Das Jahr der Biologie

Unsere Erinnerungen sind der Grundstein unserer Identität. Ihre Bedeutung ist ein großer Teil dessen, was die Alzheimer-Krankheit und andere Formen der Demenz so grausam und ergreifend macht. Aus diesem Grund haben wir so verzweifelt darauf gehofft, dass die Wissenschaft ein Heilmittel für Alzheimer liefern könnte, und aus diesem Grund ist es so frustrierend und tragisch, dass nützliche Behandlungsmethoden nur langsam auf den Markt kommen. Große Aufregung herrschte daher im September, als bekannt wurde, dass ein neues Medikament, Lecanemab, in klinischen Studien das Fortschreiten der Krankheit verlangsamt. Wenn es von der Food and Drug Administration zugelassen wird, wird Lecanemab erst das zweite Alzheimer-Medikament sein, das dem Amyloid-Beta-Protein entgegenwirkt, das allgemein als Ursache der Krankheit gilt. 

Doch die Wirkung von Lecanemab ist so gering, dass Forscher darüber diskutieren, ob das Medikament tatsächlich einen praktischen Unterschied für Patienten machen wird. Die Tatsache, dass Lecanemab als Lichtblick hervorsticht, zeigt, wie düster ein Großteil der Geschichte der Forschung zu Behandlungen für Alzheimer war. Unterdessen weckt ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Biologie das Interesse an den führenden alternativen Theorien zu den Ursachen der Krankheit.

Spekulationen darüber, wie das Gedächtnis funktioniert, sind mindestens so alt wie Platon, der in einem seiner sokratischen Dialoge über „die Gabe des Gedächtnisses, der Mutter der Musen“, schrieb und ihre Wirkungsweise mit einem Wachsstempel in der Seele verglich. Wir können dankbar sein, dass die Wissenschaft unser Verständnis des Gedächtnisses seit Platons Zeiten erheblich verbessert hat – weg von den Wachsstempeln, hin zu „Engrammen“ der Veränderungen in unseren Neuronen. Allein im vergangenen Jahr haben Forscher spannende Fortschritte gemacht, um herauszufinden, wie und wo im Gehirn verschiedene Aspekte unserer Erinnerungen gespeichert sind. Noch überraschender ist, dass sie sogar biochemische Mechanismen gefunden haben, die gute Erinnerungen von schlechten unterscheiden.

Da wir Wesen mit Gehirnen sind, denken wir oft über das Gedächtnis in rein neurologischen Begriffen nach. Doch Anfang 2022 von Forschern des California Institute of Technology veröffentlichte Arbeiten deuten darauf hin, dass sogar einzelne Zellen in sich entwickelnden Geweben einige Aufzeichnungen über die Geschichte ihrer Abstammungslinie tragen könnten. Diese Stammzellen scheinen sich auf diese gespeicherten Informationen zu verlassen, wenn sie vor der Entscheidung stehen, wie sie sich als Reaktion auf chemische Signale spezialisieren. Die Fortschritte in der Biologie im vergangenen Jahr haben auch viele andere Überraschungen zutage gefördert, darunter Erkenntnisse darüber, wie sich das Gehirn an längere Nahrungsmangel anpasst und wie wandernde Zellen ihrem Weg durch den Körper folgen. Es lohnt sich, auf einige der besten dieser Arbeit zurückzublicken, bevor uns die Enthüllungen des kommenden Jahres wieder eine neue Perspektive auf uns selbst geben.

Viele Menschen, die entweder durch Forschung oder durch persönliche Beziehungen zu Patienten mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden, hofften, dass 2022 ein herausragendes Jahr werden würde. Große klinische Studien würden endlich zeigen, ob zwei neue Medikamente, die die vermeintliche Grundursache der Krankheit bekämpfen, wirken. Die Ergebnisse blieben leider hinter den Erwartungen zurück. Eines der Medikamente, Lecanemab, zeigte das Potenzial, den kognitiven Verfall einiger Patienten leicht zu verlangsamen, war aber auch mit manchmal tödlichen Nebenwirkungen verbunden; das andere, Gantenerumab, wurde als völliger Fehlschlag gewertet. 

Die enttäuschenden Ergebnisse krönen drei Jahrzehnte Forschung, die weitgehend auf der Theorie basiert, dass die Alzheimer-Krankheit durch Plaques aus Amyloidproteinen verursacht wird, die sich zwischen Gehirnzellen ansammeln und diese abtöten. Es gibt jedoch immer mehr Hinweise darauf, dass Amyloid nur eine Komponente in a ist viel komplexerer Krankheitsprozess Dazu gehören schädliche Entzündungen und Störungen bei der Zellverwertung ihrer Proteine. Die meisten dieser Ideen gibt es schon so lange wie die Amyloid-Hypothese, aber sie beginnen gerade erst, die Aufmerksamkeit zu erhalten, die sie verdienen.

