Die Falten des menschlichen Gehirns sind sofort erkennbar. Schlängelnde Grate und tiefe Furchen verleihen dem matschigen Gewebe in unseren Köpfen Struktur und das Aussehen einer faltigen Walnuss.
Die äußerste Schicht des Gehirngewebes wird in Spitzen, die Gyri genannt werden, und Risse, die Sulci genannt werden, gefaltet, so dass Unmengen davon in den Schädel gequetscht werden können, und hier, auf der faltigen Oberfläche des Gehirns, finden Gedächtnis, Denken, Lernen und Argumentation statt .
Diese Faltung oder Gyrifizierung ist entscheidend für die ordnungsgemäße Funktion und Schaltung des Gehirns – und soll der Grund dafür sein, dass Menschen größere kognitive Fähigkeiten haben als Affen und Elefanten, deren Gehirne einige Falten haben, und Ratten und Mäuse, deren Gehirne mit glatter Oberfläche keine haben.
Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern entdeckt, warum manche Menschen mehr Gehirnfalten haben als andere, in einem Zustand, der die normale Gehirnentwicklung beeinträchtigt und als Polymikrogyrie (PMG) bezeichnet wird.
Bei der Polymikrogyrie werden zu viele Gyri übereinander gestapelt, was zu einem ungewöhnlich dicken Cortex führt und zu einem breiten Spektrum von Problemen wie neurologischer Entwicklungsverzögerung, geistiger Behinderung, Sprachschwierigkeiten und epileptischen Anfällen.
„Bis vor kurzem haben die meisten Krankenhäuser, die Patienten mit dieser Erkrankung behandeln, keine Tests auf genetische Ursachen durchgeführt“, erklärt der Neurowissenschaftler Joseph Gleeson von der University of California San Diego (UCSD), einer der Forscher hinter der neuen Studie.
Polymikrogyrie tritt in vielen Formen auf, mit lokalisierter oder weit verbreiteter kortikaler Verdickung, die auf Gehirnscans nachweisbar ist.
Mutationen in 30 Genen und Zählen wurden mit der Erkrankung in Verbindung gebracht. Aber wie einer dieser genetischen Fehler, allein oder zusammen, zu dem überfalteten Gehirngewebe führt, bleibt unklar. Vielen Fällen von PMG fehlt auch eine identifizierbare genetische Ursache.
Es wird angenommen, dass es etwas mit der verzögerten Migration kortikaler Gehirnzellen in der frühen Entwicklung zu tun hat, die zu einem ungeordneten Kortex führt. Der Kortex ist die äußerste Schicht des zweilappigen Großhirns, eine dünne Schicht grauer Substanz, die aus Milliarden von Zellen besteht.
Um weitere Untersuchungen durchzuführen, arbeitete Gleeson mit Forschern des Human Genetics and Genome Research Institute in Kairo zusammen, um eine Datenbank mit fast 10.000 Familien aus dem Nahen Osten zu erschließen, die von irgendeiner Form von pädiatrischer Hirnerkrankung betroffen waren.
Sie fanden vier Familien mit einer nahezu identischen Form von PMG, die alle Mutationen in einem Gen enthielten. Dieses Gen kodiert für ein Protein, das an der Oberfläche von Zellen haftet und den fantasievollen Namen Transmembranprotein 161B (TMEM161B) trägt. Aber niemand wusste, was es tat.
Gleeson und Kollegen zeigten in nachfolgenden Experimenten, dass TMEM161B in den meisten fötalen Gehirnzelltypen vorkommt: in Vorläuferzellen, die zu spezialisierten Neuronen heranwachsen, in reifen Neuronen, die ihre Nachbarn erregen oder hemmen, und in Gliazellen, die Neuronen auf verschiedene Weise unterstützen und schützen.
TMEM161B stammt jedoch aus einer Familie von Proteinen, die evolutionär gesehen erstmals in Schwämmen auftauchten – die kein Gehirn haben.
Dies verwirrte Gleeson und den UCSD-Neurowissenschaftler Lu Wang, die sich fragten, ob das Protein die kortikale Faltung indirekt beeinflussen könnte, indem es sich in einige grundlegende zelluläre Eigenschaften einmischt, die komplexen Geweben Form verleihen.
„Nachdem wir TMEM161B als Ursache identifiziert hatten, machten wir uns daran zu verstehen, wie übermäßige Faltung auftritt“, sagt Wang, der Hauptautor der Studie.
Unter Verwendung von Stammzellen, die aus Hautproben von Patienten gewonnen wurden, erzeugten die Forscher Organoide, winzige Gewebenachbildungen, die sich in Plastikschalen selbst organisieren, so wie es Körpergewebe und Organe tun. Die aus Patientenzellen hergestellten Organoide waren jedoch stark desorganisiert und zeigten unterbrochene radiale Gliafasern.
Im sich entwickelnden Gehirn positionieren sich diese Vorläuferzellen – aus denen Neuronen und Gliazellen entstehen – normalerweise an der Spitze des Cortex und erstrecken sich radial nach unten in Richtung der untersten Schicht des kortikalen Gewebes. Dadurch entsteht ein Gerüstsystem, das die Migration anderer neu gebildeter Zellen unterstützt, wenn sich der Kortex ausdehnt.
Aber ohne TMEM161B hatten die radialen Gliafasern in den Organoiden das Gefühl dafür verloren, in welche Richtung sie sich orientieren sollten. Weitere Experimente zeigten auch, dass das innere Zytoskelett der Zellen ein Durcheinander war.
Es scheint also, dass radiale Gliafasern ohne ihr eigenes inneres Gerüst nicht das Gerüst sein können, das andere Zellen brauchen, um ihren Weg in das sich entwickelnde Gehirn zu finden.
Obwohl diese Entdeckung ein vielversprechender Schritt nach vorne ist und uns Hinweise darauf gibt, wie sich die Erkrankung entwickelt, ist sie möglicherweise nur für einen kleinen oder noch unbekannten Bruchteil der PMG-Fälle relevant.
Es ist noch viel mehr Forschung erforderlich, um unser Verständnis darüber zu vertiefen, wie viele Menschen mit PMG von Mutationen in TMEM161B betroffen sind – aber jetzt wissen die Forscher, wonach sie suchen müssen, sie können andere Datensätze durchsuchen und nach weiteren Fällen suchen.
“Wir hoffen, dass Ärzte und Wissenschaftler unsere Ergebnisse erweitern können, um die Diagnose und Versorgung von Patienten mit Hirnerkrankungen zu verbessern”, sagt Gleeson. Das ist ein langer Weg, aber ein hoffnungsvoller.
Die Studie ist erschienen in PNAS.