Die Entstehung des Gehirns: Eine Reise durch die Keimblätter

Die Entstehung des Gehirns ist ein komplexer Prozess, der während der Embryonalentwicklung stattfindet. Er beginnt mit der Befruchtung der Eizelle und setzt sich über verschiedene Stadien fort, in denen sich die Keimblätter bilden und differenzieren. Diese Keimblätter sind die Grundlage für die Entwicklung aller Gewebe und Organe im Körper, einschließlich des Gehirns.

Die frühen Stadien der Embryonalentwicklung

Nach der Befruchtung der Eizelle beginnt diese sich zu teilen. Zunächst entsteht die Morula, ein Zellhaufen, der an eine Maulbeere erinnert. Die Morula durchläuft einen Prozess namens Blastulation, bei dem sich ein Hohlraum zu bilden beginnt. Es entsteht die Blastozyste, die aus zwei verschiedenen Zelltypen besteht: dem Trophoblasten, der die äußere Hülle bildet, und dem Embryoblasten, der das Innere ausfüllt. Aus den Embryoblasten geht eine erste zweiblättrige Keimscheibe hervor, die aus den unteren Epiblasten und den darüberliegenden Hypoblasten besteht.

Die Gastrulation und die Bildung der Keimblätter

Im nächsten Schritt, der Gastrulation, bilden sich die drei Keimblätter: Ektoderm, Mesoderm und Entoderm. Die Epiblasten differenzieren sich dann im späteren Verlauf zu den Zellen einer dreiblättrigen Keimscheibe, deren Blätter das Endoderm, Ektoderm und Mesoderm umfassen.

Voraussetzung für die Gastrulation sind das Vorhandensein eines Primitivknotens sowie des Primitivstreifens. Bei diesen Strukturen handelt es sich um verdichtete Zellzonen auf der Ebene der Epiblasten, anhand derer sich die Ausbildung der dreiblättrigen Keimscheibe orientiert. Dabei stellt der Primitivknoten den kranialen Pol dar. Epiblasten unter dem Primitivstreifen differenzieren sich zu Zellen des Mesoderms. Die restlichen verbliebenen Zellen der Epiblastenschicht verbleiben dort, wo sie sind, und differenzieren sich zu Zellen des letzten Keimblattes: Dem Ektoderm.

• Ektoderm: Aus dem Ektoderm entwickeln sich Strukturen wie das Nervensystem (Gehirn, Rückenmark), die Epidermis (Haut) und ihre Anhangsgebilde (Haare, Nägel), sowie die Sinnesorgane.
• Mesoderm: Das Mesoderm bildet unter anderem das Urogenitalsystem (Nieren, Geschlechtsorgane), das Herz-Kreislauf-System (Herz, Blutgefäße, Blutzellen), die Muskulatur (Skelettmuskulatur, glatte Muskulatur), das Skelett (Knochen, Knorpel) und das Bindegewebe.
• Entoderm: Aus dem Entoderm entstehen vor allem die inneren Auskleidungen von Organen, wie der Verdauungstrakt (Magen, Darm), die Atemwege (Lunge) und die Schilddrüse.

Die Neurulation und die Entstehung des Nervensystems

Neben der Gastrulation findet zum gleichen Zeitpunkt die Entwicklung der Chorda dorsalis statt. Diese stellt eine Leitstruktur für die Entwicklung des Nervensystems dar. Aus ihr entwickelt sich nicht direkt Nervengewebe, sondern letztendlich die Nuclei pulposi der Bandscheiben zwischen den Wirbelkörpern. Nachdem das Mesoderm gebildet wurde, bildet sich im axialen Teil des Keimblattes - also dem mittigsten Teil - eine röhrenförmige Struktur aus den dort ansässigen Zellen.

