders langsam durch den Zellzyklus laufen oder zeitweise in einem ruhenden Zustand verbleiben. Damit wird schon in einer frühen Phase die Zahl jener Zellen begrenzt, die später die Großhirnrinde vergrößern und zu ihrer Faltung beitragen können.
Im weiteren Verlauf verändert sich auch der Ort der Nervenzellproduktion. Bei Primaten übernehmen außerhalb der inneren Keimzone zunehmend basale Vorläuferzellen einen großen Teil der Zellvermehrung. Beim Weißbüschelaffen setzt dieser Übergang nach den Analysen später ein, wodurch für die starke Vermehrung dieser Zellen ein kürzeres Entwicklungsfenster bleibt.
Für den zeitlichen Vergleich bestimmten die Forscher zudem, welchem natürlichen Entwicklungsstadium ihre Organoide am ehesten entsprechen. Dabei ähnelten 50 Tage alte Weißbüschelaffen-Organoide dem fötalen Großhirn am 90. Entwicklungstag stärker als jüngere Organoide. So konnten die Forscher Veränderungen in Zellzusammensetzung und Genaktivität zwischen Modell und Gewebe zeitlich besser einordnen.
Auch die Form bestimmter basaler Vorläufer unterscheidet sich. Basale radiale Gliazellen des Weißbüschelaffen sind strukturell einfacher aufgebaut und besitzen weniger Verästelungen als entsprechende menschliche Zellen. Nach den Ergebnissen geht diese einfachere Gestalt mit einer geringeren Vermehrungsaktivität einher und trägt dadurch ebenfalls zu einer niedrigeren Nervenzellproduktion bei.