Drachen und Evolution des Gehirns

Ein molekularer Atlas des Gehirns eines australischen Drachen wirft ein neues Licht auf über 300 Millionen Jahre Gehirnentwicklung
 

2. September 2022

Zurzeit halten Drachen nicht nur die Fans von Game of Thrones auf Trab. Sie liefern auch wichtige Erkenntnisse über die Evolution des Gehirns von Wirbeltieren, wie die Arbeit von Max-Planck-Wissenschaftlern am Gehirn der australischen Bartagame Pogona vitticeps zeigt. Die Evolution der Wirbeltiere nahm vor 320 Millionen Jahren eine entscheidende Wende, als die frühen Tetrapoden (Tiere mit vier Gliedmaßen) vom Wasser auf das Land übersiedelten und schließlich drei große Gruppen hervorbrachten: die Reptilien, die Vögel (ein Ableger des Reptilienbaums) und die Säugetiere. Aufgrund der gemeinsamen Abstammung weisen die Gehirne aller Tetrapoden eine ähnliche Grundarchitektur auf, die während der frühen Entwicklung entstanden ist. Unklar bleibt jedoch, wie Variationen dieses gemeinsamen Bauplans" zu den gruppenspezifischen Eigenschaften beigetragen haben. Neurowissenschaftler am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt gingen dieser Frage nach, indem sie einen molekularen Atlas des Drachengehirns erstellten und mit dem von Mäusen verglichen. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass - entgegen der landläufigen Meinung, ein Säugetiergehirn bestehe aus einem alten "Reptilien"-Gehirn, das mit neuen Säugetiermerkmalen ergänzt wurde, - sowohl Reptilien- als auch Säugetiergehirne ihre eigenen schichtspezifischen Neuronentypen und Schaltkreise aus einer gemeinsamen Vorfahrengruppe entwickelt haben.

"Neuronen sind die vielfältigsten Zelltypen im Körper. Ihre evolutionäre Diversifizierung spiegelt Veränderungen in den Entwicklungsprozessen wider, die sie hervorbringen, und kann zu Veränderungen in neuronalen Schaltkreisen führen", sagt Prof. Gilles Laurent, Direktor am Max-Planck-Institut für Hirnforschung, der die neue, in Science veröffentlichte Studie leitete. "Zum Beispiel arbeiten verschiedene Hirnareale nicht isoliert, was darauf hindeutet, dass die Entwicklung von miteinander verbundenen Regionen wie dem Thalamus und der Großhirnrinde in gewisser Weise korreliert sein könnte. Auch könnte sich ein Hirnbereich bei Reptilien und Säugetieren, der sich von einer gemeinsamen Vorgängerstruktur ableitet, so entwickelt haben, dass er in der einen Gruppe auch heute noch als Vorfahre gilt, während er in der anderen Gruppe ‚modern‘ ist. Umgekehrt könnte es sein, dass beide Kladen heute eine Mischung aus gemeinsamen (alten) und spezifischen (neuen) Neuronentypen enthalten. Das ist die Art von Fragen, die wir mit unseren Experimenten beantworten wollten", fügt Laurent hinzu.

Während herkömmliche Ansätze zum Vergleich von Entwicklungsregionen und Projektionen im Gehirn nicht über die notwendige Auflösung verfügen, um diese Ähnlichkeiten und Unterschiede aufzudecken, wählten Laurent und sein Team einen zellulären transkriptomischen Ansatz. Mithilfe einer Technik namens Einzelzell-RNA-Sequenzierung, die einen großen Teil der in einzelnen Zellen vorhandenen RNA-Moleküle (Transkriptome) nachweist, erstellten die Wissenschaftler einen Zelltyp-Atlas des Gehirns der australischen Bartagame Pogona vitticeps und verglichen ihn mit bestehenden Datensätzen von Mäusen.

Transkriptom-Vergleiche offenbaren gemeinsame Klassen von Neuronentypen

"Wir haben Profile von über 280 000 Zellen aus dem Gehirn von Pogona erstellt und 233 verschiedene Arten von Neuronen identifiziert", erklärt David Hain, Doktorand im Laurent-Labor und Co-Erstautor der Studie. "Die computergestützte Integration unserer Daten mit denen von Mäusen ergab, dass diese Neuronen transkriptomisch in gemeinsamen Familien gruppiert werden können, die wahrscheinlich die Vorfahren der Neuronen repräsentieren", so Hain. Darüber hinaus stellte er fest, dass die meisten Hirnregionen eine Mischung aus gemeinsamen (alten) und spezifischen (neuen) Neuronentypen enthalten, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Die Doktorandin Tatiana Gallego-Flores nutzte histologische Techniken, um diese Zelltypen im gesamten Drachenhirn zu kartieren, und beobachtete (unter anderem), dass Neuronen im Thalamus in zwei transkriptomische und anatomische Domänen eingeteilt werden können, die durch ihre Konnektivität mit anderen Hirnregionen definiert sind. Da diese miteinander verbundenen Regionen bei Säugetieren und Reptilien ein unterschiedliches Schicksal haben, wobei eine dieser Regionen stark divergent ist, erwies sich der Vergleich der Thalamus-Transkriptome dieser beiden Domänen als sehr interessant. Es zeigte sich nämlich, dass die transkriptomische Divergenz mit der der Zielregionen übereinstimmt.

"Dies deutet darauf hin, dass die neuronale transkriptomische Identität zumindest teilweise die weitreichende Konnektivität einer Region mit ihren Zielregionen widerspiegelt. Da wir keinen Zugang zu Gehirnen „alter“ Wirbeltiere haben, müssen wir bei der Rekonstruktion der Entwicklung des Gehirns in der letzten halben Milliarde Jahre sehr komplexe molekulare, entwicklungsgeschichtliche, anatomische und funktionelle Daten in einer Weise zusammenführen, die in sich konsistent ist. Wir leben in sehr aufregenden Zeiten in denen dies möglich wird", so Laurent abschließend.

Hinweis: Diese Arbeit ist Teil einer Reihe von Arbeiten, die in derselben Ausgabe von Science veröffentlicht wurden und in denen Gehirntranskriptome von Amphibien mit denen von Reptilien und Säugetieren verglichen werden. Eine dieser Arbeiten stammt aus dem Labor von Maria Tosches, Columbia University, NY, NY, die auch Co-Autorin unserer Arbeit ist.

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