Die Verbindung zwischen Gehirn und Fortpflanzung ist ein faszinierendes und komplexes Forschungsfeld, das weit über die offensichtlichen hormonellen Einflüsse hinausgeht. Es umfasst sowohl evolutionäre Aspekte als auch die neuronalen Veränderungen, die während der Schwangerschaft und Mutterschaft auftreten. Dieser Artikel beleuchtet verschiedene Facetten dieses Zusammenhangs, von den evolutionsbiologischen Grundlagen der sexuellen Fortpflanzung bis hin zu den neuesten Erkenntnissen über die plastischen Veränderungen im Gehirn von Müttern.
Evolutionäre Grundlagen der Fortpflanzung
Der wichtigste Einzelschritt in der Evolution ist die Fortpflanzung, also die Weitergabe der Gene an die nächste Generation. Dieser Weitergabe vorausgehend ist praktisch immer eine Paarung von verschiedenen Individuen, die bei der Hefe noch ganz einfach mit +/- und auf der Evolutionsstufe der Tiere und des Menschen als männlich und weiblich bezeichnet werden. Fortpflanzung ist also ein wesentliches biologisches Prinzip, und abgesehen von den asexuellen Mechanismen niederer Lebewesen hat sich Sex vielfach unabhängig voneinander und immer wieder sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren entwickelt. Sex ist dabei nicht als ein Mechanismus der Reproduktion entstanden, da diese Reproduktion asexuell wesentlich einfacher und schneller vonstatten gehen würde, sondern als ein Mechanismus, der die Vielfalt, damit die Diversität und letztendlich die Evolutionsgeschwindigkeit in der Lebenswelt erhöht. Denn während die asexuelle Fortpflanzung ein reiner Kopiermechanismus ist, bedeutet sexuelle Fortpflanzung die Neukombination der genetischen Anlagen, die Rekombination, deren sichtbarer zytogenetischer Ausdruck als Crossingover der Chromosomen bekannt ist. Die Unterscheidung in + und - oder in „weiblich“ und „männlich“ hat im Laufe der Evolution zu einer morphologischen Differenzierung der Keimzellen geführt. Im männlichen Geschlecht werden eine extrem hohe Anzahl von kleinen, beweglichen Spermien hergestellt, und im weiblichen Geschlecht eine äußerst limitierte Anzahl von großen Eizellen. Damit ist der Wettbewerb eröffnet: Die vielen Spermien kämpfen um die wenigen zu befruchtenden Eizellen. Gleichzeitig mit dieser morphologischen Differenzierung haben die Eizellen - oder besser: die sie produzierenden weiblichen Organismen - sehr früh Mechanismen entwickelt, um zwischen dem Angebot der vielen Spermien bzw. der Spermien produzierenden männlichen Individuen zu wählen. Diese Auswahl, insbesondere wenn es zur Reproduktion kommt, geht in der Tierwelt fast ausschließlich vom weiblichen Geschlecht aus. Insgesamt erweisen sich Partnerwahl und Sex als biologisch äußerst kompliziert und in vielen Fällen ineffizient, da Sex für den Organismus äußerst aufwendig werden kann.
Sexuelle Fortpflanzung als Erfolgsmodell
Die sexuelle Fortpflanzung ist zu einem Erfolgsmodell der Evolution und zum Standardmodell für Säugetiere geworden, obwohl sie viele Nachteile hat. So macht sie etwa komplizierte Umbauten im Körper und im Gehirn nötig, um zwei Geschlechter zu schaffen, die sich auch äußerlich und im Sexualverhalten unterscheiden. Doch die individuelle Entwicklung kann ganz unterschiedliche Wege einschlagen. Dabei ist Fortpflanzung auch ohne Sex sehr effektiv möglich, wie viele Organismen beweisen. Sogar höhere Organismen wie Grubenottern, Haie, Molche und Eidechsen; gelegentlich können sich sogar Truthühner per Jungfernzeugung vermehren. Die Eizellen dieser durchweg weiblichen Tiere entwickeln sich ohne Befruchtung durch Samenzellen zu einem vollständigen neuen Tier. Bereits in der vierten Generation hat ein asexuelles Weibchen viermal so viele Urenkel wie ein sexuelles. Der Vorsprung wächst mit jeder weiteren Generation.
