Die Neurowissenschaften haben in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, insbesondere bei der Erforschung der Gehirnfunktionen und der neuronalen Strukturen. Ein zentrales Anliegen ist dabei der Vergleich verschiedener Spezies, um die evolutionären Ursprünge und die spezifischen Anpassungen des menschlichen Gehirns besser zu verstehen. Dieser Artikel beleuchtet die Unterschiede zwischen dem Gehirn von Mäusen und Menschen, wobei insbesondere die neuronalen Typen, die Genregulation und die kognitiven Fähigkeiten berücksichtigt werden.
Zellatlas des motorischen Kortex: Ein Überblick
Das BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), eine internationale Forschungskollaboration, hat einen Zellatlas erstellt, der einen einzigartigen Überblick über die verschiedenen Neuronentypen und ihre jeweiligen Eigenschaften im motorischen Kortex liefert. Dieser Zellatlas umfasst die Gehirne von Mäusen, Weißbüschelaffen und Menschen und ermöglicht es, die evolutionäre Entwicklung der verschiedenen Nervenzelltypen nachzuvollziehen.
Methodische Ansätze
Mithilfe neuer experimenteller Techniken und Datenanalyseverfahren ist es den Wissenschaftlern gelungen, genetische Informationen über mehr als eine Million Zellen zu sammeln. Sie erfassten für einen Teil der Zellen ihre räumliche Lage, Form und elektrischen Eigenschaften und ermittelten ihre Verbindungen zu weiteren Neuronen in anderen Gehirnbereichen. Neurowissenschaftler beschreiben Neuronen in der Regel anhand drei grundlegender Merkmale: ihre Anatomie, ihre Physiologie und ihr Transkriptom. Die Forschenden konnten die drei grundlegenden Eigenschaften bei über 1000 Zellen gleichzeitig messen, was ein tiefes Verständnis dafür ermöglichte, wie die Neuronen im motorischen Kortex miteinander in Beziehung stehen.
Neuronale Vielfalt und Ordnung
Die Analyse der neuronalen Daten zeigte, dass die großen genetischen Neuronenfamilien unterschiedliche anatomische und physiologische Eigenschaften aufweisen. Innerhalb jeder Familie zeigen die Neuronen jedoch eine sich graduell verändernde anatomische und physiologische Vielfalt. Die Neuronen unterliegen einer Ordnung, die auf Ebene der Familien aus verschiedenen, sich nicht überschneidenden Zweigen besteht. Innerhalb jeder Familie weisen sie jedoch mit Blick auf ihre genetischen, anatomischen und physiologischen Eigenschaften fortlaufende Veränderungen auf.
Der Einfluss des ARHGAP11B-Gens auf die Gehirngröße
Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden haben in früheren Studien gezeigt, dass im sich entwickelnden Neokortex das menschenspezifische Gen ARHGAP11B die Bildung von mehr neuronalen Vorläuferzellen anregt und folglich so mehr Nervenzellen entstehen. Das Einbringen des ARHGAP11B Gens führte zu einem vergrößerten Neokortex in Embryonen von Mäusen, neugeborenen Frettchen und Föten von Weißbüschelaffen.
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Auswirkungen auf kognitive Fähigkeiten
Die Forscher des MPI-CBG konnten zeigen, dass Mäuse, in denen das menschenspezifische Gen ARHGAP11B während der Entwicklung aktiv ist, ein größeres Gehirn bilden, das tatsächlich so bis ins Erwachsenenalter bestehen bleibt. Verhaltenstests zeigten eine verbesserte Flexibilität des Gedächtnisses bei den ARHGAP11B-Mäusen. Diese Mäuse machten weniger Fehler beim Finden einer versteckten Wasserflasche und verhielten sich weniger ängstlich in einer neuen Umgebung. Dies deutet auf verbesserte kognitive Fähigkeiten hin.
Die Rolle der Neurogenese
Stammzellen im Gehirn des Menschen produzieren wesentlich mehr Nervenzellen als die entsprechenden Stammzellen bei Mäusen. Nervenzellen entstehen im Gehirn des Embryos aus Stammzellen, die sich stetig teilen. Höhere Organismen vermehren ihre Nervenzellen über einen Umweg, die indirekte Neurogenese. Bei Menschen sind die "intermediate progenitors" bereits viel komplexer und teilen sich häufiger als bei Mäusen. Indirekte Neurogenese ist also der Schlüssel zur Entwicklung größerer und intelligenterer Gehirne.
Modellierung von Hirnfunktionen: Maus und Mensch im Vergleich
Forschende der Neurowissenschaften um Prof. Dr. Burkhard Pleger im Sonderforschungsbereich 874 der Ruhr-Universität Bochum und ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT, USA) beobachteten Lernprozesse in den Gehirnen von Mäusen und Menschen und bildeten diese in mathematischen Modellen nach. So konnten sie zeigen, dass die Region des mediodorsalen Nukleus im Thalamus entscheidenden Anteil an kognitiver Flexibilität hat.
