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Die Unterschiede zwischen den Gehirnen von Primaten sind gering, aber signifikant, wie eine Studie zeigt

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Während die physischen Unterschiede zwischen Menschen und nicht-menschlichen Primaten sehr groß sind, zeigt eine neue Studie, dass ihre Gehirne bemerkenswert ähnlich sein können. Und doch können die kleinsten Veränderungen große Unterschiede bei Entwicklungs- und psychiatrischen Störungen bewirken.

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Das Verständnis der molekularen Unterschiede, die das menschliche Gehirn auszeichnen, kann Forschern helfen, Störungen in seiner Entwicklung zu untersuchen. Eine neue Studie, die kürzlich in der Zeitschrift Science von einem Team um den Professor für Neurowissenschaften der University of Wisconsin-Madison, Andre Sousa, veröffentlicht wurde, untersucht die Unterschiede und Ähnlichkeiten von Zellen im präfrontalen Kortex - der vordersten Region des Gehirns, einem Bereich, der eine zentrale Rolle bei höheren kognitiven Funktionen spielt - zwischen Menschen und nichtmenschlichen Primaten wie Schimpansen, Rhesusaffen und Marmosetten.

Die zellulären Unterschiede zwischen diesen Spezies könnten Aufschluss darüber geben, welche Schritte in ihrer Evolution unternommen wurden und wie diese Unterschiede mit Störungen wie Autismus und geistigen Behinderungen beim Menschen zusammenhängen können. Sousa, der am Waisman Center der UW-Madison die Entwicklungsbiologie des Gehirns erforscht, beschloss, in Zusammenarbeit mit dem Labor der Yale University, in dem er als Postdoktorand arbeitete, zunächst die Zellen im präfrontalen Kortex zu untersuchen und zu kategorisieren.

"Wir erstellen ein Profil des dorsolateralen präfrontalen Kortex, weil er besonders interessant ist. Dieses kortikale Gebiet gibt es nur bei Primaten. Bei anderen Arten gibt es ihn nicht", sagt Sousa. "Er wird mit mehreren wichtigen Funktionen im Bereich der hohen Kognition, wie dem Arbeitsgedächtnis, in Verbindung gebracht. Es wurde auch mit verschiedenen neuropsychiatrischen Störungen in Verbindung gebracht. Deshalb haben wir uns entschlossen, diese Studie durchzuführen, um zu verstehen, was in dieser Hirnregion beim Menschen einzigartig ist

Sousa und sein Labor sammelten genetische Informationen von mehr als 600.000 Zellen des präfrontalen Kortex aus Gewebeproben von Menschen, Schimpansen, Makaken und Marmosetten. Sie analysierten diese Daten, um die Zellen in Typen zu kategorisieren und die Unterschiede zwischen ähnlichen Zellen verschiedener Arten zu bestimmen. Es überrascht nicht, dass die große Mehrheit der Zellen ziemlich vergleichbar war.

"Die meisten Zellen sind sich tatsächlich sehr ähnlich, weil diese Arten evolutionär relativ nahe beieinander liegen", sagt Sousa.

Sousa und seine Mitarbeiter fanden fünf Zelltypen im präfrontalen Kortex, die nicht bei allen vier Arten vorhanden waren. Außerdem fanden sie Unterschiede in der Häufigkeit bestimmter Zelltypen sowie eine Vielfalt ähnlicher Zellpopulationen zwischen den Arten. Wenn man einen Schimpansen mit einem Menschen vergleicht, scheinen die Unterschiede riesig zu sein - von der äußeren Erscheinung bis hin zu den Fähigkeiten ihrer Gehirne. Aber auf zellulärer und genetischer Ebene, zumindest im präfrontalen Kortex, sind die Ähnlichkeiten groß und die Unterschiede gering.

"Unser Labor möchte wirklich wissen, was das menschliche Gehirn einzigartig macht. Aus dieser Studie und unseren früheren Arbeiten geht hervor, dass das meiste davon tatsächlich gleich ist, zumindest bei den Primaten", sagt Sousa.

Die geringfügigen Unterschiede, die die Forscher gefunden haben, könnten der Beginn der Bestimmung einiger dieser einzigartigen Faktoren sein, und diese Informationen könnten zu Erkenntnissen über die Entwicklung und Entwicklungsstörungen auf molekularer Ebene führen.

"Wir wollen wissen, was nach der evolutionären Trennung zwischen Menschen und anderen Primaten passiert ist", sagt Sousa. "Die Idee ist, dass man eine Mutation in einem Gen oder in mehreren Genen hat und diese Gene nun leicht unterschiedliche Funktionen haben. Aber wenn diese Gene für die Entwicklung des Gehirns relevant sind, z. B. wie viele einer bestimmten Zelle produziert werden oder wie sich die Zellen mit anderen Zellen verbinden, wie wirkt sich das auf die neuronalen Schaltkreise und ihre physiologischen Eigenschaften aus? Wir wollen verstehen, wie diese Unterschiede zu Unterschieden im Gehirn führen und dann zu Unterschieden, die wir bei Erwachsenen beobachten können."

Die Beobachtungen der Studie wurden an den Gehirnen von Erwachsenen gemacht, nachdem ein Großteil der Entwicklung abgeschlossen ist. Das bedeutet, dass die Unterschiede möglicherweise schon während der Entwicklung des Gehirns auftreten. Der nächste Schritt der Forscher besteht also darin, Proben von sich entwickelnden Gehirnen zu untersuchen und ihr Untersuchungsgebiet über den präfrontalen Kortex hinaus auszuweiten, um möglicherweise herauszufinden, wo und wann diese Unterschiede entstehen. Die Hoffnung ist, dass diese Informationen zu einer solideren Grundlage für die Erforschung von Entwicklungsstörungen führen werden.

"Wir sind in der Lage, außergewöhnliche Dinge zu tun, oder? Wir erforschen das Leben selbst, das Universum und so vieles mehr. Und das ist wirklich einzigartig, wenn man sich umschaut", sagt Sousa, zu dessen Team die Doktoranden Ryan Risgaards und Zachary Gomez-Sanchez, die Forschungspraktikantin Danielle Schmidt und die Studenten Ashwin Debnath und Cade Hottman gehören. "Wenn wir diese einzigartigen Fähigkeiten haben, muss es doch etwas im Gehirn sein, oder? Es gibt etwas im Gehirn, das uns all das ermöglicht, und wir sind wirklich daran interessiert zu wissen, was es ist."