Unser Gehirn besteht aus unterschiedlichen Bereichen mit jeweils eigenen Aufgaben. Das Hinterhirn reguliert unter anderem Herzschlag, Atmung, Schlaf sowie grundlegende motorische Funktionen; das Mittelhirn ist unter anderem für Reflexe zuständig; und das Vorderhirn, zu dem auch das Großhirn zählt, verleiht uns höhere kognitive Fähigkeiten – von komplexen willkürlichen Bewegungen bis hin zum Denken, Fühlen und Sprechen. Bislang galt unser Denkapparat als ein einziges, einheitliches Organ, das in einem frühen Embryonalstadium aus einer einzigen Vorläuferzelle entsteht. Doch neue Erkenntnisse stellen diese Annahme in Frage.
Zwei getrennte Vorläufer
Ein Team um Rayyan Jokhai von der Stanford University in Kalifornien hat nun an Mäusen untersucht, wie sich die ersten Anlagen des Gehirns während der Gastrulation bilden, einem der frühesten Stadien der Embryonalentwicklung. In dieser Phase, die beim Menschen in der dritten Woche nach der Befruchtung beginnt, entstehen die drei Keimblätter, aus denen sich anschließend die verschiedenen Gewebe des Körpers bilden. Das Gehirn entsteht dabei aus dem äußersten Keimblatt, dem Ektoderm.
Doch anders als bisher angenommen, weisen die Vorläuferzellen für die verschiedenen Hirnbereiche bereits in diesem Stadium deutliche Unterschiede auf. „Wir haben erstmals gezeigt, dass der vordere Teil des Gehirns aus völlig anderen Vorläuferzellen entsteht als der hintere Teil“, berichtet Jokhais Kollege Kyle Loh. „Während der Gastrulation entstehen gleichzeitig zwei parallele Gehirnvorläufer: das vordere neurale Ektoderm, aus dem später Vorder- und Mittelhirn werden, sowie das hintere neurale Ektoderm, der Vorläufer des Hinterhirns.“
In den unterschiedlichen Hirnvorläuferzellen des Embryos sind unterschiedliche Gene aktiv, wie die Forschenden herausfanden. Zudem unterscheidet sich zwischen diesen beiden Hirnvorläufern auch die grundlegende Chromatinstruktur, also die Verpackung der DNA. Die Chromatinstruktur entscheidet darüber, welche Bereiche des Erbguts leicht zugänglich sind und welche nicht.
Tiefe evolutionäre Wurzeln
Diese Ergebnisse belegen, dass unser Gehirn eigentlich aus zwei eng miteinander verwachsenen und vernetzten Organen besteht. Obwohl unser Denkorgan bei unserer Geburt eine Einheit bildet, hat es zwei verschiedenen Ursprünge. Um herauszufinden, zu welchen Zeitpunkt im Laufe der Evolution sich die zwei verschiedenen Arten von Gehirn entwickelt haben, untersuchten Jokhai und seine Kollegen zahlreiche weitere Tierarten, darunter Hühner, Zebrafische und primitive Meereswürmer.
Diese Analysen ergaben: Auch bei diesen evolutionär weit entfernten Lebewesen bilden sich bereits während der Gastrulation zwei aus unterschiedlichen Zellen hervorgehende Vorläufer des Gehirns. „Das deutet darauf hin, dass die Unterscheidung zwischen zwei verschiedenen Ektodermtypen älter ist als der Ursprung der Wirbeltiere und bereits vor etwa 550 bis 600 Millionen Jahren entstand“, schreiben die Forschenden.
Hinterhirn in der Petrischale
Die neuen Erkenntnisse erklären auch, warum es bislang nicht gelungen ist, Zellen des Hinterhirns aus im Labor zu züchten. Denn dafür wurden üblicherweise die gleichen Vorläuferzellen verwendet, wie für das Vorder- und Mittelhirn. Doch die aktuelle Studie zeigt nun, dass die Vorläuferzellen dieser beiden Hirnteile genetisch bereits auf einen anderen Weg festgelegt sind als die Vorläufer des Hinterhirns.
„Unsere Entdeckung bedeutet, dass wir nun Neuronen aus dem hinteren Teil des Gehirns, dem Hinterhirn, in einer Petrischale züchten und ihre Funktionen untersuchen können“, sagt Loh. Tatsächlich gelang es den Forschenden, aus menschlichen pluripotenten Stammzellen funktionsfähige Hinterhirnneuronen im Labor zu erzeugen. Das eröffnet neue Möglichkeiten, diese Zellen zu erforschen – und damit auch schwerwiegende Erkrankungen des Hinterhirns. Dazu zählt beispielsweise spinale Muskelatrophie (SMA), bei denen die motorischen Nervenzellen im Hinterhirn und Rückenmark nach und nach schwinden.
Neues Modell für ALS und Co
Auch bei amyotropher Lateralsklerose (ALS) spielt das Hinterhirn eine entscheidende Rolle, denn dort befinden sich die Neuronen für lebenswichtige Funktionen wie Atmen und Schlucken. Diese werden im Spätstadium der neurodegenerativen Erkrankung zerstört. „Jetzt haben wir ein Modell, um diese verheerenden Erkrankungen besser zu verstehen und auf regenerative Therapien für sie hinzuarbeiten“, sagt Jokhai
In zukünftigen Studien wollen die Forschenden genauer untersuchen, welche Bereiche des Gehirns aus welchen Vorläuferzellen entstehen. Ihre bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich insbesondere der hintere Teil des Hinterhirns aus der separaten Population an Vorläuferzellen bildet. „Der entwicklungsbiologische Ursprung des vordersten Teils des Hinterhirns, einschließlich des Kleinhirns, ist noch nicht vollständig geklärt“, schreiben sie. „Möglicherweise könnte es von einem dritten, noch unentdeckten Typ des neuralen Ektoderms stammen.
Quelle: Rayyan Jokhai (Stanford University, Kalifornien, USA) et al., Nature Neuroscience, doi: 10.1038/s41593-026-02433-7
