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WASHINGTON – Durch die detailliertere Untersuchung des menschlichen Gehirns auf zellulärer Ebene als je zuvor haben Wissenschaftler eine enorme Vielfalt an Zelltypen – mehr als 3.300 – identifiziert, die unser komplexestes Organ bevölkern, und einen Atlas erstellt, der dabei helfen könnte, die zelluläre Grundlage neurologischer Erkrankungen zu bestimmen und neue Therapeutika ermöglichen.
Die am Donnerstag vorgestellte ehrgeizige Forschung untersuchte auch Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den Gehirnen von Menschen und anderen Primaten – Schimpansen, Gorillas, Rhesusaffen und Krallenaffen – und beleuchtete einige der Faktoren, die uns von unseren evolutionären Verwandten trennen und uns wirklich zu Menschen machen.
Die Arbeit, die in 21 Studien vorgestellt wird, die in Science und zwei anderen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden, wurde vom Konsortium der National Institutes of Health BRAIN Initiative Cell Census Network der US-Regierung unterstützt.
Das menschliche Gehirn ist im Hinblick auf seinen Nutzen – Wahrnehmung, Bewegung, Lesen, Schreiben, Sprechen, Denken und mehr – und seine zelluläre Vielfalt komplex.
Neuronen – oder Nervenzellen – sind die Grundeinheiten des Gehirns. Sie nehmen sensorische Eingaben auf, übermitteln Befehle an die Muskeln und übermitteln dabei elektrische Signale. Das Gehirn besteht aus fast 100 Milliarden Neuronen und noch mehr nicht-neuronalen Zellen. Diese sind alle in Hunderten verschiedener Gehirnstrukturen organisiert, die ein Spektrum von Funktionen steuern.
Die Forschung identifizierte 3.313 Zelltypen, etwa zehnmal mehr als bisher bekannt, und den vollständigen Satz von Genen, die von jedem Zelltyp verwendet werden, und kartierte außerdem ihre regionale Verteilung im Gehirn.
„Der Gehirnzellatlas als Ganzes stellt das zelluläre Substrat für alles dar, was wir als Menschen tun können“, sagte der Neurowissenschaftler Ed Lein vom Allen Institute for Brain Science in Seattle, einer der Forscher.
Die verschiedenen Zelltypen hätten unterschiedliche Eigenschaften und seien bei Krankheiten wahrscheinlich unterschiedlich betroffen, sagte Lein.
Eine Überraschung war, dass sich die Zellvielfalt auf evolutionär ältere Teile des Gehirns konzentrierte – das Mittelhirn und das Hinterhirn – und nicht auf den Neokortex, der für höhere kognitive Funktionen wie Lernen, Entscheidungsfindung, Sinneswahrnehmung, Gedächtnis und Sprache verantwortlich ist.
Gehirnbedingte Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson und amyotrophe Lateralsklerose gehören zu den hartnäckigsten.
„Für die meisten Gehirnkrankheiten gibt es immer noch keine Heilung oder gar Behandlung, und dieser Atlas sollte als Grundlage dienen, um den Fortschritt beim Verständnis der detaillierten zellulären Grundlagen von Krankheiten zu beschleunigen und die nächste Generation von Therapeutika gezielt einzusetzen“, sagte Lein.
Die Forscher kartierten Genschalter und Gehirnzelltypen, die mit der Alzheimer-Krankheit – der häufigsten Form der Demenz – und verschiedenen neuropsychiatrischen Erkrankungen wie Schizophrenie, bipolarer Störung und schwerer Depression in Zusammenhang stehen.
Sie bestätigten einen Zusammenhang zwischen Mikrogliazellen – einer Art Immunzellen im Gehirn – und Alzheimer und deckten einen Zusammenhang zwischen bestimmten Arten von Gehirnneuronen und Schizophrenie auf, einer schweren psychischen Erkrankung, die durch eine Trennung von der Realität gekennzeichnet ist.
Darüber hinaus suchten die Forscher nach menschenspezifischen Merkmalen, indem sie den temporalen Kortex – eine Region des Neokortex, die neben anderen höheren kognitiven Funktionen mit dem Sprachverständnis verbunden ist – beim Menschen und unseren nächsten lebenden evolutionären Verwandten, Schimpansen und Gorillas, verglichen.
Obwohl die zelluläre Organisation ähnlich war, wurde festgestellt, dass bestimmte Gene beim Menschen anders eingesetzt werden als bei den beiden anderen Arten, darunter viele, die an der neuronalen Konnektivität beteiligt sind.
„Das bedeutet, dass es beim Menschen zu einer beschleunigten Spezialisierung kortikaler Neuronen gekommen ist, die möglicherweise zu Unterschieden in der Funktion kortikaler Schaltkreise und unseren unterschiedlichen kognitiven Fähigkeiten beitragen“, sagte Trygve Bakken, Neurowissenschaftler am Allen Institute.
Lein fügte hinzu, dass diese molekularen Veränderungen, die in bestimmten Zelltypen beim Menschen im Vergleich zu Schimpansen und Gorillas auftraten, wahrscheinlich die Art und Weise beeinflussen, wie sie „zusammengeschaltet sind – oder die Plastizität dieser Verbindungen – und möglicherweise ein wesentlicher Teil dessen sind, was das menschliche Gehirn einzigartig macht.“
Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Hirnforschung noch einen langen Weg vor sich hat.
„Wir stehen erst ganz am Anfang der Beschreibung der Komplexität des menschlichen Gehirns“, sagte ein anderer Forscher, Bing Ren, Direktor des San Diego Center for Epigenomics der University of California. „Es ist noch viel mehr Arbeit erforderlich, um die Vielfalt, Variabilität und Funktion der Gehirnstruktur und -funktion vollständig zu verstehen.“