Tatsächlich sehen Ansammlungen von Proteinen um Zellen herum allmählich aus wie ein fast universelles Phänomen Dies geht aus einer Arbeit von Forschern der Stanford University hervor, die im vergangenen Frühjahr in einem Vorabdruck bekannt gegeben wurde. Die Beobachtung könnte ein weiterer Beweis dafür sein, dass sich verschlimmernde Probleme beim Proteinmanagement eine routinemäßige Folge der Zellalterung sein können.

Neurowissenschaftler haben seit langem viel darüber verstanden, wie Erinnerungen entstehen – im Prinzip. Sie wissen, dass die neuronale Aktivität, die zu diesen Erfahrungen führt, die synaptischen Verbindungen zwischen den beteiligten Neuronen stärkt, wenn das Gehirn wahrnimmt, fühlt und denkt. Diese dauerhaften Veränderungen in unseren neuronalen Schaltkreisen werden zu physischen Aufzeichnungen unserer Erinnerungen und ermöglichen es, die elektrischen Muster unserer Erfahrungen bei Bedarf wieder hervorzurufen. Die genauen Details dieses Prozesses blieben jedoch mysteriös. Anfang dieses Jahres änderte sich das, als Forscher der University of Southern California eine Technik dafür beschrieben Visualisierung dieser Veränderungen wie sie in einem lebenden Gehirn vorkommen, mit dem sie beobachteten, wie ein Fisch lernte, unangenehme Hitze mit einem Lichtreiz in Verbindung zu bringen. Zu ihrer Überraschung wurden durch diesen Prozess zwar einige Synapsen gestärkt, andere jedoch gelöscht. 

Der Informationsgehalt einer Erinnerung ist nur ein Teil dessen, was das Gehirn speichert. Erinnerungen werden auch mit verschlüsselt eine emotionale „Valenz“ das sie als positive oder negative Erfahrung kategorisiert. Letzten Sommer berichteten Forscher, dass die Konzentration eines einzelnen von Neuronen freigesetzten Moleküls namens Neurotensin als Flags für diese Markierung zu fungieren scheint. 

Das Leben auf der Erde begann mit dem ersten Auftreten von Zellen vor etwa 3.8 Milliarden Jahren. Aber paradoxerweise muss es vor der Entstehung von Zellen Ansammlungen von Molekülen gegeben haben, die überraschend lebensechte Dinge vollbrachten. Im letzten Jahrzehnt haben Forscher in Japan Experimente mit RNA-Molekülen durchgeführt, um herauszufinden, ob sich ein einzelner Typ replizierender Moleküle zu einer Schar verschiedener Replikatoren entwickeln kann, wie Forscher über den Ursprung des Lebens in der Natur vermutet haben. Die japanischen Wissenschaftler fanden heraus, dass diese Diversifizierung tatsächlich stattfand, wobei sich verschiedene Moleküle zu konkurrierenden Wirten und Parasiten entwickelten, deren Dominanz auf- und abstieg. Im März letzten Jahres berichteten die Wissenschaftler über eine neue Entwicklung: Die verschiedenen Moleküle hatten begonnen, in einem zusammenzuarbeiten stabileres Ökosystem. Ihre Arbeit legt nahe, dass sich RNAs und andere Moleküle in der präbiotischen Welt ebenfalls gemeinsam entwickelt haben könnten, um die Grundlagen des zellulären Lebens zu legen.

Selbstreplikation wird oft als der wesentliche erste Schritt in jeder Hypothese über den Ursprung des Lebens angesehen, aber das muss nicht sein. In diesem Jahr fanden Nick Lane und andere Evolutionsbiologen weiterhin Beweise dafür, dass es vor der Existenz von Zellen Systeme des „Protometabolismus“ In den porösen Materialien in der Nähe hydrothermaler Quellen könnte es zu komplexen energetischen Reaktionen gekommen sein.

Wie wächst aus einer einzelnen befruchteten Eizelle ein erwachsener menschlicher Körper mit über 30 Billionen Zellen in mehr als 200 spezialisierten Kategorien? Es ist das grundlegende Geheimnis der Entwicklung. Im vergangenen Jahrhundert war die vorherrschende Erklärung, dass in verschiedenen Teilen des sich entwickelnden Körpers etablierte chemische Gradienten die Zellen dorthin führen, wo sie gebraucht werden, und ihnen sagen, wie sie sich in die Bestandteile Haut, Muskeln, Knochen, Gehirn und andere differenzieren sollen Organe. 