Lesen Sie auch: Der Conus Medullaris: Eine detaillierte Analyse

Bei der Neuraltion wird das zentrale und periphere Nervensystem angelegt. Dabei werden von der Chorda dorsalis verschiedene Signalmoleküle ausgesendet, die das Ektoderm über ihr zur Differenzierung zu neuronalen Zellen (Neuroektodermzellen) anregt.

Die Polypeptide Chordin und Noggin regulieren die Differenzierung von Ektodermzellen zu Neuroektodermzellen. Nachdem diese Neuroektodermzellen der Neuralplatte ein mehrreihiges Epithel gebildet haben, senkt sie mittig ab und bildet dort eine Neuralrinne und seitlich zwei Neuralwülste, die sich weiter zu Neuralfalten entwickeln. Schließlich verschmelzen die Falten beider Seiten miteinander und bilden so das Neuralrohr. Jeweils kranial und kaudal befinden sich Öffnungen des Rohrs die als Neuroporus cranialis und caudalis bezeichnet werden. Während der Verschmelzung zum Neuralrohr bildet sich in Richtung des Ektoderms eine Neuralleiste, die sich danach in zwei Neuralleisten teilt.

Im Zuge der Neurulation entstehen Neuralrohr und Neuralleiste sowie das Oberflächenektoderm. Bei Neuralrohrdefekten, bei denen sich das Neuralrohr nicht vollständig verschließt, können Spaltbildungen an solchen Stellen auftreten, die als Spina bifida bezeichnet werden. Durch eine Form der Spina bifida sind nur die Wirbelbögen von der Spaltbildung betroffen, was Spina bifida occulta genannt wird. Eine andere Form der Fehlbildung heißt Spina bifida aperta, bei der zusätzlich die Rückenmarkshäute und teilweise sogar das Rückenmark mitbetroffen sind. Bei letzterer Form ist die Symptomatik stärker und dabei kann sogar eine Querschnittslähmung auftreten.

Die weitere Entwicklung des Gehirns

Nachdem sich das Neuralrohr geschlossen hat, beginnt sich das Gehirn weiter zu entwickeln. Das vordere Ende des Neuralrohrs erweitert sich zu drei primären Hirnbläschen: Vorderhirn (Prosencephalon), Mittelhirn (Mesencephalon) und Rautenhirn (Rhombencephalon). Aus diesen Hirnbläschen entstehen im Laufe der weiteren Entwicklung die verschiedenen Abschnitte des Gehirns.

Differenzierung des Mesoderms

Das Mesoderm differenziert sich von medial nach lateral weiter in verschiedene Zonen. Das axiale Mesoderm, das am medialsten liegt, beinhaltet die Chorda dorsalis, die als Leitstruktur für die Neurulation dient. Neben dem axialen liegt das paraxiale Mesoderm, das sich in die einzelnen Somiten entwickelt. Bei diesen handelt es sich um einzelne Segmente, von denen sich circa 42 bis 44 initial ausbilden und einige auch nochmal zurückbilden. Die übrigen Somiten verschmelzen zu einem Sklerotom und Dermomyotom. Die Zellen des Sklerotoms wandern in Richtung der Chorda dorsalis aus und sind letztendlich für die Bildung der Wirbel verantwortlich. Währenddessen ziehen die Zellen des Dermatomzellen des Dermomyotoms in die Richtung des Ektoderms und werden zum Bindegewebe der Haut. Das Myotom des Dermomyotoms hat ein dorsal gelegenes Epimer, deren Zellen an der Stelle bleiben, wo sie sind und die auchtochtone Rückenmuskulatur bilden.

