Ein Forschungsteam der Nagoya University hat erstmals funktionsf\u00e4hige menschliche Hirnschaltkreise im Labor nachgebaut. Die Wissenschaftler um Professor Fumitaka Osakada und Doktorand Masatoshi Nishimura verwendeten daf\u00fcr sogenannte Assembloide \u2013 dreidimensionale Miniaturstrukturen, die aus menschlichen Stammzellen gez\u00fcchtet werden. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n
F\u00fcr ihre Experimente erzeugten die Forscher zun\u00e4chst getrennte Organoide des Thalamus und der Gro\u00dfhirnrinde (Cortex) aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen).<\/p>\n
Imitation echter Organe<\/p>\n
Diese Organoide sind winzige, organ\u00e4hnliche Strukturen, die bestimmte Eigenschaften echter Organe nachahmen. Anschlie\u00dfend verschmolzen sie beide Organoide miteinander, um die Wechselwirkungen zwischen den Hirnregionen in Echtzeit beobachten zu k\u00f6nnen.<\/p>\n
Das Team stellte fest, dass Nervenfasern aus dem Thalamus in Richtung Cortex wuchsen, w\u00e4hrend umgekehrt kortikale Fasern zum Thalamus auswuchsen. Diese Fasern bildeten Synapsen \u2013 also Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen \u2013 die den Verbindungen im menschlichen Gehirn \u00e4hneln. Dabei entwickelten sich die Projektionen vom Thalamus zum Cortex fr\u00fcher als die R\u00fcckverbindungen, was dem nat\u00fcrlichen Entwicklungsmuster im Gehirn von Primaten entspricht.<\/p>\n
Thalamus beschleunigt Reifung der Gro\u00dfhirnrinde<\/strong><\/p>\n Ein Vergleich der Genaktivit\u00e4t zeigte deutliche Unterschiede: Kortikales Gewebe, das mit dem Thalamus verbunden war, wies Anzeichen gr\u00f6\u00dferer Reife auf als isoliert gez\u00fcchtete Cortex-Organoide. Die Genexpression der verbundenen Organoide \u00e4hnelte der eines menschlichen F\u00f6tus in der 12. bis 17. Schwangerschaftswoche, w\u00e4hrend isolierte Cortex-Organoide nur einem Entwicklungsstand von 8 bis 9 Wochen entsprachen.<\/p>\n Zudem fanden die Forscher in den verbundenen Strukturen mehr Vorl\u00e4uferzellen und eine erh\u00f6hte Anzahl von Neuronen der tiefen Hirnschichten. Interessanterweise reichte bereits die r\u00e4umliche N\u00e4he der Organoide ohne direkte Verschmelzung aus, um die Vermehrung der Vorl\u00e4uferzellen anzuregen \u2013 ein Hinweis darauf, dass l\u00f6sliche Signalstoffe aus dem Thalamus diesen Effekt vermitteln.<\/p>\n Synchrone Aktivit\u00e4t nur bei bestimmten Neuronentypen<\/strong><\/p>\n Mithilfe von Kalzium-Bildgebung untersuchten die Wissenschaftler, wie Signale durch die Assembloide wandern. Sie beobachteten wellenf\u00f6rmige Aktivit\u00e4tsmuster, die vom Thalamus ausgingen und sich in den Cortex ausbreiteten.<\/p>\n Die Gro\u00dfhirnrinde enth\u00e4lt drei Haupttypen erregender Nervenzellen: intratelenzephale (IT), Pyramidenbahn- (PT) und kortikothalamische (CT) Neuronen. IT-Neuronen kommunizieren haupts\u00e4chlich innerhalb des Cortex, w\u00e4hrend PT- und CT-Neuronen Signale zur\u00fcck zum Thalamus senden. Die Messungen ergaben, dass nur PT- und CT-Neuronen synchrone Aktivit\u00e4t zeigten \u2013 also zeitlich abgestimmte Signalmuster entwickelten. IT-Neuronen blieben dagegen asynchron.<\/p>\n Als Kontrolle erzeugten die Forscher Assembloide aus zwei Cortex-Organoiden ohne Thalamus-Anteil. In diesen Strukturen zeigte keiner der drei Neuronentypen synchrone Aktivit\u00e4t. Dies belegt laut den Autoren, dass der thalamische Input gezielt bestimmte Neuronentypen st\u00e4rkt und deren Vernetzung f\u00f6rdert.<\/p>\n Werkzeug f\u00fcr die Erforschung neurologischer Erkrankungen<\/strong><\/p>\n Bei Menschen mit Entwicklungsst\u00f6rungen wie Autismus-Spektrum-St\u00f6rungen funktionieren die Schaltkreise der Gro\u00dfhirnrinde oft fehlerhaft. Das Verst\u00e4ndnis, wie diese Netzwerke entstehen und reifen, ist daher zentral f\u00fcr die Erforschung solcher Erkrankungen.<\/p>\n \u201eWir haben wesentliche Fortschritte beim konstruktivistischen Ansatz zum Verst\u00e4ndnis des menschlichen Gehirns gemacht, indem wir es nachgebaut haben“, sagte Osakada. Die Erkenntnisse k\u00f6nnten dazu beitragen, Mechanismen hinter neurologischen und psychiatrischen St\u00f6rungen schneller aufzukl\u00e4ren und neue Therapien zu entwickeln.<\/p>\n Die Forscher r\u00e4umen ein, dass ihr Modell noch Grenzen hat: Die thalamischen Axone erreichten zwar den Cortex, bildeten aber keine geb\u00fcndelten Faserstr\u00e4nge wie im echten Gehirn. F\u00fcr zuk\u00fcnftige Studien schlagen sie vor, dreiteilige Assembloide zu entwickeln, die zus\u00e4tzlich Strukturen aus dem Ganglienh\u00fcgel enthalten \u2013 einer Hirnregion, die als Leitstruktur f\u00fcr auswachsende Nervenfasern dient.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Ein Forschungsteam der Nagoya University hat erstmals funktionsf\u00e4hige menschliche Hirnschaltkreise im Labor nachgebaut. 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