Doch Chemikalien scheinen mittlerweile nur noch ein Teil der Lösung zu sein. Neuere Arbeiten deuten darauf hin, dass Zellen zwar Hinweise auf chemische Gradienten als Orientierungshilfe für ihre Navigation verwenden, ihnen aber auch folgen Muster körperlicher Anspannung in den Geweben, die sie umgeben, wie Seiltänzer, die ein gespanntes Kabel überqueren. Körperliche Anspannung sagt den Zellen nicht nur, wohin sie gehen sollen. Andere im Mai veröffentlichte Arbeiten zeigten, dass mechanische Kräfte im Inneren eines Embryos auch dazu beitragen, Zellgruppen dazu zu bewegen zu spezifischen Strukturen werden, wie Federn statt Haut.

In der Zwischenzeit haben synthetische Biologen – Forscher, die bei der Erforschung des Lebens einen technischen Ansatz verfolgen – wichtige Fortschritte beim Verständnis der Arten genetischer Algorithmen gemacht, die steuern, wie sich Zellen als Reaktion auf chemische Signale differenzieren. Ein Team am Caltech demonstrierte eine künstliches Netzwerk von Genen Das könnte Stammzellen stabil in eine Reihe spezialisierterer Zelltypen umwandeln. Sie haben das natürliche genetische Kontrollsystem in Zellen nicht identifiziert, aber der Erfolg ihres Modells beweist, dass das tatsächliche System wahrscheinlich nicht viel komplizierter sein muss.

Das Gehirn ist das energiehungrigste Organ des Körpers, daher ist es vielleicht nicht verwunderlich, dass die Evolution eine Notfallstrategie entwickelt hat, um dem Gehirn bei der Bewältigung längerer Phasen des Nahrungsmangels zu helfen. Forscher der Universität Edinburgh haben herausgefunden, dass, wenn Mäuse wochenlang mit kurzen Rationen überleben müssen, ihre Gehirne beginnen, auf ähnliche Weise zu arbeiten „Low-Power“-Modus. 

In diesem Zustand verbrauchen Neuronen im visuellen Kortex an ihren Synapsen fast 30 % weniger Energie. Aus technischer Sicht ist es eine nette Lösung, um die Energieressourcen des Gehirns zu beanspruchen, aber es gibt einen Haken. Tatsächlich verringert der Energiesparmodus die Auflösung des Sehvermögens des Tieres, indem das visuelle System die Signale weniger präzise verarbeitet. 

Eine technische Sicht auf das Gehirn hat kürzlich auch unser Verständnis eines anderen Sinnessystems verbessert: unseres Geruchssinns. Forscher haben versucht, die Fähigkeit computergestützter „künstlicher Nasen“ zu verbessern, Gerüche zu erkennen. Allein chemische Strukturen tragen wesentlich dazu bei, die Gerüche zu definieren, die wir mit verschiedenen Molekülen assoziieren. Aber neue Arbeiten legen nahe, dass die metabolische Prozesse die in der Natur Moleküle erzeugen, spiegeln auch unseren Sinn für den Geruch der Moleküle wider. Neuronale Netze, die Stoffwechselinformationen in ihre Analysen einbezogen, kamen der Klassifizierung von Gerüchen deutlich näher, wie es der Mensch tut.

Die Untersuchung eines lebenden menschlichen Gehirns ist für Neurowissenschaftler immer noch äußerst schwierig: Der Schädel versperrt ihnen die Sicht und ethische Überlegungen schließen viele potenziell informative Experimente aus. Aus diesem Grund haben Forscher damit begonnen, isoliertes Gehirngewebe im Labor zu züchten und daraus „Organoide“ bilden zu lassen, die physikalischen und elektrischen Ähnlichkeiten mit echten Gehirnen aufweisen. Wie weit diese Ähnlichkeiten gehen, zeigten dieses Jahr der Neurowissenschaftler Sergiu Paşca und seine Kollegen durch die Implantation Organoide des menschlichen Gehirns in neugeborene Laborratten. Die menschlichen Zellen integrierten sich in die neuronalen Schaltkreise des Tieres und übernahmen eine Rolle für dessen Geruchssinn. Darüber hinaus sahen die transplantierten Neuronen gesünder aus als solche, die in isolierten Organoiden wuchsen, was darauf hindeutet, wie Paşca in feststellte Ein Interview mit Wie viel, die Bedeutung der Bereitstellung von Ein- und Ausgängen für Neuronen. Die Arbeit weist den Weg für die Entwicklung besserer experimenteller Modelle für das menschliche Gehirn in der Zukunft.