Was unterscheidet Ihr Gehirn von dem eines Neandertalers?

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

„Was wir gefunden haben, ist ein Gen, das definitiv dazu beiträgt, uns menschlich zu machen“, sagte 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 zum Beispiel die volle Sprache zu verwenden und komplizierte Pläne für die Zukunft zu machen. Seit Jahrzehnten vergleichen Wissenschaftler die Anatomie unseres Gehirns mit der anderer Säugetiere, um zu verstehen, wie sich diese ausgeklügelten Fähigkeiten entwickelt haben.

Das offensichtlichste Merkmal des menschlichen Gehirns ist seine Größe – viermal größer als die 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. Nach eine Studie aus dem Jahr 2018Der menschliche Frontallappen hat viel mehr Neuronen als die gleiche Region bei Schimpansen.

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

Paläoanthropologen haben bei der Untersuchung von Hominidenschädeln entdeckt, dass es sich um die Gehirne unserer Vorfahren handelt deutlich erhöht in der Größe, die vor etwa zwei Millionen Jahren begann. Sie wuchsen vor etwa 600.000 Jahren auf die Größe lebender Menschen heran. Neandertaler, einer unserer nächsten ausgestorbenen Hominiden-Verwandten, hatten Gehirne, die so groß waren wie unseres.

Aber Neandertaler-Gehirne waren verlängert, während Menschen eine haben mehr Kugelform. Wissenschaftler können nicht sagen, was diese Unterschiede erklärt. Eine Möglichkeit ist, dass sich verschiedene Hirnregionen unserer Vorfahren in ihrer Größe verändert haben.

In den letzten Jahren haben Neurowissenschaftler damit begonnen, alte Gehirne mit einer neuen Informationsquelle zu untersuchen: DNA-Stücke, die in Fossilien von Homininen aufbewahrt werden. Genetiker haben ganze Genome rekonstruiert Neandertaler sowie ihre östlichen Cousins, die Denisovaner.

Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf potenziell entscheidende Unterschiede zwischen unserem Genom und den Genomen von Neandertalern und Denisova-Menschen. 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 die Forscher fanden 96 menschenspezifische Mutationen, die die Struktur eines Proteins veränderten.

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

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

Dr. Pinson und seine Kollegen führten erste Experimente mit TKTL1 in Mäusen und Frettchen durch. Nachdem sie die menschliche Version des Gens in das sich entwickelnde Gehirn der Tiere injiziert hatten, stellten sie fest, dass Mäuse und Frettchen dadurch mehr Neuronen produzierten.

Als nächstes führten die Forscher Experimente an menschlichen Zellen durch, wobei sie Fragmente von fötalem Gehirngewebe verwendeten, die mit Zustimmung von Frauen gewonnen wurden, die in einem Krankenhaus in Dresden abgetrieben hatten. Dr. Pinson verwendet Molekulare Schere um das TKTL1-Gen aus Zellen in Gewebeproben zu extrahieren. Ohne sie produziert menschliches Gehirngewebe weniger sogenannte Vorläuferzellen, aus denen Neuronen entstehen.

Für ihr neuestes Experiment wollten die Forscher a Miniatur-Neandertaler-ähnliches Gehirn. Sie begannen mit einer menschlichen embryonalen Stammzelle und modifizierten ihr TKTL1-Gen so, dass es die menschliche Mutation nicht mehr trug. Vielmehr 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, das sie zu einem Klumpen aus sich entwickelndem Gehirngewebe, einem so genannten Gehirnorganoid, wachsen ließ. Er erzeugte Gehirnvorläuferzellen, die dann einen Miniaturkortex aus Schichten von Neuronen produzierten.

Das Neandertaler-ähnliche Gehirn-Organoid produzierte weniger Neuronen als Organoide mit der menschlichen Version von TKTL1. Dies deutet darauf hin, dass unsere Vorfahren bei einer Mutation des TKTL1-Gens zusätzliche Neuronen im Frontallappen produzieren konnten. Obwohl diese Änderung die Gesamtgröße unseres Gehirns nicht vergrößert hat, könnte es seine Verkabelung neu angeordnet 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 neurale Leistung hat.“

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

Andere Mitglieder von Dr. Huttners Labor haben berichtet im Juli dass zwei andere Mutationen die Rate verändern, mit der sich entwickelnde Gehirnzellen teilen. Vergangenes JahrEin Forscherteam der University of California in San Diego hat entdeckt, dass eine andere Mutation die Anzahl der Verbindungen zu verändern scheint, die menschliche Neuronen miteinander verbinden.

Auch andere Mutationen können für unser Gehirn wichtig sein. Wenn beispielsweise der Kortex wächst, müssen einzelne Neuronen wandern, um ihren 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 dazu führen könnten, dass sich unsere Neuronen anders bewegen als die Neuronen im Gehirn eines Neandertalers.

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