Lesen Sie auch: Risikofaktoren für Schlaganfall in jungen Jahren

Das intermediäre Mesoderm liegt direkt neben dem paraxialen Mesoderm und bildet ebenfalls Segmente, die in diesem Fall Nephrotome heißen. Es entwickelt sich der nephrogene Strang und die Genitalleiste. Neben dem intermediären Mesoderm liegt das Seitenplattenmesoderm, das sich in ein parietalen Teil (Somatopleura) und einen viszeralen Anteil (Splanchnopleura) teilt. Aus dem parietalen Mesoderm entwickelt sich Bindegewebe der Rumpfwand und das Brustbein. Das viszerale Mesoderm entwickelt sich unter anderem zum Bindegewebe und glatter Muskulatur des Magen-Darm-Traktes. Außerdem sind beide Teile an der Bildung von serösen Körperwänden beteiligt, zum Beispiel der viszeralen und parietalen Pleura/Perikard. Die Entwicklung der Pleura- und Perikardhöhle geschieht durch das Zusammenlegen der beiden Seitenplattenmesoderme beider Seiten.

Die Rolle der Neuralleiste

Als 4. Keimblatt wird die aus der Neurulation hervorgehende Neuralleiste gesehen. Aus ihr entstehen u.a. Hirnnerven, Ganglien, Grenzstrang, Nebennierenmark und Herzseptum. Ein Teil der Zellen der Neuralleiste wandert als Melano- und Sympathikoblasten aus. Letztere formieren sich zunächst paravertebral zum einem Grenzstrang. Nach dessen Segmentierung wandern die Blasten zu den Gefäßen bzw. endodermalen Organen. Im Rahmen der induzierten Wanderung der Neuralleistenzellen entstehen das Nebennierenmark, rudimentäre Paraganglien, zahlreiche periaortale Ganglien sowie das enterische System mit den Plexus submucosus et myentericus.

Die Entwicklung des Ventrikelsystems

Das Ventrikelsystem entwickelt sich aus dem Lumen des Neuralrohrs. Die innere Zellschicht des Neuralrohrs, die Matrixzone, kleidet das Lumen aus. In der Matrixzone findet die Zellteilung statt. Die Zellen wandern dann in die Mantelschicht, wo sie sich zu Neuronen und Gliazellen differenzieren. Die Marginalschicht bildet die äußere Schicht des Neuralrohrs. Sie enthält die Axone der Neuronen.

Die Entstehung der Hirnnerven

Branchiale Organe und Nerven stehen durch die Pharyngeal- bzw. Schlundtaschen bzw. Gill-Bögen segmental in Verbindung:

• Pharyngeal- bzw. Schlundtasche und -bogen: Tube mit Ohr, N. V/2 und V/3
• Pharyngeal- bzw. Schlundtasche und -bogen: Tonsilla palatina, Lymph- und Immunsystem mit N. VII
• Pharyngeal- bzw. Schlundtasche und -bogen: Thymus mit N. IX
• Pharyngeal- bzw. Schlundtasche und -bogen: Schilddrüse mit N. X

Der craniale Teil des Parasympathikus nutzt alle Pharyngeal- bzw. Schlundtaschen und -bögen für seine Afferenzen und Efferenzen. In der 5. Woche formieren sich die Kerne der Hirnnerven mit der Formatio retikularis. Alle Kerne (auch Olive, Subst. nigra, Ncll. coerulens, ruber et raphe) entwickeln sich zu eigenen „Steuereinheiten“, wobei Ncl. ambiguus und Tractus solitarius eine Sonderrolle in der Poly-Vagal-Theorie nach Porges spielen.