Die Rolle des Immunsystems
Nach aktuellen Erkenntnissen steckt die Erklärung für das Rätsel im Immunsystem höherer Tiere: Damit es funktioniert, müssen die Gene immer neu gemischt werden, und das passiert beim Sex. Bei der Partnerwahl werden die passenden Gene mit der Nase erkannt. Die sexuelle Paarbindung kann Liebesbeziehungen begründen, die sich emotional extrem entwickeln: bis zur Selbstaufgabe oder bis zur tödlichen Eifersucht. Eine neue Untersuchung an Mäusen, genauer gesagt: an deren Urin, stellt die Lehrmeinung, dass Tiere und Menschen bei der Partnerwahl speziell die Immungene des Gegenübers scannen, plötzlich in Frage. Der Urin von Mäusen enthält nämlich viel mehr Peptide, die von anderen Genen stammen. Die Autoren der neuen Studie, zu denen auch der Tübinger Immunologe Hans-Georg Rammensee gehört, halten es für wahrscheinlicher, dass die Mäuse einen Gesamteindruck davon bekommen, in welchem Maße der potenzielle Partner ihnen genetisch ähnelt. Eine optimale Genmischung würde bei den Nachkommen nur entstehen, wenn das Paar nicht zu nah verwandt ist.
Geschlechtschromosomen und ihre Bedeutung
Beim Menschen liegt, wie bei vielen anderen Säugetieren und Pflanzenarten, eine chromosomale Geschlechtsbestimmung vor, die mit 46,XX für weiblich und 46,XY für männlich beschrieben ist. Die menschlichen Geschlechtschromosomen, also X- und Y-Chromosomen, haben sich vor ca. 160 Millionen Jahren auf der Stufe der Beuteltiere entwickelt. Zuvor entsprachen diese Geschlechtschromosomen Teilen von normalen Chromosomen (z. B. beim Schnabeltier und bei den Vögeln). Auf einem Partner dieses späteren Geschlechtschromosomenpaars wurde nach und nach ein bestimmtes Gen zu einem Faktor, der für die Entwicklung zum männlichen Geschlecht verantwortlich ist. Dieser Faktor bzw. dieses Gen wird heute mit SRY, „sex determining region Y“, bezeichnet.
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Das männlichkeitsbestimmende Y-Chromosom hat im Laufe der letzten 160 Millionen Jahre fast alle anderen früheren Gene verloren, lediglich das SRY-Gen für die Bestimmung zum Männlichen behalten und schließlich verschiedene andere Gene akkumuliert, die eine Rolle in der Spermienproduktion spielen. Man spricht in diesem Zusammenhang von der Degeneration des Y-Chromosoms, und populistische Berechnungen wollen nahelegen, dass in 10 Millionen Jahren das Y-Chromosom völlig degeneriert und substanziell nicht mehr nachzuweisen sein wird. Einen solchen Prozess hat man tatsächlich in der Natur in verschiedenen anderen Spezies beobachtet. Dieser Prozess führt allerdings nicht zur Auslöschung des männlichen Geschlechts, sondern eher zu seiner Bestätigung, da das alte Y-Chromosom in diesen Fällen durch ein neues, noch stärker die Männlichkeit betonendes, noch reproduktionsfreudigeres bzw. fertileres Y-Chromosom ersetzt wird.
Der "Large X Chromosome Effect"
Bei den Kreuzungsanalysen zeigte sich, dass die Gene für Fruchtbarkeit und Lebensvitalität besonders auf dem X-Chromosom angereichert sind. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem „large X chromosome effect“. Es wird also über das männliche Geschlecht selektioniert - ein allgemeiner Mechanismus, der nicht nur für den Menschen, sondern für die gesamte Tierwelt gilt. Auf dem X-Chromosom konzentrieren sich so vermehrt Gene, die mit intrauterinem oder frühem Absterben bzw. mit der allgemeinen Vitalität im Zusammenhang stehen. Die daraus resultierende, früh in der Entwicklung stattfindende höhere männliche Absterberate wird in der Natur durch ein verschobenes Geschlechtsverhältnis ausgeglichen. Entsprechend wurde beim Menschen eine dreifach höhere Konzentration von Genen für Sex und Reproduktion auf dem X-Chromosom gefunden. Ärzte erleben dies täglich in der Reproduktionssprechstunde, in der 5 bis 10 % aller Männer sich als hypo- bis infertil erweisen. Beide Beobachtungen, die hohe Rate an männlicher Infertilität und die höhere Absterberate im männlichen Geschlecht, sind auf X-chromosomale Effekte zurückzuführen.
