Wie unterscheidet sich unser Gehirn von dem der Neandertaler? Um dieser Frage nachzugehen, haben Forscher ein neues Modellsystem geschaffen: Sie brachten ein Neandertaler-Gen in menschliche Stammzellen ein und züchteten daraus im Labor Mini-Gehirne, sogenannte Hirn-Organoide. Die Organoide mit der Neandertaler-Mutation entwickelten sich langsamer, waren anders geformt und reagierten anders auf Reize als diejenigen, die nur das Erbgut moderner Menschen enthielten. Kleine genetische Veränderungen könnten demnach die Gehirnentwicklung unserer Spezies vorangebracht haben.
Viele Untersuchungen, die sich mit der Evolutionsgeschichte des Menschen beschäftigen, verlassen sich auf archäologische Funde und Fossilien. Über die Entwicklung des Gehirns können solche Studien allerdings kaum Aussagen machen, denn erhalten bleibt lediglich die Schädelform – die Gehirne selbst versteinern nicht. In der medizinischen Forschung etabliert sich seit einigen Jahren eine Technologie, bei der aus menschlichen Stammzellen winzige Modelle des Gehirns nachgebildet werden. Diese sogenannten Hirn-Organoide werden zum Beispiel eingesetzt, um neurologische Krankheiten zu erforschen, die sich im Tiermodell schlecht nachstellen lassen.
Neandertaler-Gen in modernen Stammzellen
Ein Team um Cleber Trujillo von der University of California hat nun diesen Organoid-Ansatz genutzt, um neue Erkenntnisse über die Gehirnentwicklung unserer ausgestorbenen Vorfahren zu gewinnen. Dazu katalogisierten die Forscher zunächst genetische Unterschiede zwischen dem modernen Menschen und seinen beiden nächsten Verwandten, dem Neandertaler und dem Denisova-Mensch. Dabei identifizierten sie 61 Gene, die sich zwar bei Homo sapiens, Neandertaler und Denisova ähneln, aber spezifische Abweichungen durch Mutationen aufweisen.
Eines dieser Gene, NOVA1, ist für seine Bedeutung in der Hirnentwicklung bekannt. Es beeinflusst zahlreiche weitere Genprodukte, die an der Bildung und Vernetzung der Nervenzellen beteiligt sind. Eine einzige Mutation unterscheidet die Genvariante der modernen Menschen von der, die sich bei Neandertalern und Denisova-Menschen findet. „Wir nehmen an, dass diese genetische Veränderung ein wichtiges Ereignis in der Evolution des modernen menschlichen Gehirns war“, schreiben die Forscher. Um herauszufinden, welchen Einfluss die Mutation hat, brachten sie mit Hilfe der Genschere Crispr/Cas9 die Neandertaler-Variante von NOVA1 in menschliche Stammzellen ein. Aus diesen genetisch modifizierten Stammzellen züchteten sie Hirn-Organoide, die Eigenschaften des Neandertaler-Gehirns imitierten.
Eine Mutation, viele Auswirkungen
Bereits mit bloßem Auge sahen die Neandertaler-Hirn-Organoide anders aus als solche, die nur das Erbgut moderner Menschen enthielten: Sie waren kleiner und hatten eine komplexere Oberfläche. Nähere Analysen deckten weitere Unterschiede auf: Die archaischen Hirn-Organoide entwickelten sich langsamer und ihre Synapsen – die Verbindungen zwischen Nervenzellen – waren weniger funktional. Reizten die Forscher das Hirngewebe mit elektrischen Signalen, zeigten die Neandertaler- Organoide in frühen Stadien stärkere Reaktionen, synchronisierten sich aber im Gegensatz zu modernen Hirn-Organoiden nicht zu Netzwerken.
„Es ist faszinierend zu sehen, dass eine einzige Basenpaar-Änderung in der menschlichen DNA verändern kann, wie das Gehirn verdrahtet ist“, sagt Trujillos Kollege Alysson Muotri. „Wir wissen nicht genau, wie und wann in unserer Evolutionsgeschichte diese Veränderung stattgefunden hat. Aber sie scheint signifikant zu sein und könnte helfen, einige unserer modernen Fähigkeiten in Bezug auf Sozialverhalten, Sprache, Anpassung, Kreativität und Nutzung von Technologie zu erklären.“
In Zukunft wollen die Forscher mit Hilfe von Hirn-Organoiden weitere Erkenntnisse über die Evolution unseres Gehirns gewinnen. „Diese Studie konzentrierte sich auf nur ein Gen, das sich zwischen modernen Menschen und unseren ausgestorbenen Verwandten unterscheidet. Als Nächstes wollen wir uns die anderen 60 Gene ansehen und herausfinden, was passiert, wenn jedes einzelne oder eine Kombination von zwei oder mehr Genen verändert wird“, so Muotri. Die Kombination aus Stammzellbiologie, Neurowissenschaft und Paläogenetik ermögliche dabei, ganz neue Hypothesen über die Hirnfunktion der Frühmenschen aufzustellen und zu testen.
Quelle: Cleber Trujillo (University of California San Diego) et al., Science, doi: 10.1126/science.aax2537
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