Lesen Sie auch: Wo unser Gedächtnis im Gehirn wohnt

Der klassische bzw. so genannte dorsale Kern (Ncl. dorsalis n vagi) versorgt den myelinfreien N. vagus, welcher v.a. subdiaphragmal den Verdauungstrakt versorgt und bis zu 80% Afferenzen enthält. Der Ncl. ambiguus beeinflusst als phylogenetisch (erst bei Säugern nachzuweisen) und embryologisch (erst im letzten Trimenon bzw. ersten Lebensmonaten) jüngster Teil einen „smarteren“, jedoch myelinisierter Teil des N. Vagus und damit v.a. die supradiaphragmalen „Organe“ wie die von den Hirnnerven V, VII, IX und XI versorgten Kau-, Gehör-, Schluck- und Nackenmuskeln und Drüsen sowie den Sinusknoten. Er schützt das Herz vor absoluter Bradycardie je nach reflektorischem Stress. Der Tractus solitarius hat eine größere Bedeutung für die Atmung und deren Zusammenspiel mit Herzaktion und Kommunikation, wozu das Sprechen gehört. Das ist bei niederen Tieren wie Reptilien und Frühgeborenen nicht entwickelt. Auch die Verbindungen zum (Sub)kortex sowie die durch Vasopressin, Oxytocin, Dopamin u.a. Transmitter geprägten Synapsen bilden sich je nach (Epi)Genetik im Laufen des Lebens und seinen kommunikativen Auseinandersetzungen aus.

Entwicklung der Somiten

Die Chorda (axiales Mesoderm) induziert über andere Faktoren die weitere Differenzierung der Keimblätter (v.a. des Ektoderms). Die Segmentierung beginnt in der Mitte (4.Somit) und wird ab 20. Tag von „Urwirbel- bzw. Würfelbildung“ des paraxialen Mesoderms begleitet.

Die molekulare Steuerung der Differenzierung der Sklerotome übernimmt v.a. das Protein sonic hedgehog (SHH) aus Chorda und Neuralrohr (Bodenplatte). WNT-Proteine aus dem dorsolateralen Neuralrohr induzieren die Myotom-Differenzierung, was BMP hemmend reguliert. Die aus dem paraxialen Mesoderm entstehenden Sklerotome und Dermatomyotome wandern ab 26. Tag aus. Letztere differenzieren sich in Subkutis und Korium sowie Muskeln, welche dorsal das Epimer und ventrolateral das Hypomer bilden.

Embryologie der Spinalnerven

Mit Entstehung des Neuralrohrs bildet sich segmental die Neuralleiste. Aus den Neuralleistenzellen entstehen Spinal(ganglien)zellen einschl. Sympathikoblasten. Aus den segmental angeordneten Spinalganglien(zellen) wachsen die Axone nach zentripedal und zentrifugal. Parallel bilden sich Motoneurone, welche als myelinisierte Pionierfasern später nach peripher auswandern und sich mit den afferenten Bahnen vereinen.

Erst nach Kontakt der von der Neuralleiste auswandernden Pionierfasern zu den Myotomen (ca. 37.Tag) beginnt die segmentale Prägung des Rückenmarks (ca. 50.Tag). Jetzt spricht man von den eigentlichen „Dermatomen“. Alle quergestreiften Muskeln entstehen, nachdem die Myoblasten ausgewandert sind und sich ab dem 3. Monat zu Synzytien vereinigt haben. Aus dem Epimer (dorsomediale Lippe des Myotoms) entstehen alle epaxialen autochtonen Rückenmuskeln, aus dem Hypomer (ventrolaterale Lippe) hypaxiale ventrale und Extremitätenmuskeln.

Die Extremitäten-Knospe

Nach Faltung schließt sich die ventrale Rumpfwand. Es bilden sich Extremitätenknospen ab 32.Tag bzw. 2. Monat. Aus den Randleisten wachsen dann die Dermatomyotome und Sklerotome ein. Beim Wachstum und Differenzierung der Knospen entscheiden Faktoren und Enzyme über Topographie durch Wachstumsrichtung sowie die physiologische Nekrose durch Agoptose (v.a. TGF-β einschl. BMP). Im Gegensatz zum Kopf bleibt das Sklerotom „innen“ und wird vom Myotom „umwandert“. Die aus dem Hypomer entstehenden Extremitätenmuskeln erfahren wie die Dermatome eine Verschiebung bzw. Verdrehung. Sie wandern v.a. cervical sogar retrograd auf den Rumpf und sind über den Spinalnerv mit Segment-Untereinheiten verbunden.