Eines dieser Merkmale scheint beim Menschen die Intelligenz bzw. kognitive Fähigkeiten zu sein. Nach diesem Merkmal muss bereits seit prähistorischen Zeiten selektiert worden sein, denn nur ein seit Jahrmillionen stattfindender Prozess konnte zu einer so umfassenden genetischen Veränderung führen, dass sie heute als Umverteilung der Gene auf den Chromosomen wiederzufinden ist. Medizinisch genetische Befunde zeigen bereits seit über 100 Jahren, dass unter den geistig retardierten Patienten das männliche Geschlecht überwiegt: In enstprechenden Einrichtungen finden sich etwa 1/3 mehr männliche Patienten als weibliche. Die Gene, die im mutierten Zustand zu einer geistigen Behinderung bzw. einer Einschränkung der kognitiven Fähigkeiten führen, sind im Normalzustand an der Ausbildung dieser kognitiven Fähigkeiten beteiligt. Eine Datenanalyse zeigt, dass diese Gene auf dem X-Chromosom 4-mal häufiger vorkommen als auf den anderen Chromosomen.
Die Evolution des X-Chromosoms
Durch eine vergleichende Betrachtung der Genomdaten von vielen weiteren Spezies kann diese Frage heute beantwortet werden. Wie bereits erwähnt, wurde das heutige X-Chromosom vor etwa 160 Mio. Jahren eingeführt. Diese recht genaue Festlegung ist möglich, da unser heutiges X-Chromosom erstmals bei den Beuteltieren (vor ca. 148 Mio. Jahren) auftritt und bei den Schnabeltieren (ca. vor 165 Mio. Jahren) noch nicht vorhanden ist. Durch vergleichende genomische Betrachtungen kann man im Genom des Huhns direkt die Bausteine identifizieren, aus denen später das X-Chromosom gebildet wurde. Mit den heute relativ einfach durchzuführenden genomweiten Expressionsanalysen per Chip-Technik war es möglich zu zeigen, dass für die spätere Bildung des X-Chromosoms tatsächlich vor etwa 160 Mio. Jahren die Bausteine ausgewählt wurden, die schon von vornherein die höchste Dichte an gehirnspezifisch exprimierten Genen aufwiesen. Das gilt jedoch nicht für die Gene für Sex und Reproduktion, die heute ebenfalls auf dem X-Chromosom angereichert sind. Das spätere X-Chromosom, das diese enkodiert, liegt als ein normales Chromosomenpaar bereits im Genom des Schnabeltieres vor (Abb. 1), das selbst einen sehr komplizierten chromosomalen Geschlechtsbestimmungsmechanismus aufweist. In einem zweiten Schritt wurde dann auf einem Partner dieses Chromosomenpaars in einem dynamischen Prozess ein mehr oder weniger zufälliges Gen zu dem geschlechtsbestimmenden SRY entwickelt. Damit stellt sich dieser viele Male untersuchte Schritt der Entwicklung menschlicher Geschlechtschromosomen in einem neuen Licht dar. Der entscheidende Schritt war die Neukombination von bestehenden Chromosomenbausteinen mit einer besonderen Konzentration von gehirnspezifischen Genen zu einem neuen Chromosom. Diese Evolutionsgeschichte des X-Chromosoms betont den äußerst konservativen Charakter der Evolution.
Hormonelle Einflüsse auf das Gehirn
Das Gehirn ist ein Geschlechtsorgan: Hormone greifen ein und verändern Strukturen. „Sexualhormone sind ein Teufelszeug“, sagt Onur Güntürkün. „ Sie können Zellen zum Umbau zwingen.“ Der Biopsychologe von der Universität Bochum muss es wissen, hat er doch mit zwei Kollegen ein dickes Lehrbuch über „Gehirn und Geschlecht“ herausgegeben. Was Sexualhormone vermögen, zeigt sich am deutlichsten bei der Entwicklung der männlichen und der weiblichen Genitalien beim ungeborenen Kind.
