Eine neue Studie von Forschern der UC San Diego enthüllt einzigartige hemmende Neuronen im menschlichen Vorderhirn. Sie bietet Einblicke, die Modelle der Gehirnfunktion und -krankheit verbessern können, und zeigt, dass bestimmte Neuronen gemeinsame Abstammungslinien haben – eine Entdeckung mit erheblichen Auswirkungen auf das Verständnis von Gehirnerkrankungen.
Forscher enthüllen neue Erkenntnisse über die Entwicklung des menschlichen Vorderhirns
Ein Team von Wissenschaftlern der San Diego School of Medicine der University of California führte eine Studie durch, die ein neues Verständnis dafür liefert, wie sich das menschliche Vorderhirn entwickelt.
Die Studie wurde von Changuk Chung, Ph.D., und Xiaoxu Yang, Ph.D., geleitet, beide aus dem Labor von Joseph G. Gleeson, MD, Abteilung für Neurowissenschaften an der School of Medicine und dem Rady Children’s Institute for Genomic Medicine liefern ein besseres Verständnis dafür, wie sich das menschliche Gehirn auf zellulärer Ebene entwickelt.
Die Studie liefert auch Beweise für die Existenz einer Quelle inhibitorischer Neuronen (dInNs) im menschlichen Gehirn, die sich von der Herkunft in anderen unterscheidet Spezies wie Mäuse, ein häufiges Labortier, das in Gehirnstudien verwendet wird. Die Gruppe erläuterte ihre Ergebnisse in einem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Natur.
Funktionalität und Bedeutung des Vorderhirns
Das Vorderhirn oder die Großhirnrinde ist der größte Teil des Gehirns und für eine Vielzahl von Funktionen wichtig, die vom kognitiven Denken über das Sehen, die Aufmerksamkeit und das Gedächtnis reichen. Neuronen sind Zellen, die als einzelne Schaltkreise des Gehirns dienen. Hemmende Neuronen fungieren normalerweise als eine Art neuronaler „Aus“-Schalter, im Gegensatz zum „Ein“-Schalter erregender Neuronen.
„Menschen haben einen sehr großen und faltigen Kortex, der im Vergleich zu anderen Arten, wie etwa Nagetieren, wahrscheinlich höhere kognitive Funktionen unterstützt“, erklärte Gleeson.
Ein Forschertrio (von links) Xiaoxu Yang, Changuk Chung und Joseph G. Gleeson leiteten eine Studie, die das Verständnis der Struktur des menschlichen Gehirns auf zellulärer Ebene voranbrachte. Alle drei sind mit der Abteilung für Neurowissenschaften der University of California San Diego School of Medicine und dem Rady Children’s Institute for Genomic Medicine verbunden. Bildnachweis: UC San Diego Health Sciences
Er sagte, dass die hemmenden Neuronen bei Mäusen ihren Ursprung tief im sich entwickelnden Gehirn haben. Die aktuelle Studie stellt dieses Modell auf die Probe, indem sie die zelluläre Abstammung beurteilt. Sie fanden die Existenz von dInNs, die bei Mäusen fehlen. Er sagte, dass die Entdeckung von Beweisen für diesen speziellen Neuronentyp beim Menschen die Tür zu einem besseren Verständnis der Besonderheiten des menschlichen Gehirns öffnet.
„Wir gehen davon aus, dass dInNs neue, genauere Modelle des menschlichen Gehirns unterstützen werden“, sagte Gleeson. „Dieses aktualisierte Gehirnmodell könnte helfen, die Ursachen bestimmter Erkrankungen wie Epilepsie, Schizophrenie oder Autismus zu erklären.“
Zelluläre Abstammung und Gehirnstruktur
Die Gruppe war besonders daran interessiert, die Abstammungslinie von Mosaikvarianten von Gehirnzellen zu verfolgen. „Wenn zwei Zellen dieselbe Mutterzelle haben, sagen wir, dass sie die gleiche Abstammungslinie haben“, sagte Chung.
„Wenn zwei einzelne Zellen die gleiche Mosaikvariante haben, wurden sie aus einer gemeinsamen Mutterzelle geboren, die sie an alle ihre Töchter weitergegeben hat“, erklärte Yang. „Mosaikvarianten in Zellen funktionieren also wie Familiennamen bei Menschen.“
Die Forscher haben direkt auf die Gehirne von zwei neurotypischen Spendern zugegriffen, die eines natürlichen Todes gestorben sind. Mithilfe von Mosaikvarianten konnten sie nachverfolgen, woher diese Zellen kamen, um Schwesterzellen zu identifizieren, die in derselben Gehirnregion geboren wurden, und um zu bestimmen, wie weit sich jeder „Familienname“ im Gehirn verbreitete.
Sie zeigten, dass einige hemmende und erregende Neuronen im Wesentlichen denselben Familiennamen haben, was laut Chung bedeutet, dass die beiden Arten von Neuronen eine gemeinsame Abstammungslinie haben. Die beiden Arten hätten sich wahrscheinlich in einem späten Moment der embryonalen Gehirnentwicklung verzweigt, fügte er hinzu und stellte fest, dass eine solche zelluläre Beziehung bei anderen Arten nicht vorhanden sei.
„Wir hoffen, dass unsere Arbeit anderen Forschern dabei hilft, bessere Modelle neurologischer Erkrankungen zu entwickeln und herauszufinden, welche Arten von Gehirnerkrankungen aus einer beeinträchtigten Entwicklung resultieren können“, schloss Gleeson.
Referenz: „Zelltyp-aufgelöster Mosaikismus enthüllt klonale Dynamik des menschlichen Vorderhirns“ von Changuk Chung, Xiaoxu Yang, Robert F. Hevner, Katie Kennedy, Keng Ioi Vong, Yang Liu, Arzoo Patel, Rahul Nedunuri, Scott T. Barton, Geoffroy Noel, Chelsea Barrows, Valentina Stanley, Swapnil Mittal, Martin W. Breuss, Johannes CM Schlachetzki, Stephen F. Kingsmore und Joseph G. Gleeson, 10. April 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07292-5
Diese Arbeit wurde durch die Zuschüsse des National Institute of Mental Health (NIMH) U01MH108898, R01MH124890 und R21MH134401 unterstützt; ein Stipendium der Larry L. Hillblom Foundation; ein Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (NICHD)-Stipendium K99HD111686; ein NARSAD Young Investigator Grant 2021 der Brain & Behavior Research Foundation; und das Rady Children’s Institute for Genomic Medicine.