Die Segmentierung der Wirbelsäule

Sklerotom- und Mesodermanteile aus den Somiten bilden primäre Wirbelkörper, welche zuerst die Chorda und dann das Neuralrohr umwandern. Die Myotome bleiben im primären Nerven-Segment, so dass sich Sklerotome erneut teilen und endgültiges Segment bilden. Mittelpunkt ist und bleibt der Spinalnerv mit den Strukturen im Neuroforamen, welches von Facetten der beiden Wirbelnachbarn umschlossen wird. Durch Bildung der sekundären Segmente (jeweils obere und untere Hälfte des Wirbelkörpers) um eine Arterie entstehen die Bandscheibe, welche einen Chorda-Rest (nucleus pulposus) enthalten. Die Muskeln überbrücken und bewegen die Segmente.

Die Bedeutung der Keimblätter für die Entwicklung des Organismus

Die Keimblätter spielen eine fundamentale Rolle in der Entwicklung eines Organismus, da sie die Grundlage für die Bildung aller Gewebe und Organe des Körpers bilden. Jedes der drei Keimblätter differenziert sich in spezifische Zelltypen und Strukturen, die verschiedene Funktionen im Körper übernehmen.

Syndrome im Zusammenhang mit der Entwicklung der Kiemenbögen

Syndrome des 1. und 2. Kiemenbogens:

• Treacher-Collins-Syndrom: Unterentwicklung des Kiefers (Mikrognathie) und Deformierung der Ossae zygomaticae, der Gehörknöchelchen und der äußeren Ohren (führt zu Hörproblemen). Genetische Mutationen, die zu nicht ausreichend Neuralleistenzellen führen, die in den 1. Kiemenbogen wandern.
• Pierre-Robin-Sequenz: Eine Unterentwicklung des Kiefers (evtl. Gaumenspalte, Glossoptose und Atemwegsverlegung).
• Goldenhar-Syndrom: kombinierte Fehlbildung des 1. und 2. Kiemenbogens, die Augen, Ohren und Wirbelsäule betreffen. Dieses Syndrom präsentiert sich mit asymmetrischen Gesichtsanomalien, einschließlich Fehlbildungen des Außenohrs (z.B. Mikrotie, Anotie), Augentumoren oder Dermoiden, unterentwickelten Gesichtsknochen und -muskeln sowie Wirbelsäulenanomalien. Fehlbildungen der Lunge: Anatomie und der Gliedmaßen sind ebenfalls möglich.

Syndrome des 3. und/oder 4. Kiemenbogens:

• DiGeorge-Syndrom: Folge einer 22q11.2-Chromosomen-Mikrodeletion, die eine abnormale Bildung der 3. und 4. Schlundtasche verursacht.
• Laterale Halszysten (Branchiome) und Fisteln: Wenn der Sinus cervicalis persistiert, bilden sich laterale Halszysten. Diese Zysten sind im Allgemeinen gutartig, können aber störend sein und sich infizieren. Auch zwischen diesen Zysten können sich Fisteln bilden, entweder mit einer äußeren Öffnung (normalerweise am vorderen Rand des M. Sternocleidomastoideus) oder mit einer inneren Öffnung in der Pharynxwand.

Faktoren, die die Gehirnentwicklung beeinflussen

Die Gehirnentwicklung ist ein komplexer Prozess, der von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst wird. Dazu gehören genetische Faktoren, Umweltfaktoren und die Ernährung der Mutter während der Schwangerschaft.

Wachstumsfaktoren spielen eine wichtige Rolle bei der Gehirnentwicklung. Sie leiten die Neuronen an ihren Platz im Gehirn und fördern die Bildung von Synapsen. Zu den wichtigsten Wachstumsfaktoren gehören:

• Fibroblast growth factor (FGF)
• Hedgehog-Proteine
• WNT-Proteine
• Transforming growth factor (TGF-β)

tags: #Gehirn #Entstehung #Keimblatt