Was unterscheidet Ihr Gehirn von dem eines Neandertalers?

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Wissenschaftler haben einen Fehler in unserer DNA entdeckt, der möglicherweise dazu beigetragen hat, die Gedanken unserer Vorfahren von denen der Neandertaler und anderer ausgestorbener Verwandter zu unterscheiden.

Die Mutation, die in den letzten paar hunderttausend Jahren entstanden ist, spornt laut einer neuen Studie, die am Donnerstag in Science veröffentlicht wurde, die Entwicklung von mehr Neuronen in dem Teil des Gehirns an, den wir für unsere komplexesten Denkformen verwenden.

„Was wir gefunden haben, ist wieder eines, das sicherlich dazu beiträgt, uns Menschen zu machen“, sagt Wieland Huttner, Neurowissenschaftler am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, Deutschland, und einer der Autoren der Studie.

Das menschliche Gehirn ermöglicht es uns, Dinge zu tun, die andere lebende Arten nicht können, wie z. B. die Verwendung einer ausgewachsenen Sprache und das Erstellen komplizierter Pläne für die Zukunft. Seit Jahrzehnten vergleichen Wissenschaftler die Anatomie unseres Gehirns mit der anderer Säugetiere, um zu verstehen, wie sich diese hochentwickelten Fähigkeiten entwickelt haben.

Das offensichtlichste Merkmal des menschlichen Gehirns ist seine Größe – viermal so groß wie das von Schimpansen, unseren nächsten lebenden Verwandten.

Unser Gehirn hat auch charakteristische anatomische Merkmale. Die Region des Kortex direkt hinter unseren Augen, bekannt als Frontallappen, ist für einige unserer komplexesten Gedanken von wesentlicher Bedeutung. Laut einer Studie aus dem Jahr 2018 hat der menschliche Frontallappen weit mehr Neuronen als die gleiche Region bei Schimpansen.

Aber der Vergleich von Menschen mit lebenden Menschenaffen hat einen gravierenden Mangel: Unser jüngster gemeinsamer Vorfahre mit Schimpansen lebte vor etwa sieben Millionen Jahren. Um zu ergänzen, was seitdem passiert ist, mussten Wissenschaftler auf Fossilien unserer neueren Vorfahren zurückgreifen, die als Hominine bekannt sind.

Bei der Untersuchung von Homininenschädeln haben Paläoanthropologen festgestellt, dass die Gehirne unserer Vorfahren vor etwa zwei Millionen Jahren dramatisch an Größe zugenommen haben. Sie erreichten vor etwa 600.000 Jahren die Größe lebender Menschen. Neandertaler, einer unserer nächsten ausgestorbenen Homininen-Verwandten, hatten Gehirne, die so groß waren wie unseres.

Aber Neandertaler-Gehirne waren länglich, während Menschen eine kugelförmigere Form haben. Wissenschaftler können nicht sagen, was diese Unterschiede ausmacht. Eine Möglichkeit ist, dass verschiedene Regionen des Gehirns unserer Vorfahren ihre Größe verändert haben.

Ein MRT eines menschlichen Gehirns mit hervorgehobenem Frontallappen. Anerkennung… Living Arka Enterprises/Wissenschaftsquelle

In den letzten Jahren haben Neurowissenschaftler damit begonnen, alte Gehirne mit einer neuen Informationsquelle zu untersuchen: DNA-Stücke, die in Fossilien von Homininen konserviert sind. Genetiker haben ganze Genome von Neandertalern und ihren östlichen Cousins, den Denisova-Menschen, rekonstruiert.

Wissenschaftler haben potenziell entscheidende Unterschiede zwischen unserem Genom und den Genomen von Neandertalern und Denisova-Menschen auf den Punkt gebracht. Die menschliche DNA enthält etwa 19.000 Gene. Die von diesen Genen codierten Proteine ​​sind größtenteils identisch mit denen von Neandertalern und Denisova-Menschen. Aber Forscher haben 96 menschenspezifische Mutationen gefunden, die die Struktur eines Proteins verändert haben.

Im Jahr 2017 sah sich Anneline Pinson, eine Forscherin in Dr. Huttners Labor, diese Liste von Mutationen an und bemerkte eine, die einen wiederum namens TKTL1 veränderte. Wissenschaftler wissen, dass TKTL1 im sich entwickelnden menschlichen Kortex aktiv wird, insbesondere im Frontallappen.

