Ein Forschungsteam der Nagoya University hat erstmals funktionsfähige menschliche Hirnschaltkreise im Labor nachgebaut. Die Wissenschaftler um Professor Fumitaka Osakada und Doktorand Masatoshi Nishimura verwendeten dafür sogenannte Assembloide – dreidimensionale Miniaturstrukturen, die aus menschlichen Stammzellen gezüchtet werden. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America veröffentlicht.
Für ihre Experimente erzeugten die Forscher zunächst getrennte Organoide des Thalamus und der Großhirnrinde (Cortex) aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen).
Imitation echter Organe
Diese Organoide sind winzige, organähnliche Strukturen, die bestimmte Eigenschaften echter Organe nachahmen. Anschließend verschmolzen sie beide Organoide miteinander, um die Wechselwirkungen zwischen den Hirnregionen in Echtzeit beobachten zu können.
Das Team stellte fest, dass Nervenfasern aus dem Thalamus in Richtung Cortex wuchsen, während umgekehrt kortikale Fasern zum Thalamus auswuchsen. Diese Fasern bildeten Synapsen – also Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen – die den Verbindungen im menschlichen Gehirn ähneln. Dabei entwickelten sich die Projektionen vom Thalamus zum Cortex früher als die Rückverbindungen, was dem natürlichen Entwicklungsmuster im Gehirn von Primaten entspricht.
Thalamus beschleunigt Reifung der Großhirnrinde
Ein Vergleich der Genaktivität zeigte deutliche Unterschiede: Kortikales Gewebe, das mit dem Thalamus verbunden war, wies Anzeichen größerer Reife auf als isoliert gezüchtete Cortex-Organoide. Die Genexpression der verbundenen Organoide ähnelte der eines menschlichen Fötus in der 12. bis 17. Schwangerschaftswoche, während isolierte Cortex-Organoide nur einem Entwicklungsstand von 8 bis 9 Wochen entsprachen.
Zudem fanden die Forscher in den verbundenen Strukturen mehr Vorläuferzellen und eine erhöhte Anzahl von Neuronen der tiefen Hirnschichten. Interessanterweise reichte bereits die räumliche Nähe der Organoide ohne direkte Verschmelzung aus, um die Vermehrung der Vorläuferzellen anzuregen – ein Hinweis darauf, dass lösliche Signalstoffe aus dem Thalamus diesen Effekt vermitteln.
Synchrone Aktivität nur bei bestimmten Neuronentypen
Mithilfe von Kalzium-Bildgebung untersuchten die Wissenschaftler, wie Signale durch die Assembloide wandern. Sie beobachteten wellenförmige Aktivitätsmuster, die vom Thalamus ausgingen und sich in den Cortex ausbreiteten.
Die Großhirnrinde enthält drei Haupttypen erregender Nervenzellen: intratelenzephale (IT), Pyramidenbahn- (PT) und kortikothalamische (CT) Neuronen. IT-Neuronen kommunizieren hauptsächlich innerhalb des Cortex, während PT- und CT-Neuronen Signale zurück zum Thalamus senden. Die Messungen ergaben, dass nur PT- und CT-Neuronen synchrone Aktivität zeigten – also zeitlich abgestimmte Signalmuster entwickelten. IT-Neuronen blieben dagegen asynchron.
Als Kontrolle erzeugten die Forscher Assembloide aus zwei Cortex-Organoiden ohne Thalamus-Anteil. In diesen Strukturen zeigte keiner der drei Neuronentypen synchrone Aktivität. Dies belegt laut den Autoren, dass der thalamische Input gezielt bestimmte Neuronentypen stärkt und deren Vernetzung fördert.
Werkzeug für die Erforschung neurologischer Erkrankungen
Bei Menschen mit Entwicklungsstörungen wie Autismus-Spektrum-Störungen funktionieren die Schaltkreise der Großhirnrinde oft fehlerhaft. Das Verständnis, wie diese Netzwerke entstehen und reifen, ist daher zentral für die Erforschung solcher Erkrankungen.
„Wir haben wesentliche Fortschritte beim konstruktivistischen Ansatz zum Verständnis des menschlichen Gehirns gemacht, indem wir es nachgebaut haben“, sagte Osakada. Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Mechanismen hinter neurologischen und psychiatrischen Störungen schneller aufzuklären und neue Therapien zu entwickeln.