Genexpression in Neuronen löst ein Rätsel der Gehirnentwicklung

Der Neocortex sticht als erstaunliche Errungenschaft der biologischen Evolution hervor. Alle Säugetiere haben diesen Gewebestreifen, der ihr Gehirn bedeckt, und die sechs Schichten dicht gepackter Neuronen darin handhaben die ausgeklügelten Berechnungen und Assoziationen, die kognitive Fähigkeiten hervorbringen. Da außer Säugetieren keine anderen Tiere einen Neocortex haben, haben sich Wissenschaftler gefragt, wie sich eine so komplexe Gehirnregion entwickelt hat.

Die Gehirne von Reptilien schienen einen Hinweis zu geben. Reptilien sind nicht nur die nächsten lebenden Verwandten von Säugetieren, sondern ihre Gehirne haben auch eine dreischichtige Struktur, die als dorsaler Ventrikelkamm oder DVR bezeichnet wird, mit funktionellen Ähnlichkeiten zum Neocortex. Seit mehr als 50 Jahren argumentieren einige evolutionäre Neurowissenschaftler, dass der Neocortex und der DVR beide von einem primitiveren Merkmal eines Vorfahren abstammen, den Säugetiere und Reptilien gemeinsam haben.

Durch die Analyse molekularer Details, die für das menschliche Auge unsichtbar sind, haben Wissenschaftler diese Ansicht jedoch widerlegt. Durch die Untersuchung von Mustern der Genexpression in einzelnen Gehirnzellen zeigten Forscher der Columbia University, dass trotz der anatomischen Ähnlichkeiten der Neokortex bei Säugetieren und der DVR bei Reptilien nicht miteinander verwandt sind. Stattdessen scheinen Säugetiere den Neokortex als eine völlig neue Gehirnregion entwickelt zu haben, die ohne eine Spur von dem, was davor war, aufgebaut wurde. Der Neokortex besteht aus neuen Arten von Neuronen, die bei den angestammten Tieren keinen Präzedenzfall zu haben scheinen.

Das Papier beschreibt diese Arbeit, die von dem Evolutions- und Entwicklungsbiologen geleitet wurde Maria Antonietta Tosches, wurde im vergangenen September in veröffentlicht Wissenschaft.

Dieser Prozess der evolutionären Innovation im Gehirn beschränkt sich nicht auf die Schaffung neuer Teile. Weitere Arbeiten von Tosches und ihren Kollegen in derselben Ausgabe von Wissenschaft zeigten, dass sich sogar scheinbar alte Gehirnregionen weiterentwickeln, indem sie mit neuen Zelltypen neu verdrahtet werden. Die Entdeckung, dass die Genexpression solche wichtigen Unterschiede zwischen Neuronen aufdecken kann, veranlasst die Forscher auch, zu überdenken, wie sie einige Gehirnregionen definieren, und zu überdenken, ob einige Tiere möglicherweise komplexere Gehirne haben, als sie dachten.

Aktive Gene in einzelnen Neuronen

Bereits in den 1960er Jahren schlug der einflussreiche Neurowissenschaftler Paul MacLean eine Idee zur Evolution des Gehirns vor, die falsch war, aber dennoch einen nachhaltigen Einfluss auf das Gebiet hatte. Er schlug vor, dass die Basalganglien, eine Gruppierung von Strukturen in der Nähe der Gehirnbasis, ein Überbleibsel eines „Echsengehirns“ seien, das sich in Reptilien entwickelt habe und für Überlebensinstinkte und -verhalten verantwortlich sei. Als sich frühe Säugetiere entwickelten, fügten sie ein limbisches System zur Regulierung von Emotionen über den Basalganglien hinzu. Und als Menschen und andere fortgeschrittene Säugetiere auftauchten, fügten sie laut MacLean einen Neocortex hinzu. Wie eine „Denkmütze“ saß es ganz oben auf dem Stapel und vermittelte höhere Erkenntnis.

Dieses Modell des „dreieinigen Gehirns“ fesselte die öffentliche Vorstellungskraft, nachdem Carl Sagan in seinem 1977 mit dem Pulitzer-Preis ausgezeichneten Buch darüber geschrieben hatte Die Drachen von Eden. Evolutionäre Neurowissenschaftler waren weniger beeindruckt. Studien entlarvten das Modell bald, indem sie schlüssig zeigten, dass sich Gehirnregionen nicht sauber übereinander entwickeln. Stattdessen entwickelt sich das Gehirn als Ganzes, wobei ältere Teile modifiziert werden, um sich an das Hinzufügen neuer Teile anzupassen, erklärt Paul Cisek, ein kognitiver Neurowissenschaftler an der Universität von Montreal. „Es ist nicht wie ein Upgrade Ihres iPhones, bei dem Sie eine neue App laden“, sagte er.