„Wir wissen, dass der Frontallappen für kognitive Funktionen wichtig ist“, sagte Dr. Pinson. „Das war also ein guter Hinweis darauf, dass es ein interessanter Kandidat sein könnte.“

Dr. Pinson und ihre Kollegen führten erste Experimente mit TKTL1 in Mäusen und Frettchen durch. Nachdem sie die menschliche Version des Wieder in die sich entwickelnden Gehirne der Tiere injiziert hatten, stellten sie fest, dass es sowohl bei Mäusen als auch bei Frettchen dazu führte, dass sie mehr Neuronen bildeten.

Als nächstes führten die Forscher Experimente an menschlichen Zellen durch, wobei sie Teile des fötalen Gehirngewebes verwendeten, die durch das Einverständnis von Frauen gewonnen wurden, die in einem Dresdner Krankenhaus abgetrieben hatten. Dr. Pinson benutzte eine molekulare Schere, um das TKTL1 wieder aus den Zellen in den Gewebeproben herauszuschneiden. Ohne sie produziert das menschliche Gehirngewebe weniger sogenannte Vorläuferzellen, aus denen Neuronen entstehen.

Für ihr letztes Experiment machten sich die Forscher daran, ein Neandertaler-ähnliches Gehirn zu erschaffen. Sie begannen mit einer menschlichen embryonalen Stammzelle und bearbeiteten ihre TKTL1 erneut, sodass sie die menschliche Mutation nicht mehr aufwies. Stattdessen trug es die Mutation, die bei unseren Verwandten gefunden wurde, darunter Neandertaler, Schimpansen und andere Säugetiere.

Dann legten sie die Stammzelle in ein Bad aus Chemikalien, die sie dazu brachten, sich in einen Klumpen aus sich entwickelndem Gehirngewebe zu verwandeln, der als Gehirnorganoid bezeichnet wird. Es erzeugte Vorläufer-Gehirnzellen, die dann einen Miniaturkortex aus Schichten von Neuronen produzierten.

Das Neandertaler-ähnliche Gehirn-Organoid bildete weniger Neuronen als Organoide mit der menschlichen Version von TKTL1. Das deutet darauf hin, dass unsere Vorfahren bei der Remutation von TKTL1 zusätzliche Neuronen im Frontallappen produzieren konnten. Während diese Änderung die Gesamtgröße unseres Gehirns nicht vergrößert hat, könnte es seine Verdrahtung neu organisiert haben.

„Das ist wirklich eine Meisterleistung“, sagte Laurent Nguyen, Neurowissenschaftler an der Universität Lüttich in Belgien, der nicht an der Studie beteiligt war. „Es ist bemerkenswert, dass eine so kleine Änderung einen so dramatischen Effekt auf die Produktion von Neuronen hat.“

Der neue Befund bedeutet nicht, dass TKTL1 allein das Geheimnis dessen preisgibt, was uns menschlich macht. Andere Forscher sehen sich auch die Liste der 96 proteinverändernden Mutationen an und führen eigene Organoid-Experimente durch.

Andere Mitglieder von Dr. Huttners Labor berichteten im Juli, dass zwei weitere Mutationen das Tempo verändern, mit dem sich entwickelnde Gehirnzellen teilen. Letztes Jahr fand ein Forscherteam der University of California in San Diego heraus, dass eine andere Mutation die Anzahl der menschlichen Verbindungen zu verändern scheint.

Auch andere Mutationen könnten sich als wichtig für unser Gehirn erweisen. Während sich beispielsweise der Kortex entwickelt, müssen einzelne Neuronen wandern, um ihren richtigen Platz zu finden. Dr. Nguyen beobachtete, dass einige der 96 Mutationen, die nur beim Menschen vorkommen, Gene veränderten, die wahrscheinlich an der Zellmigration beteiligt sind. Er spekuliert, dass unsere Mutationen unsere Neuronen dazu bringen könnten, sich anders zu bewegen als Neuronen im Gehirn eines Neandertalers.

„Ich glaube nicht, dass das das Ende der Geschichte ist“, sagte er. „Ich denke, dass mehr Arbeit erforderlich ist, um zu verstehen, was uns Menschen in Bezug auf die Gehirnentwicklung ausmacht.“

Die New York Times

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