Zerlegung des Gehirns, eine Zelle nach der anderen

Festlegen einer einzelligen Grundlinie für das Verständnis von kognitiven Störungen und Krankheiten

Quelle: Arek Socha / Pixabay

Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking haben mit ihren jüngsten Arbeiten neue Wege beschritten, um den präfrontalen Kortex auf Einzelzellniveau während der Entwicklung des menschlichen Fötus zu untersuchen.

Der menschliche präfrontale Kortex (PFC), ein Bereich des Gehirns, der über eine Milliarde Zellen enthält, wird oft für seine Rolle bei der Entscheidungsfindung anerkannt, die im Zusammenhang mit der Reife von Jugendlichen (… oder deren Fehlen) weitestgehend erwähnt wird. Neuroimaging-Studien deuten stark darauf hin, dass unser PFC sich noch in den 20er Jahren entwickelt, was sinnvoll ist, wenn wir Fragen stellen wie: “Warum fordern sich diese 15-Jährigen gegenseitig dazu auf, Tide-Pods zu essen?”

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Unser PFC ist essentiell für die Kognition höherer Ordnung, einschließlich des Arbeitsgedächtnisses und der sozio-emotionalen Funktion, da es fortwährend neue Verbindungen und Modifikationen innerhalb seiner Schaltkreise entwickelt, wenn wir älter werden. Populationen funktioneller Zellen entstehen und migrieren durch die sich entwickelnde PFC in utero , aber die molekularen Veränderungen, die diesem frühen Stadium der Entwicklung zugrunde liegen, sind weitgehend unbekannt geblieben, teilweise aufgrund der Schwierigkeit, genau zu definieren, welche Zelltypen innerhalb des präfrontalen Kortex liegen, eine Aufgabe viel komplexer als es klingen mag.

Das in Peking ansässige Forscherteam, das unter anderem von Dr. Xiaoqun Wang geleitet wurde, analysierte nicht nur die Genexpression von über 2.300 einzelnen Zellen im PFC, sondern untersuchte auch die Entwicklungswege dieser Zellen von den Schwangerschaftswochen 8 bis 26 (alle Arbeiten wurden in Übereinstimmung mit dem Ethikkomitee für Reproduktionsstudien der Universität Peking).

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Quelle: Gerd Altmann / Pixabay

Mithilfe der Einzelzell-RNA-Sequenzierung, einer Methode, mit der Wissenschaftler bestimmen können, welche Gene in jeder Zelle exprimiert werden (basierend auf den vorhandenen Transkripten), identifizierten die Forscher sechs Hauptklassen von Zellen in der sich entwickelnden humanen PFC und 35 Subtypen innerhalb dieser Klassen. Dabei wurde nicht nur die Vielfalt der Zelltypen im menschlichen PFC aufgezeigt, sondern auch die zelluläre Komplexität, die der menschlichen Kognition zugrunde liegt. Sie entdeckten neue genetische Marker für neurale Vorläuferzellen (NPCs). NPCs sind Zellen, die nicht nur die Fähigkeit besitzen, sich selbst zu replizieren, sondern sich auch differenzieren, um zu spezialisierten Zelltypen zu werden, zum Beispiel zu den essentiellen, aber etwas rätselhaften Gliazellen im Gehirn.

Das Aufdecken dieser Marker zeigte nicht nur die Heterogenität innerhalb der NPCs, sondern bot Wissenschaftlern auch ein zusätzliches Werkzeug, um zu untersuchen, wie ein Zelltyp den nächsten hervorbringt und wichtige neuronale Schaltkreise im Verlauf der fetalen Entwicklung entstehen lässt.

Das PFC wurde mit bedeutenden kognitiven Defiziten und neurologischen Entwicklungsstörungen einschließlich Schizophrenie in Verbindung gebracht. Im Fall von Schizophrenie werden Veränderungen in der PFC-Struktur und -Funktion beobachtet, teilweise aufgrund der Kortexausdünnung. Das Forscherteam war in der Lage zu beschreiben, wann erregende und inhibitorische Neuronen, Zellen in der PFC, die mit Störungen wie Schizophrenie und Autismus in Verbindung gebracht werden, zuerst erscheinen und reifen. Zu verstehen, wie und wann diese Zelltypen entstehen, könnte die Grundlage für die Entwicklung von Therapien für diese und verwandte neurologische Defekte sein.

Dieses in Beijing ansässige Team war nicht das erste, das das menschliche Gehirn auf der Ebene einzelner Zellen erforschte und sicherlich nicht das letzte. Forscher arbeiten kontinuierlich daran, zu optimieren, wie sie Informationen über verschiedene Regionen des Gehirns in verschiedenen Entwicklungsstadien sammeln und so einen vollständigen Referenzplan für die Erforschung der molekularen Grundlagen der menschlichen Erfahrung schaffen, von der Gedächtnisbildung bis hin zu neurodegenerativen Erkrankungen. Da Hochdurchsatzmethoden alltäglicher werden, bringen uns neue Entdeckungen immer näher an das Verständnis der unglaublich entmutigenden und dennoch schönen Landschaft des menschlichen Gehirns.