Salk-Wissenschaftler entdecken bisher unbekannte Voraussetzungen für die Gehirnentwicklung

Salk-Wissenschaftler entdecken bisher unbekannte Voraussetzungen für die Gehirnentwicklung

Das Gehirn benötigt Thalamus-Input und Genetik, um Bereiche richtig zu etablieren, die für das Sehen und andere Sinne wichtig sind

LA JOLLA – Wissenschaftler am Salk Institute for Biological Studies haben gezeigt, dass sich sensorische Regionen im Gehirn auf grundlegend andere Weise entwickeln als bisher angenommen, ein Befund, der neue Erkenntnisse über Seh- und Nervenstörungen liefern könnte.

In einem am 7. Juni 2013 veröffentlichten Artikel in Forschung, Salk-Forscher Dennis O'Leary und seine Kollegen haben gezeigt, dass Gene allein nicht bestimmen, wie die Großhirnrinde in separate Funktionsbereiche hineinwächst. Stattdessen zeigen sie, dass der Input des Thalamus, der wichtigsten Schaltstelle im Gehirn für sensorische Informationen, entscheidend ist.

O'Leary hat bahnbrechende Studien zur „Arealisierung“ durchgeführt, der Art und Weise, wie der Neocortex, die Hauptregion der Großhirnrinde, spezifische Bereiche entwickelt, die bestimmten Funktionen gewidmet sind. In einem wegweisenden Artikel veröffentlicht in Forschung Im Jahr 2000 zeigte er, dass zwei regulatorische Gene entscheidend für das allgemeine Muster des Neokortex verantwortlich sind, und hat seitdem gezeigt, dass andere Gene in diesem Prozess unterschiedliche Rollen spielen. Bei dieser neuen Reihe von Mausexperimenten konzentrierte sich sein Labor auf das visuelle System und entdeckte eine neue, unerwartete Wendung in der Geschichte.

„Um richtig zu funktionieren, ist es wichtig, dass kortikale Bereiche korrekt zugeordnet sind, und es wurde angenommen, dass diese Architektur genetisch vorprogrammiert ist“, sagt O'Leary, Inhaber des Vincent J. Coates-Lehrstuhls für Molekulare Neurobiologie bei Salk. „Zu unserer Überraschung entdeckten wir, dass Thalamus-Input schon viel früher in der Gehirnentwicklung eine wesentliche Rolle spielt.“

Vision wird von der Außenwelt in Verarbeitungsbereiche im Gehirn weitergeleitet. Das Relais wird aktiviert, wenn Licht auf die Netzhaut trifft, einen dünnen Zellstreifen im hinteren Teil des Auges, der Farbe und Lichtstärke erkennt und die Informationen in elektrische und chemische Signale kodiert. Über die Ganglienzellen der Netzhaut werden diese Signale dann an den Nucleus geniculate lateralis (LGN) gesendet, eine Struktur im Thalamus.

Im nächsten wichtigen Schritt der Weiterleitung leitet das LGN die Signale in den primären visuellen Bereich (V1) im Neokortex weiter, einer vielschichtigen Struktur, die in funktionell und anatomisch unterschiedliche Bereiche unterteilt ist. V1 beginnt mit dem Prozess der Extraktion visueller Informationen, der dann von visuellen Bereichen „höherer Ordnung“ im Neokortex ausgeführt wird, die für die visuelle Wahrnehmung von entscheidender Bedeutung sind. Wie Teile einer Maschine sind die Funktionen dieser Bereiche sowohl individuell als auch integriert. Schäden in einem winzigen Bereich können zu seltsamen Sehstörungen führen, bei denen eine Person möglicherweise einen sich bewegenden Ball sehen kann, aber nicht wahrnimmt, dass er sich bewegt.

