Aufdeckung der Evolution des Gehirns

Aufdeckung der Evolution des Gehirns

Salk-Wissenschaftler vergleichen die Entwicklung von Gehirnzellen zwischen Menschen und nichtmenschlichen Primaten auf neuartige Weise

LA JOLLA – Was macht uns menschlich und woher kommt diese mysteriöse Eigenschaft des „Menschseins“? Menschen sind Schimpansen und Bonobos genetisch ähnlich, dennoch gibt es offensichtliche Verhaltens- und kognitive Unterschiede. Jetzt haben Forscher des Salk Institute in Zusammenarbeit mit Forschern der Anthropologieabteilung der UC San Diego eine Strategie entwickelt, um die frühe Entwicklung menschlicher Neuronen im Vergleich zu Neuronen nichtmenschlicher Primaten einfacher zu untersuchen. Die Studie, die in erschien eLife am 7. Februar 2019 bietet Wissenschaftlern ein neuartiges Werkzeug für die Grundlagenforschung des Gehirns.

„Diese Studie liefert Einblicke in die Entwicklungsorganisation des Gehirns und legt den Grundstein für weitere vergleichende Analysen zwischen Menschen und nichtmenschlichen Primaten“, sagt einer der leitenden Autoren der Studie, Salk-Präsident und Professor Rusty Gage, der den Vi und John Adler-Lehrstuhl für Forschung zu altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen innehat.

Zwei wichtige Prozesse in der Gehirnentwicklung sind die Reifung und Migration von Neuronen. Die Reifung beinhaltet das Wachstum von Neuronen, da die Neuronen ihre Verbindungen untereinander verstärken, um eine bessere Kommunikation zu ermöglichen. Migration ist die physische Bewegung von Neuronen in verschiedene Teile des sich entwickelnden Gehirns. Die Autoren wollten die Reifung und Migration von Neuronen zwischen Menschen und nichtmenschlichen Primaten vergleichen.

Um diese Aufgabe zu erfüllen, entwickelte das Gage-Labor eine neue Methode, bei der die Stammzellentechnologie genutzt wird, um Hautzellen von Primaten zu entnehmen und sie mithilfe eines Virus und chemischer Cocktails dazu zu bringen, sich zu neuralen Vorläuferzellen zu entwickeln, einem Zelltyp, der die Fähigkeit besitzt, sich zu vermehren Arten von Zellen im Gehirn, einschließlich Neuronen. Diese neuen Primatenzelllinien können dann kontinuierlich vermehrt werden, was Forschern neue Möglichkeiten eröffnet, Aspekte der neuronalen Entwicklung lebender Neuronen ohne Gewebeproben von gefährdeten Primaten wie Schimpansen und Bonobos zu untersuchen.

„Dies ist eine neuartige Strategie zur Untersuchung der menschlichen Evolution“, sagt Carol Marchetto, leitende Wissenschaftlerin bei Salk im Labor für Genetik, Co-Erstautorin und eine der leitenden Autoren der Studie. „Wir freuen uns, diese Primatenzelllinien mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu teilen, damit Forscher aus der ganzen Welt die Gehirnentwicklung von Primaten ohne den Einsatz von Gewebeproben untersuchen können.“ Wir gehen davon aus, dass dies in den nächsten Jahren zu zahlreichen neuen Erkenntnissen über die Evolution des Gehirns führen wird.“

Die Forscher untersuchten zunächst die Unterschiede in der Genexpression im Zusammenhang mit der neuronalen Bewegung, indem sie Zellen von Menschen, Schimpansen und Bonobos verglichen. Sie untersuchten auch die Migrationseigenschaften der Neuronen jeder Art. Sie fanden 52 Gene, die mit der Migration zusammenhängen, und interessanterweise kam es bei Schimpansen- und Bonobo-Neuronen zu Phasen schneller Migration, während sich menschliche Neuronen langsam bewegten.

Um die Bewegung und Reifung von Neuronen außerhalb einer Schale zu vergleichen, transplantierten die Wissenschaftler die neuronalen Vorläuferzellen von Menschen und Schimpansen in die Gehirne von Nagetieren, wodurch die Neuronen gedeihen und zusätzliche Entwicklungshinweise für die Entwicklung der Neuronen bereitgestellt wurden.

Anschließend analysierten die Forscher die Unterschiede in der Migrationsentfernung, Form und Größe der Neuronen bis zu 19 Wochen nach der Transplantation. Sie beobachteten die Länge, Dichte und Menge der Fortsätze der Dendriten genannten Neuronen sowie die Größe der Zellkörper, die den Zellkern und die DNA beherbergen.

Die Neuronen der Schimpansen legten eine größere Distanz zurück und bedeckten nach zwei Wochen eine 76 Prozent größere Fläche als die menschlichen Neuronen. Menschliche Neuronen entwickelten sich langsamer, erreichten aber eine größere Länge als die Neuronen von Schimpansen. Dieses langsamere Wachstumsmuster könnte es Menschen ermöglichen, mehr Entwicklungsmeilensteine ​​zu erreichen als nichtmenschliche Primaten, was für Unterschiede im Verhalten und in den kognitiven Fähigkeiten verantwortlich sein könnte.

In Zukunft hoffen die Autoren, mithilfe induzierter pluripotenter Stammzelllinien einen Evolutionsbaum mehrerer Primatenarten zu erstellen, um die Evolution des menschlichen Gehirns besser zu verstehen. Darüber hinaus planen die Autoren, diese Plattform zu nutzen, um Unterschiede in der Genregulation zwischen Primatenarten zu untersuchen, die den Unterschieden in der neuronalen Reifung zugrunde liegen und möglicherweise die Gehirnorganisation beim Menschen beeinflussen können.

„Wir haben nur begrenzte Kenntnisse über die Evolution des Gehirns, insbesondere wenn es um Unterschiede in der Zellentwicklung zwischen Arten geht“, sagt Marchetto. „Wir sind begeistert von den enormen Möglichkeiten, die diese Arbeit für den Bereich der Neurowissenschaften und der Gehirnevolution eröffnet.“

Weitere Forscher an der Studie waren Krishna Vadodaria, Sara B. Linker, Inigo Narvaiza, Renata Santos, Ahmet M. Denli, Ana PD Mendes, Ruth Oefner, Jonathan Cook, Lauren McHenry, Jaeson M Grasmick, Kelly Heard, Callie Fredlender und Lynne Randolph -Moore, Rijul Kshirsagar, Rea Xenitopoulos, Grace Chou und Nasun Hah aus dem Salk Institut für biologische Studien; Branka Hrvoj-Mihic, Katerina Semendeferi und Alysson R. Muotri von der University of California San Diego; Bilal E. Kerman von at Istanbul Medipol-Universität; Diana X. Yu aus der University of Utah; und Krishnan Padmanabhan aus dem Universität von Rochester.

Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden durch Zuschüsse der National Institutes of Health, des Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust, des California Institute for Regenerative Medicine und der Brain and Behavior Research Foundation (ehemals National Alliance for Research on) unterstützt Schizophrenie und Depression).

DOI: 10.7554 / eLife.37527