Die am besten unterstützte Erklärung für den Ursprung neuer Gehirnregionen war, dass sie sich hauptsächlich durch Duplizieren und Modifizieren bereits bestehender Strukturen und neuronaler Schaltkreise entwickelten. Für viele Evolutionsbiologen, wie z Harvey Karten von der University of California, San Diego, legten die Ähnlichkeiten zwischen dem Neokortex von Säugetieren und dem Reptilien-DVR nahe, dass sie in evolutionärer Hinsicht homolog sind – dass sie sich beide aus einer Struktur entwickelt haben, die von einem Vorfahren weitergegeben wurde, den Säugetiere und Reptilien teilen.

Aber andere Forscher, darunter Luis Puelles der Universität Murcia in Spanien, widersprach. Bei der Entwicklung von Säugetieren und Reptilien sahen sie Anzeichen dafür, dass der Neokortex und der DVR durch völlig unterschiedliche Prozesse Gestalt annahmen. Dies deutete darauf hin, dass sich der Neokortex und der DVR unabhängig voneinander entwickelt haben. Wenn dem so war, hatten ihre Ähnlichkeiten nichts mit Homologie zu tun: Sie waren wahrscheinlich Zufälle, die durch die Funktionen und Einschränkungen der Strukturen diktiert wurden.

Die Debatte über die Ursprünge des Neocortex und des DVR erstreckte sich über Jahrzehnte. Jetzt hilft jedoch eine neu entwickelte Technik, die Pattsituation zu durchbrechen. Mit der Einzelzell-RNA-Sequenzierung können Wissenschaftler auslesen, welche Gene in einer einzelnen Zelle transkribiert werden. Aus diesen Genexpressionsprofilen können evolutionäre Neurowissenschaftler eine Fülle detaillierter Unterschiede zwischen einzelnen Neuronen identifizieren. Sie können diese Unterschiede nutzen, um festzustellen, wie ähnlich die Neuronen evolutionär sind.

„Der Vorteil der Betrachtung der Genexpression besteht darin, dass Sie etwas profilieren, das Äpfel mit Äpfeln vergleicht“, sagte er Trygve Bakken, ein molekularer Neurowissenschaftler am Allen Institute for Brain Science. „Wenn man Gen A in einer Eidechse mit Gen A in einem Säugetier vergleicht, wissen wir … dass das wirklich dasselbe ist, weil sie einen gemeinsamen evolutionären Ursprung haben.“

Die Technik leitet eine neue Ära für die evolutionäre Neurowissenschaft ein. "Es hat [uns] neue Zellpopulationen gezeigt, von denen wir einfach nicht wussten, dass sie existieren", sagte er Courtney Babbitt, Experte für evolutionäre Genomik an der University of Massachusetts, Amherst. „Es ist schwer, etwas zu recherchieren, von dem man nicht weiß, dass es existiert.“

Im Jahr 2015 erhöhten Durchbrüche in der Einzelzell-RNA-Sequenzierung die Anzahl der Zellen, für die sie in einer Probe verwendet werden konnte, um eine Größenordnung. Tosches, die damals gerade ihre Postdoc im Labor von begann Gilles Laurent vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Deutschland, war begeistert, die Technik einzusetzen, um die Ursprünge des Neokortex zu untersuchen. „Wir sagten: ‚Okay, lass es uns versuchen'“, erinnert sie sich.

Drei Jahre später veröffentlichten Tosches und ihre Kollegen ihre ersten Ergebnisse Vergleich der Neuronenzelltypen in Schildkröten und Eidechsen mit denen in Mäusen und Menschen. Die Unterschiede in der Genexpression deuteten darauf hin, dass sich der Reptilien-DVR und der Säugetier-Neocortex unabhängig voneinander aus verschiedenen Regionen des Gehirns entwickelt haben.

„Das Papier von 2018 war wirklich ein Meilenstein, da es die erste wirklich umfassende molekulare Charakterisierung von Nerventypen zwischen Säugetieren und Reptilien war“, sagte er Bradley Colquit, ein molekularer Neurowissenschaftler an der University of California, Santa Cruz.

Aber um wirklich zu bestätigen, dass sich die beiden Gehirnbereiche nicht aus derselben Ahnenquelle entwickelt haben, erkannten Tosches und ihr Team, dass sie mehr darüber wissen mussten, wie die neuralen Zelltypen in Säugetieren und Reptilien mit den Neuronen in einem alten gemeinsamen Vorfahren verglichen werden könnten.