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Auch das Gehirn ist ein Geschlechtsorgan, das ist die Botschaft von Onur Güntürkün: In verschiedenen Arealen finden sich Rezeptoren für die Sexualhormone. Dazu gehören so prominente Regionen wie der Hippocampus, der für Orientierung und Gedächtnis wichtig ist, und die Amygdala, das Zentrum für Affekte und das Tor zu affektgeladenen Erinnerungen. Für das Teufelszeug empfänglich ist aber auch der Hypothalamus, die Steuerungszentrale für Stressreaktionen und den Hormonhaushalt des ganzen Körpers. Nicht zuletzt prägen Sexualhormone das Verhalten, und zwar schon vor der Geburt.
Experimente und Erkenntnisse
Mit eindeutigen Folgen: Nach der Geburt kastrierte Ratten hatten als erwachsene Männchen wenig Lust, sich mit Weibchen zu paaren. Sie waren auch weniger aggressiv als normale Männchen - ein Unterschied, der sich schon bei den Raufereien der Jungtiere zeigte. Kastrierten die Forscher die Jungen jedoch erst im Alter von drei Wochen, hatte das keinen Effekt mehr auf ihr Verhalten - die sensible Phase für die Mannwerdung war da schon abgeschlossen. Den weiblichen Neugeborenen injizierten die Forscher am ersten Lebenstag das Hormon Testosteron. Diese Ratten bekamen später keinen Eisprung, sie zeigten kein Werbeverhalten, sondern gingen Rattenmännchen aus dem Weg. Als Jungtiere spielten sie aggressiver als andere Weibchen, und sie legten weitere männliche Eigenarten an den Tag, lernten zum Beispiel schneller, sich in einem Labyrinth zurechtzufinden. Auch hier war das Zeitfenster für Eingriffe begrenzt.
So gibt es Jungen, die zwar Testosteron bilden, aber nicht darauf reagieren können, weil ihnen die passenden Rezeptoren fehlen. Bei ihnen reifen die männlichen Geschlechtsorgane nicht aus. Sie sehen äußerlich weiblich aus, haben aber keinen Uterus und keine Eierstöcke. Noch aussagekräftiger sind die Schicksale von Männern, die aus unterschiedlichen medizinischen Gründen in den ersten Lebensmonaten kastriert und als Mädchen aufgezogen wurden.
Ein weiteres Natur-Experiment betrifft Mädchen, die wegen einer seltenen genetischen Störung zu viele männliche Hormone in ihren Nebennierenrinden produzieren (ein wenig Testosteron produziert jeder Mensch in diesen Organen). Sie kommen nicht nur mit einer Art Mini-Penis auf die Welt, sondern auch mit einer eher maskulinen Weltsicht: Als Kinder raufen sie gern, sind sportlich und interessieren sich kaum für Puppen oder Babys. Später ergreifen sie gern „männliche“ Berufe wie Ingenieur oder Pilot. Dennoch fühlen sich die meisten ganz als Frau. Diese Befunde zeigen, wie mächtig Sexualhormone sind, wie stark sie das Verhalten beeinflussen - nicht nur bei Ratten, sondern auch bei Menschen.
Serotonin und Fruchtbarkeit
Wissenschaftler der Universität Nagoya, Japan, haben den Zusammenhang zwischen Energieniveau und Fruchtbarkeit bei Tieren und Menschen aufgeklärt. Als die Forscher den Gehirnen von Ziegen Serotonin verabreichten, löste dies die Aktivierung der Kisspeptin-Neuronen aus, die der primäre Stimulator für die Freisetzung von wichtigen Fortpflanzungshormonen wie Gonadotropin-Releasing-Hormon und Gonadotropinen sind. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass serotonerge Neuronen Serotonin freisetzen können, wenn sie einen hohen Glukosespiegel wahrnehmen. Indem sie mit den Serotoninrezeptoren in den Kisspeptin-Neuronen interagieren, können sie die Fortpflanzungsfunktionen verbessern. Durch die Verwendung von Hemmstoffen für die serotonerge Signalübertragung konnten die Forscher auch feststellen, dass das Gegenteil der Fall war. Die bei Menschen mit Depressionen häufig beobachtete Fehlfunktion der Serotonin-Neuronen lässt vermuten, dass eine geringe serotonerge Aktivität ein Teil der Ursache sein könnte. „Da selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI) üblicherweise zur Behandlung von Depressionen bei Patienten verschrieben werden, deuten Studien darauf hin, dass diese Medikamente auch bei depressionsbedingter Unfruchtbarkeit und bei der Behandlung von Tieren von Nutzen sein könnten“, so Prof. Hiroko Tsukamura, Leiterin der Forschungsgruppe.
