Studie verbindet Gene und menschliches Verhalten

Studie verbindet Gene und menschliches Verhalten

Eine internationale Kollaboration kartiert genetische Marker der Gehirnentwicklung bei Menschen mit Williams-Syndrom

LA JOLLA, CA—Verbindungen zwischen Genen, dem Gehirn und menschlichem Verhalten herzustellen, ist ein zentrales Thema in der kognitiven neurowissenschaftlichen Forschung. Die Untersuchung, wie Gene kognitive Fähigkeiten und Verhalten während der Gehirnentwicklung vom Kindesalter bis ins Erwachsenenalter beeinflussen, hat sich jedoch als schwierig erwiesen.

Nun hat ein internationales Wissenschaftlerteam Fortschritte gemacht, um zu verstehen, wie Gene die Gehirnstruktur und kognitive Fähigkeiten beeinflussen und wie neuronale Schaltkreise Sprache hervorbringen.

Das Team untersuchte Personen mit einer seltenen Erkrankung, bekannt als Williams-Syndrom. Durch die Messung der Gehirnaktivität, die mit den für das Syndrom typischen verschiedenen Sprachfähigkeiten und Gesichtserkennungsfähigkeiten verbunden ist, zeigten sie, dass Williams nicht auf ein einzelnes Gen, sondern auf verschiedene Gen-Teilmengen zurückzuführen ist, was darauf hindeutet, dass das Syndrom komplexer ist als ursprünglich angenommen.

“Lösungen zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen Genen, neuronalen Schaltkreisen und Verhalten entstehen nun aus einer einzigartigen Verbindung von Genetik und Neurowissenschaften”, sagt Julie Korenberg, Professorin an der University of Utah und außerordentliche Professorin am Salk Institute, die die genetischen Aspekte der neuen Studie leitete.

Die Studie wurde von Debra Mills geleitet, einer Professorin für kognitive Neurowissenschaften an der Bangor University in Wales. Ursula Bellugi, Professor am Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, war ebenfalls maßgeblich an der Forschung beteiligt.

Korenberg war überzeugt, dass sie mit Mills’ Ansatz, die elektrische Entladung des Gehirns direkt zu messen, das Rätsel lösen könnten, welche Gene genau für den Aufbau der neuronalen Vernetzung verantwortlich sind, die der unterschiedlichen Reaktion auf menschliche Gesichter beim Williams-Syndrom zugrunde liegt.

“Wir haben auch herausgefunden”, sagt Mills, “dass bei Menschen mit Williams-Syndrom das Gehirn Sprache und Gesichter von der frühen Kindheit bis ins mittlere Alter abnormal verarbeitet. Das war eine Überraschung, denn frühere Studien hatten darauf hingedeutet, dass ein Teil des Williams-Gehirns im Erwachsenenalter normal funktioniert, wobei wenig darüber bekannt ist, wie es sich entwickelt hat.”

Die Ergebnisse der Studie wurden am 12. November 2013 in veröffentlicht Entwicklungsneuropsychologie.

Das Williams-Syndrom wird durch die Deletion einer der beiden üblichen Kopien von etwa 25 Genen auf Chromosom 7 verursacht, was zu geistiger Behinderung führt. Fast allen Betroffenen fehlen dieselben Gene, obwohl einige wenige Personen ein oder mehrere Gene behalten, die die meisten Menschen mit Williams verloren haben. Korenberg war der erste, der diese Personen mit partiellen Gendeletionen untersuchte, um Hinweise auf die spezifische Funktion dieser Gene und Gennetzwerke zu erhalten. Das Syndrom betrifft etwa 1 von 10.000 Menschen weltweit, darunter schätzungsweise 20.000 bis 30.000 Personen in den Vereinigten Staaten.

Obwohl Menschen mit Williams-Syndrom Entwicklungsverzögerungen und Lernbehinderungen haben, sind sie außergewöhnlich sozial und verfügen über bemerkenswerte verbale Fähigkeiten und Gesichtserkennungsfähigkeiten im Verhältnis zu ihrem niedrigeren IQ. Bellugi hat schon lange beobachtet, dass auch Soziabilität Sprache vorantreibt, und hat einen Großteil ihrer Karriere damit verbracht, Menschen mit Williams-Syndrom zu studieren.

“Williams gibt uns auf vielen verschiedenen Ebenen einen Einblick in die Funktionsweise des Gehirns”, sagt Bellugi. “Wir haben die Werkzeuge, um die verschiedenen kognitiven Fähigkeiten zu messen, die mit dem Syndrom verbunden sind, und dank Julie und Debbie sind wir nun in der Lage, dies mit Studien zu den zugrunde liegenden genetischen und neurologischen Aspekten zu kombinieren.”

In dem Verdacht, dass bestimmte Gene an der Entstehung von Gehirnplastizität, also funktionellen Veränderungen im Gehirn, die mit neuem Wissen oder Erfahrungen einhergehen, beteiligt sein könnten und dass diese Gene mit den ungewöhnlichen Fähigkeiten von Menschen mit Williams-Syndrom in Verbindung gebracht werden könnten, schloss das Team Personen unterschiedlichen Alters in seine Studie ein. Sie rekrutierten Kinder, Jugendliche und Erwachsene mit der vollständigen genetischen Deletion für das Williams-Syndrom und verglichen sie mit ihren nicht betroffenen Altersgenossen. Ihre Studie ist zudem von Bedeutung, da sie eine der ersten ist, die die Gehirnstruktur und deren Funktion bei Kindern mit Williams-Syndrom untersuchte. Und wie Korenberg vorhersagte, kam ein entscheidendes Puzzleteil aus der Einbeziehung von zwei Erwachsenen mit partiellen genetischen Deletionen für Williams in ihre Studie.