Sie beschlossen, im Gehirn eines Salamanders namens Spitzrippenmolch nach Hinweisen zu suchen. (Er hat seinen Namen von seiner Fähigkeit, seine Rippen durch seine Haut zu stoßen, um Raubtiere zu vergiften und aufzuspießen.) Salamander sind Amphibien, die sich etwa 30 Millionen Jahre nach den ersten vierbeinigen Tieren von der Linie trennten, die sie mit Säugetieren und Reptilien teilten wanderten an Land und Millionen von Jahren, bevor sich die Säugetiere und Reptilien voneinander trennten. Wie alle Wirbeltiere haben Salamander eine Struktur namens Pallium, die nahe der Vorderseite des Gehirns sitzt. Wenn Salamander Neuronen in ihrem Pallium hatten, die den Neuronen im Neokortex von Säugetieren oder dem Reptilien-DVR ähnlich waren, dann müssen diese Neuronen in einem alten Vorfahren existiert haben, den alle drei Tiergruppen gemeinsam hatten.

Neuanfang mit dem Neocortex

In ihrer Arbeit aus dem Jahr 2022 führte das Labor von Tosches eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung an Tausenden von Salamander-Gehirnzellen durch und verglich die Ergebnisse mit Daten, die zuvor von Reptilien und Säugetieren gesammelt wurden. Winzige Salamandergehirne, jedes etwa ein Fünfzigstel des Volumens eines Mausgehirns, wurden von den Forschern sorgfältig präpariert und beschriftet. Die Gehirne wurden dann in eine Maschine von der Größe eines Schuhkartons gegeben, die alle Proben in etwa 20 Minuten für die Sequenzierung vorbereitete. (Tosches bemerkte, dass es vor den jüngsten technologischen Verbesserungen ein Jahr gedauert hätte.)

Nachdem die Forscher die Sequenzierungsdaten analysiert hatten, wurde die Antwort auf die Debatte klar. Einige der Neuronen im Salamander stimmten mit Neuronen im Reptilien-DVR überein, andere jedoch nicht. Dies deutet darauf hin, dass sich zumindest Teile des DVR aus dem Pallium eines Vorfahren entwickelt haben, der mit Amphibien geteilt wurde. Die unübertroffenen Zellen im DVR schienen Innovationen zu sein, die auftauchten, nachdem sich die Abstammungslinien von Amphibien und Reptilien voneinander getrennt hatten. Der Reptilien-DVR war daher eine Mischung aus ererbten und neuartigen Neuronentypen.

Säugetiere waren jedoch eine andere Geschichte. Salamander-Neuronen stimmten mit nichts im Neokortex von Säugetieren überein, obwohl sie Zellen in Teilen des Säugetiergehirns außerhalb des Neokortex ähnelten.

Darüber hinaus stimmten auch mehrere Arten von Zellen im Neocortex – insbesondere die Arten von Pyramidenneuronen, die die Mehrheit der Neuronen in der Struktur ausmachen – nicht mit Zellen in den Reptilien überein. Tosches und ihre Kollegen schlugen daher vor, dass sich diese Neuronen ausschließlich in Säugetieren entwickelt haben. Sie sind nicht die ersten Forscher, die diesen Ursprung der Zellen vorschlagen, aber sie sind die ersten, die Beweise dafür erbringen, indem sie die leistungsstarke Auflösung der Einzelzell-RNA-Sequenzierung verwenden.

Tosches und ihr Team schlagen vor, dass im Wesentlichen der gesamte Neokortex von Säugetieren eine evolutionäre Innovation ist. Während also zumindest ein Teil des Reptilien-DVR aus der Gehirnregion eines angestammten Lebewesens adaptiert wurde, entwickelte sich der Säugetier-Neocortex als eine neue Gehirnregion, die mit neuartigen Zelltypen aufkeimte. Ihre Antwort auf die jahrzehntelange Debatte lautet, dass der Neokortex von Säugetieren und der DVR von Reptilien nicht homolog sind, weil sie keinen gemeinsamen Ursprung haben.

Georg Strieder, ein Neurowissenschaftler an der University of California, Irvine, der vergleichende Neurobiologie und Tierverhalten studiert, begrüßte diese Ergebnisse als aufregend und überraschend. „Ich hatte das Gefühl, dass es wirklich gute Beweise für etwas liefert, worüber ich nur spekuliert hatte“, sagte er.

Die neue Antwort des Tosches-Teams bedeutet nicht, dass sich der Neocortex in Säugetieren so entwickelt hat, dass er ordentlich auf älteren Gehirnregionen sitzt, wie es die dreieinige Gehirntheorie vorschlägt. Als sich der Neokortex ausdehnte und neue Arten von Pyramidenneuronen darin geboren wurden, entwickelten sich stattdessen andere Gehirnregionen gemeinsam mit ihm weiter. Sie hielten sich nicht nur als uraltes „Echsengehirn“ darunter. Es ist sogar möglich, dass die im Neokortex entstehende Komplexität andere Gehirnregionen zur Entwicklung anregte – oder umgekehrt.