Das aktuelle Dogma geht davon aus, dass diese Grundarchitektur vollständig genetisch bedingt ist und Umwelteinflüsse erst später in der Entwicklung eine Rolle spielen. Eines der bekanntesten Beispiele dieser Idee ist die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Arbeit der visuellen Neurowissenschaftler David Hubel und Torsten Wiesel, die zeigten, dass es beim Sehen eine „kritische Phase“ der Sensibilität gibt. Ihr Befund wurde allgemein als Warnung interpretiert, dass selbst eine Person mit einem gesunden Gehirn nicht in der Lage sein wird, richtig zu sehen, wenn sie nicht früh im Leben grundlegenden visuellen Reizen ausgesetzt ist.

Spätere Entdeckungen zur neuronalen Plastizität deuteten eher optimistisch darauf hin, dass frühe Deprivation überwunden werden kann und das Gehirn in bestimmten Bereichen sogar neue Neuronen sprießen kann. Dennoch bestärkte dies die Vorstellung, dass Umwelteinflüsse die neuronale Architektur verändern könnten, was jedoch nur durch die Genetik möglich sei etablieren wie kortikale Bereiche angelegt würden.

In ihrer neuen Studie zeigen O'Leary und die Co-Erstautoren der Arbeit, Shen-Ju Chou und Zoila Babot, Postdoktoranden in O'Learys Labor, jedoch, dass die Genetik nur im Neokortex ein weites Feld dafür bietet visuelle Bereiche.

Als sie Mausmutanten schufen, die die Verbindung zwischen Thalamus und Kortex erst nach Abschluss der frühen kortikalen Entwicklung trennten, stellten sie fest, dass sich die primären und höheren visuellen Bereiche nicht wie vorgesehen voneinander unterscheiden konnten.

„Unser neues Verständnis ist, dass Gene nur eine grobe Anordnung kortikaler Bereiche erstellen“, erklärt O'Leary. „Es muss ein Thalamus-Input vorhanden sein, um die Feindifferenzierung zu entwickeln, die für eine ordnungsgemäße sensorische Verarbeitung erforderlich ist.“

Wenn das Gehirn ein Haus wäre, würden im Wesentlichen die Gene bestimmen, welche Bereiche Schlafzimmer sind. Der Thalamus-Eingang liefert die Details und unterscheidet, was das Hauptschlafzimmer, ein Kinderzimmer, ein Gästezimmer usw. sein soll. „Die Größe und Lage von Bereichen innerhalb des gesamten Kortex ändert sich nicht, aber ohne Thalamus-Input vom LGN findet der entscheidende Differenzierungsprozess, der primäre und höhere visuelle Bereiche schafft, nicht statt“, sagt O'Leary.

Angesichts der Tatsache, dass die meisten sensorischen Modalitäten – Sehen, Hören, Tasten – über den Thalamus zum Kortex gelangen, könnte dieses Experiment darauf hindeuten, warum jemand, dem von Geburt an eine sensorische Modalität fehlt, es schwerer hat, wiederhergestellte sensorische Eingaben zu verarbeiten, als jemand, der den Sinn später verloren hat im Leben. Aber darüber hinaus, wie O'Leary sagt, „würden subtilere Veränderungen im Thalamus-Input beim Menschen wahrscheinlich auch zu Veränderungen im Neokortex führen, die durchaus einen erheblichen Einfluss auf die Fähigkeit haben könnten, Sehkraft oder andere Sinne zu verarbeiten und zu leiten.“ zu abnormalem Verhalten.“

O'Leary sagt, sein Labor plane, weiterhin die Zusammenhänge zwischen der Bildung kortikaler Bereiche im Gehirn und verschiedenen Entwicklungsstörungen zu erforschen, wie z Autismus.

Weitere Forscher an der Studie waren Axel Leingärtner und Yasushi Nakagawa vom Salk Institute sowie Michele Studer vom Institut für Biologie Valrose, INSERM in Frankreich.

Diese Arbeit wurde unterstützt von der National Institutes of Health, hat das Agence National de la Recherche 2009 Chaires dâ Excellence Program, hat das Spanisches Ministerium für Bildung und Wissenschaft und der Generalitat de Catalunya.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.