Mithilfe hochempfindlicher Sensoren zur Messung der Gehirnaktivität präsentierten die Forscher unter der Leitung von Mills ihren Studienteilnehmern sowohl visuelle als auch auditive Reize in Form von unbekannten Gesichtern und gesprochenen Sätzen. Sie zeichneten die kleinen Spannungsänderungen auf, die von den Bereichen des Gehirns erzeugt wurden, die auf diese Reize reagieren, ein Prozess, der als ereigniskorrelierte Potentiale (ERPs) bekannt ist. Mills war der Erste, der Studien zu Williams-Syndrom mit ERPs veröffentlichte, entwickelte die ERP-Marker für diese Studie und beaufsichtigte deren Design und Analyse.

Mills identifizierte ERP-Marker für neuronale Plastizität im Williams-Syndrom bei Kindern und Erwachsenen unterschiedlichen Alters und Entwicklungsstands. Diese Ergebnisse sind wichtig, da das Gehirn von Menschen mit Williams anders strukturiert ist als das von Menschen ohne das Syndrom. Im Williams-Gehirn sind die dorsalen Bereiche (entlang des Rückens und der Oberseite), die bei der Steuerung von Sehen und räumlichem Verständnis helfen, unterentwickelt. Die ventralen Bereiche (an der Vorderseite und Unterseite), die Sprache, Gesichtserkennung, Emotionen und soziale Antriebe beeinflussen, sind von normaler Größe.

Zuvor wurde angenommen, dass bei Personen mit Williams-Beuren-Syndrom der ventrale Teil des Gehirns normal funktioniert. Das Team stellte jedoch fest, dass dieser Bereich des Gehirns Informationen anders verarbeitete als bei Personen ohne das Syndrom, und zwar während der gesamten Entwicklung, von der Kindheit bis ins Erwachsenenalter. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn zur Informationsanalyse kompensierte, mit anderen Worten, dass es Plastizität aufwies. Von zusätzlicher Bedeutung ist, dass die von Mills identifizierten eindeutigen ERP-Marker so charakteristisch für die unterschiedliche Hirnorganisation bei Williams-Beuren-Syndrom sind, dass allein diese Information bei der Analyse der Hirnaktivität zur Identifizierung einer Person mit Williams-Beuren-Syndrom etwa 90 Prozent Genauigkeit aufweist.

Weitere wichtige Ergebnisse der Studie ergaben sich aus dem Vergleich der ERPs von Teilnehmern mit vollständiger Williams-Deletion und solchen mit partiellen genetischen Deletionen. Während sich psychologische Tests zur Gesichtserkennung nicht zwischen diesen Gruppen unterscheiden, fanden die Wissenschaftler Unterschiede in diesen Erkennungsfähigkeiten bei den ERP-Messungen, die sich direkt auf die neuronale Aktivität beziehen. So konnten die Wissenschaftler sehen, wie sich sehr geringfügige genetische Unterschiede auf die Gehirnaktivität auswirkten, was ihnen ermöglichen wird, die Rolle von Teilmengen von Williams-Genen bei der Gehirnentwicklung und bei der Gesichtserkennung im Erwachsenenalter zu identifizieren.

Durch die Kombination dieser Ein-zu-einer-Million-Menschen mit Werkzeugen, die in der Lage sind, Gehirnaktivität direkt zu messen, haben die Wissenschaftler nun die beispiellose Gelegenheit, die genetischen Grundlagen psychischer Erkrankungen zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie fördern nicht nur das Verständnis der Wissenschaft für die Zusammenhänge zwischen Genen, Gehirn und Verhalten, sondern können auch zu neuen Erkenntnissen über Erkrankungen wie Autismus, Down-Syndrom und Schizophrenie führen.

“Indem wir die spezifischen Gene, die an sozialen Störungen beteiligt sind, stark eingrenzen, werden unsere Ergebnisse dazu beitragen, Ansatzpunkte für die Behandlung aufzudecken und Maßnahmen bereitzustellen, mit denen diese und andere Behandlungen erfolgreich dazu beitragen, die Verzweiflung bei Autismus, Angstzuständen und anderen Störungen zu lindern”, sagt Korenberg.

Die Forschung wurde durch Zuschüsse von folgenden Organisationen unterstützt: Nationales Institut für Kindergesundheit und menschliche Entwicklung; der Nationales Institut für neurologische Erkrankungen und Schlaganfall; und der Utah Initiative für Wissenschaft, Technologie und Forschung.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit führenden Institutionen für Grundlagenforschung, an der international renommierte Fakultätsmitglieder grundlegende Fragen der Biowissenschaften in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld untersuchen. Mit dem Fokus auf Entdeckungen und die Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen leisten Salk-Wissenschaftler bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten durch die Untersuchung von Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie sowie verwandten Disziplinen.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Auszeichnungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polio-Impfstoff-Pionier Dr. Jonas Salk gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.