Mathematische Modelle und Lernaufgaben
Das deutsche Team hatte die Gehirnaktivität menschlicher Probanden mittels funktioneller Kernspintomografie beobachtet, während die Versuchspersonen zwei verschiedene Reize in verschiedenen Abfolgen mit ihrer Fingerspitze ertasten mussten. Das Team des MIT hatte Mäuse eine ganz ähnliche Lernaufgabe absolvieren lassen und deren Gehirnaktivität dabei nicht nur beobachtet, sondern später auch in Form eines mathematischen Modells nachgebildet. Die Aktivierungsmuster bei Mäusen und Menschen zeigten große Ähnlichkeit.
Bedeutung des Thalamus
Charakteristisch für das mathematische Netzwerkmodell ist, dass die Region des mediodorsalen Nukleus im Thalamus in ständigem Austausch mit Regionen des präfrontalen Kortex steht. Dies belegt einmal mehr, wie groß die Bedeutung des Thalamus für kognitive Prozesse ist. Die kognitive Flexibilität ist überlebenswichtig und steht bei sehr vielen psychiatrischen Erkrankungen im Zentrum der Pathologie.
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Genregulation: Unterschiede zwischen Maus und Mensch
Das Mouse ENCODE-Projekt hat erstmals die Kontrollzentren der Genregulation bei der Maus entschlüsselt. Mensch und Maus teilen rund 70 Prozent ihrer proteinkodierenden Gene. Allerdings machen diese Gene nur rund 1,5 Prozent des gesamten Erbguts beider Organismen aus. Der große Rest entfällt auf DNA-Wiederholungen und auf Abschnitte, die lange Zeit als funktionslos galten, sich aber inzwischen als wichtige Kontrollzentren der Genaktivität erwiesen haben.
Artspezifische Genregulation
Es gibt eine substanzielle Anzahl von Mäusegenen, die auf ganz andere Weise reguliert werden als ihre Gegenparts beim Menschen. Diese Unterschiede sind nicht zufällig, sie konzentrieren sich entlang bestimmter Stoffwechselwege, beispielsweise in Genen, die das Immunsystem regulieren. Die Genregulation ist demnach entgegen vorhergehender Annahmen mehr artspezifisch als gewebespezifisch. Zudem binden viele Moleküle, die das Ablesen der Gene steuern, bei der Maus an ganz anderen Stellen im Genom als beim Menschen.
Medizinische Relevanz
Die neuen Erkenntnisse könnten dazu beitragen, die medizinische Forschung künftig effektiver zu machen. Dank der Ergebnisse von Mouse ENCODE weiss man nun besser, wo genau sich Maus und Mensch unterscheiden. Lange Zeit galt die Annahme, dass alles, was bei der Maus entdeckt wurde, auch beim Menschen gilt, aber das stimmt nicht.
Unterschiede im Hippocampus
Ein österreichisches Forschungsteam hat im Fachmagazin Cell veröffentlicht, dass es beim Menschen beispielsweise vergleichweise weniger Verbindungen zwischen Nervenzellen im Hippocampus gibt, als es bei Mäusen der Fall ist. Gleichzeitig funktionieren diese wenigen Verbindungen aber sehr zuverlässig und präziser als im Maus-Hippocampus. Für ihre Untersuchungen nutzten die Forschenden gesundes menschliches Hirn-Material.
Genomische Unterschiede
US-amerikanische, schwedische und britische Forscher haben das Erbgut von Mäusen erneut untersucht und herausgefunden, dass die kleinen Nager mehr als tausend Gene mehr als der Mensch haben. Damit seien die Unterschiede zwischen Mäusen und Menschen viel größer als bisher gedacht. 15.178 Gene bei Mensch und Maus sind der neuen Analyse zufolge verwandt und stammen von einem gemeinsamen Vorfahren ab.
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Die Rolle der Human Accelerated Regions (HARs)
Frühere Untersuchungen legen bereits nahe, dass so genannte Human accelerated regions (HARs) die Gehirngröße entscheidend beeinflussen. Diese kurzen Genomabschnitte sind bei allen Säugetieren konserviert, haben sich aber beim Menschen nach der evolutionären Abspaltung vom Schimpansen rasch verändert. Ein solcher Genomabschnitt namens HARE5 verstärkt die Expression des Gens Fzd8, das eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung und dem Wachstum von Nervenzellen spielt.
Experimentelle Ergebnisse
Als die Forscher eine menschliche Version von HARE5 an Stelle der eigenen Version in lebende Mäuse einpflanzten, wurde das Gehirn der Tiere bis zum Erwachsenenalter im Schnitt um 6,5 Prozent größer als das der nicht veränderten Mäuse. Der menschliche Hirnbooster war am aktivsten in so genannten radialen Gliazellen, die sich schließlich zu Neuronen und anderen Gehirnzellen entwickeln. Er steigerte die Teilung und Vermehrung der Gliazellen, woraufhin sie mehr Neurone produzierten als unter dem Einfluss der Mausversion von HARE5.