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Neuronale Veränderungen während der Mutterschaft
Mutterschaft verändert nicht nur den Körper und die Lebensumstände, sondern bei vielen Spezies auch das Verhalten: Weibliche Tiere, die Nachwuchs zu versorgen haben, weisen oft einen Nestbautrieb und veränderte Fütterungsroutinen auf oder legen erhöhte Wachsamkeit und sogar Aggressivität an den Tag, um ihre Babys zu beschützen. Eine aktuelle Studie von Forschenden des Francis Crick Institute in London, England, die in der Fachzeitschrift Science erschienen ist, zeigte, dass ein kleines Areal im Gehirn trächtiger Tiere durch bestimmte Schwangerschaftshormone so beeinflusst wird, dass es zu einer teilweise permanenten Neuverdrahtung der betroffenen Neuronen kommt.
Laut der Studie sind die Hormone Östrogen und Progesteron für die Verhaltensänderung verantwortlich. Aus früheren Studien weiß man, dass eine direkte hormonelle Stimulation dieses Bereichs elterliches Verhalten bei Tieren auslöst, die keinen Nachwuchs haben. Östrogen beeinflusst diesen Teil des Gehirns werdender Mütter auf zwei verschiedene Arten: Zum einen hemmt es die Aktivität der Neuronen, zum anderen macht es sie empfindlicher. Progesteron sorgt für eine erhöhte Rekrutierung von Eingängen an den Synapsen, schafft also mehr Punkte, über die die Neuronen miteinander kommunizieren können. Um diese Erkenntnisse zu bestätigen, veränderten die Forschenden die MPOA-Neuronen von Mäusen genetisch so, dass sie gegenüber den Hormonen unempfindlich wurden.
Die Studienautoren gehen davon aus, dass es vor allem während der späten Schwangerschaft eine kritische Phase gibt, in der die fraglichen Hormone die Verhaltensänderung auslösen. Während Jungmäuse sich vor allem auf die Paarung konzentrieren, ist ihm zufolge bei Muttertieren ein robustes elterliches Verhalten wichtig, mit dem das Überleben der Jungen gesichert wird. Genau dieses wird durch die Neuverdrahtung des Gehirns begünstigt. Dabei sind die Veränderungen im Gehirn der Studie zufolge von unterschiedlicher Dauer. Während manche Effekte bis mindestens einen Monat nach der Geburt anhalten, sind andere offenbar permanent.
Die Forschenden gehen davon aus, dass sich die Erkenntnisse aus der Studie auf menschliche Mütter übertragen lassen. Zudem könnte Kohl zufolge eine natürliche Unempfindlichkeit von MPOA-Neuronen gegenüber Progesteron und Östrogen erklären, warum es manchen Müttern schwerer fällt, sich in ihrer neuen Rolle zurechtzufinden als anderen.
Geschlechtsunterschiede im Gehirn?
Hirnforscher haben bis heute kaum Regionen oder Netzwerke im Gehirn gefunden, die verschieden groß oder unterschiedlich geformt sind. Geschweige denn, dass es Zentren gäbe, die nur bei einem Geschlecht vorhanden sind, während sie beim anderen fehlen. Das gilt selbst für die Lieblings-Labortiere der Geschlechterforscher. Ja, im Gehirn von Erwachsenen zeigen sich bisweilen im Kernspin-Tomographen Unterschiede in der Nutzung von Hirnregionen - etwa beim Lösen bestimmter Sprach- oder Labyrinth-Aufgaben. Doch das sind genau die Unterschiede, die man bei unterschiedlicher Übung erwarten würde - und die sich bei gezieltem Training meist einebnen.
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