Tosches und ihre Kollegen haben kürzlich Beweise dafür gefunden, dass sich scheinbar alte Gehirnregionen immer noch entwickeln ein zweites Papier die in der Septemberausgabe 2022 von erschienen ist Wissenschaft. Sie tat sich mit Laurent, ihrem Postdoc-Mentor, zusammen, um zu sehen, was die Einzelzell-RNA-Sequenzierung im Vergleich eines Eidechsengehirns mit einem Mausgehirn über neue und alte Zelltypen aufdecken könnte. Zuerst verglichen sie das gesamte Spektrum an neuralen Zelltypen in jeder Spezies, um diejenigen zu finden, die sie gemeinsam hatten, die von einem gemeinsamen Vorfahren weitergegeben worden sein müssen. Dann suchten sie nach neuralen Zelltypen, die sich zwischen den Arten unterschieden.

Ihre Ergebnisse zeigten, dass sowohl konservierte als auch neuartige neurale Zelltypen im gesamten Gehirn zu finden sind – nicht nur in den erst kürzlich aufgetretenen Hirnregionen. Das gesamte Gehirn sei ein „Mosaik“ aus alten und neuen Zelltypen, hieß es Justus Kebschull, ein evolutionärer Neurowissenschaftler an der Johns Hopkins University.

Definitionen überdenken

Einige Wissenschaftler sagen jedoch, dass es nicht so einfach ist, die Debatte für beendet zu erklären. Barbara Finley, ein evolutionärer Neurowissenschaftler an der Cornell University, ist der Ansicht, dass es immer noch notwendig ist, zu untersuchen, wie Neuronen erzeugt werden und wie sie während der Entwicklung wandern und sich verbinden, anstatt nur zu vergleichen, wo sie in erwachsenen Amphibien-, Reptilien- und Säugetiergehirnen landen. Finlay denkt, es wäre „großartig“, wenn diese Ergebnisse alle zusammengeführt werden könnten. „Ich denke, wir werden es rechtzeitig tun“, sagte sie.

Tosches stellte fest, dass Amphibiengehirne etwas an Komplexität verloren haben könnten, die bei einem früheren gemeinsamen Vorfahren vorhanden war. Um es sicher zu wissen, sagte Tosches, dass die Forscher die Einzelzell-RNA-Sequenzierung bei primitiven Knochenfischarten oder anderen Amphibien anwenden müssen, die heute noch leben. Dieses Experiment könnte zeigen, ob irgendeine der Arten von Neuronen, die in Säugetieren zu sehen sind, Vorgänger in Tieren vor Amphibien hatte.

Die Arbeit von Tosches und ihren Kollegen hat auch neue Diskussionen darüber ausgelöst, ob das Fachgebiet überdenken sollte, was eine Großhirnrinde ist und welche Tiere eine haben. Die aktuelle Definition besagt, dass eine Großhirnrinde sichtbare neurale Schichten wie den Neocortex oder DVR haben muss, aber Tosches betrachtet dies als „Gepäck“, das von der traditionellen Neuroanatomie übrig geblieben ist. Als ihr Team die neuen Sequenzierungswerkzeuge verwendete, fand es auch Hinweise auf Schichten im Gehirn des Salamanders.

"Für mich gibt es keinen Grund zu sagen, dass Salamander oder Amphibien keinen Kortex haben", sagte Tosches. „Wenn wir an dieser Stelle den Kortex eines Reptils einen Kortex nennen, sollten wir auch das Salamander-Pallium einen Kortex nennen.“

Babbitt denkt, dass Tosches Recht hat. „Wie diese Dinge mit klassischer Morphologie definiert wurden, wird wahrscheinlich einfach nicht halten, nur basierend auf den Werkzeugen, die wir jetzt haben“, sagte Babbitt.

Die Frage betrifft, wie Neurowissenschaftler über Vögel denken sollten. Experten sind sich einig, dass Vögel beeindruckend sind kognitive Fähigkeiten die mit denen vieler Säugetiere mithalten oder diese übertreffen können. Da Vögel von Reptilien abstammen, haben auch sie einen DVR – aber aus irgendeinem Grund sind weder ihr DVR noch ihre anderen „kortexähnlichen“ Gehirnregionen in offensichtlichen Schichten organisiert. Das Fehlen sichtbarer Schichten scheint diese Regionen nicht daran gehindert zu haben, komplexe Verhaltensweisen und Fähigkeiten zu unterstützen. Trotzdem werden Vögel immer noch nicht als Rinde anerkannt.

Ein solch starker Fokus auf das Aussehen könnte Wissenschaftler in die Irre führen. Wie die neuen Einzelzelldaten des Tosches-Teams zeigen, „kann der Schein über die Homologie täuschen“, sagt Striedter.