Hat der Mensch eigentlich zwei Gehirne im Kopf?

Das menschliche Gehirn galt bislang als ein einziges, zusammenhängend entstandenes Organ. Doch eine neue Studie zeigt: Vorder- und Hinterhirn entstehen aus völlig unterschiedlichen Zellen – mit weitreichenden Folgen für die Medizin.

Eine der grundlegendsten Annahmen der Hirnforschung ist offenbar falsch: Das menschliche Gehirn geht nicht auf eine einzige Vorläuferzelle zurück, sondern entsteht aus zwei komplett verschiedenen Zelllinien, die sich unabhängig voneinander entwickeln. Zu diesem Ergebnis kommt ein Forschungsteam unter Leitung der Stanford University. Die Studie ist im Fachmagazin "Nature Neuroscience" erschienen.

Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass sämtliche Hirnregionen aus ein und derselben Ursprungszelle hervorgehen, die sich im Laufe der Embryonalentwicklung in verschiedene Bereiche ausdifferenziert. Die Stanford-Forschenden haben laut einer Pressemitteilung auf "EurekAlert!" nun jedoch in der frühesten Phase der Embryonalentwicklung – der sogenannten Gastrulation, in der sich aus einem einfachen Zellhaufen erste Körperstrukturen formen – zwei getrennte Vorläuferzellen identifiziert. Die eine Zellgruppe, die ein Gen namens Otx2 aktiviert, bringt ausschließlich Vorder- und Mittelhirn hervor. Die andere, die das Gen Gbx2 nutzt, ist allein für die Bildung des Hinterhirns zuständig. Beide überschneiden sich zu keinem Zeitpunkt.

Noch deutlicher wird die Trennung beim Blick auf die sogenannte Chromatin-Verpackung – also die Art, wie die DNA in den jeweiligen Zellen organisiert ist. Die Konfigurationen unterscheiden sich so grundlegend, dass die Zellen von Anfang an auf getrennten Entwicklungspfaden festgelegt sind, die sich niemals kreuzen.

Was Vorderhirn und Hinterhirn im Körper leisten

Die beiden Hirnhälften übernehmen dabei grundverschiedene Aufgaben. Das Vorderhirn ermöglicht all das, was den Menschen als denkendes Wesen auszeichnet: Sprache, Bewusstsein, logisches Denken und abstrakte Überlegungen.

Das Hinterhirn – oft auch als Hirnstamm bezeichnet – steuert dagegen lebenswichtige Automatismen: Atmung, Herzschlag, Schlaf-Wach-Rhythmus sowie die Kontrolle über Gesichts-, Zungen- und Rachenmuskulatur, die für Sprechen und Schlucken unverzichtbar ist.

Warum die Züchtung von Hinterhirn-Zellen jahrzehntelang scheiterte

Die Entdeckung löst zugleich ein Rätsel, das Forschende seit Jahrzehnten beschäftigt: Während sich Zellen des Vorderhirns vergleichsweise problemlos im Labor züchten ließen, gelang dies mit Hinterhirn-Neuronen nie. Der Grund war denkbar einfach – und lag doch im Verborgenen: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hatten stets versucht, aus Vorläuferzellen des Vorderhirns Hinterhirn-Zellen zu erzeugen. Doch genau das ist, wie die Studie nun belegt, biologisch unmöglich, da die beiden Zelltypen grundsätzlich verschiedene Entwicklungswege einschlagen.

"Frühere Versuche, Hinterhirn-Neuronen herzustellen, haben wahrscheinlich Vorderhirn- und Mittelhirn-Vorläuferzellen in Hinterhirn-Zellen umzuwandeln versucht, was unserer Studie zufolge nicht möglich ist", erklärte Rayyan Jokhai, Co-Erstautor der Studie, laut "Neuroscience News".

Mit dem neuen Wissen gelang dem Team ein weiterer Durchbruch: Erstmals konnten die Forschenden menschliche pluripotente Stammzellen – also Zellen, die sich in jeden beliebigen Zelltyp verwandeln können – gezielt zu funktionsfähigen Hinterhirn-Motoneuronen heranreifen lassen. Diese im Labor erzeugten Nervenzellen wiesen alle typischen Merkmale echter Hinterhirn-Zellen auf: Sie feuerten elektrische Signale und produzierten Proteine, die für die Steuerung von Gesichts- und Schluckmuskulatur charakteristisch sind.

Ein 550 Millionen Jahre altes Muster

Die Doppelstruktur des Gehirns ist offenbar kein Alleinstellungsmerkmal des Menschen. Das Forschungsteam wies das gleiche Zwei-Ursprünge-Muster auch bei Hühnern, Zebrafischen und sogar bei Eichelwürmern nach – kleinen Meeresbewohnern, die einen weit entfernten gemeinsamen Vorfahren mit dem Menschen teilen.

Damit reicht dieses Konstruktionsprinzip mindestens 550 Millionen Jahre zurück. Quallen, die sich vor etwa 600 bis 700 Millionen Jahren von der menschlichen Entwicklungslinie abspalteten, besitzen sogar zwei räumlich vollständig getrennte Nervensysteme an verschiedenen Körperenden.

"Ich war überrascht von unseren Ergebnissen, weil das Wort 'Gehirn' ein zusammenhängendes Organ mit einem einzigen Ursprung nahelegt", sagte Studienautor Rayyan Jokhai. "Aber schon vor 500 Millionen Jahren gab es diese getrennten Nervensysteme, die heute beinahe wie eines funktionieren – was ziemlich faszinierend ist."

Neue Hoffnung bei ALS, Muskelatrophie und Adipositas

Die Fähigkeit, erstmals Hinterhirn-Neuronen im Labor zu züchten, eröffnet nach Einschätzung der Forschenden völlig neue Perspektiven für die Medizin. Besonders relevant ist das für Erkrankungen, die gezielt den Hirnstamm angreifen. Bei der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) – einer fortschreitenden Nervenkrankheit – und der spinalen Muskelatrophie (SMA) – einer der häufigsten genetischen Todesursachen bei Kleinkindern – verlieren Betroffene nach und nach die Kontrolle über lebenswichtige Funktionen wie Schlucken und Atmen. Bislang war die Erforschung dieser Krankheiten massiv eingeschränkt, weil sich Hirnstammgewebe nicht von lebenden Patientinnen und Patienten gewinnen lässt.

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Darüber hinaus könnte die Entdeckung auch für die Adipositas-Forschung bedeutsam sein: Im Hinterhirn befinden sich Nervenschaltkreise, die Hunger und Sättigung regulieren – genau jene Strukturen, an denen Abnehmmedikamente wie Semaglutid ansetzen. Die Möglichkeit, menschliches Hinterhirn-Gewebe im Labor zu kultivieren, könnte Forschenden helfen, die Wirkweise solcher Medikamente besser zu verstehen.

"Jetzt haben wir ein Modell, um diese verheerenden Krankheiten besser zu verstehen und auf regenerative Therapien hinzuarbeiten", so Jokhai. "Das ist eine sehr aufregende neue Grenze in der Hirnforschung." (red)