Das menschliche Gehirn beginnt sich bereits lange vor der Geburt zu entwickeln.

Dabei treffen zahlreiche Signale aufeinander, die beeinflussen, wie sich einzelne Zellen spezialisieren.

Zwei neue Studien unter Beteiligung von Forschenden der UCLA zeigen, dass sowohl der Stoffwechsel als auch der direkte Kontakt zwischen Zellen eine Rolle dabei spielen können, welche Nervenzellen aus frühen Stammzellen entstehen.

Beide Untersuchungen, die in Cell und Science veröffentlicht wurden, beschäftigen sich mit sogenannten radialen Gliazellen. Diese spezialisierten Stammzellen bilden einen großen Teil der Nervenzellen und Stützzellen, aus denen sich die Großhirnrinde entwickelt. Dieser Bereich des Gehirns ist unter anderem an Gedächtnis, Sprache und Denken beteiligt.

Glukose beeinflusst die Entwicklung

In der Cell-Studie erstellten die Forschenden eine detaillierte Übersicht über den Stoffwechsel in der sich entwickelnden menschlichen Großhirnrinde. Dafür nutzten sie gespendetes menschliches Gewebe sowie Hirnorganoide, die aus Stammzellen im Labor gezüchtet wurden.

Dabei zeigte sich, dass radiale Gliazellen stark auf den sogenannten Pentosephosphatweg angewiesen sind. Dieser Stoffwechselweg nutzt Glukose, um Materialien bereitzustellen, die schnell wachsende und sich teilende Zellen benötigen.

Wurde die Glukoseverfügbarkeit reduziert oder dieser Stoffwechselweg gestört, veränderten die radialen Gliazellen ihr Verhalten. Sie begannen, mehr hemmende Nervenzellen sowie andere Zelltypen zu bilden, die normalerweise erst später während der Entwicklung auftreten.

Der Stoffwechsel liefert demnach nicht nur Energie, sondern kann auch aktiv beeinflussen, welche Entwicklungswege Stammzellen einschlagen.

Die Ergebnisse könnten künftig dabei helfen, besser zu verstehen, wie Ernährung der Mutter, Stoffwechselbedingungen und andere Umweltfaktoren die Entwicklung des Gehirns vor der Geburt beeinflussen könnten.

Signale aus dem Thalamus

Die zweite Studie, die in Science erschien, untersuchte Signale aus dem Thalamus. Diese tief im Gehirn liegende Struktur spielt eine wichtige Rolle bei der Weiterleitung von Informationen im Nervensystem.

Bereits bekannt war, dass Nervenzellen des Thalamus lange Fortsätze in Richtung Großhirnrinde aussenden. Beim Menschen erreichen diese Fortsätze die Großhirnrinde jedoch überraschend früh, noch bevor sie ihre ausgereiften Verbindungen mit den kortikalen Nervenzellen aufbauen.

Mithilfe sogenannter Assembloide, also aus Stammzellen entwickelter Hirnmodelle, entdeckten die Forschenden, dass diese Fortsätze während der frühen Entwicklung direkten körperlichen Kontakt mit radialen Gliazellen aufnehmen.

Dieser Kontakt veränderte die Entwicklung der Stammzellen und führte zu einer stärkeren Bildung erregender Nervenzellen. Besonders deutlich war der Effekt bei Nervenzellen der oberen Schichten, die in der menschlichen Großhirnrinde besonders zahlreich vorkommen.

Nach Angaben von Bhaduri zeigt die Studie damit eine bislang nicht erkannte Form der direkten Kommunikation zwischen thalamischen Fortsätzen und radialen Gliazellen, die für die Entwicklung des menschlichen Gehirns von Bedeutung sein könnte.

Ein Gen mit Verbindung zu Autismus

Die Forschenden untersuchten außerdem NRXN1, ein Gen, das an der Bildung neuronaler Verbindungen beteiligt ist und bereits mit einer Autismus-Spektrum-Störung in Verbindung gebracht wurde.

Dafür erzeugten sie Assembloide aus Zellen von Patientinnen und Patienten mit einer NRXN1-Mutation. In diesen Modellen verhielten sich die Signale aus dem Thalamus anders als bei Zellen ohne entsprechende Mutation.

Die genetische Veränderung beeinflusste das Verhältnis zwischen verbliebenen Stammzellen und neu gebildeten Nervenzellen. Dadurch entstand ein Labormodell, mit dem untersucht werden kann, wie frühe Störungen der Entwicklung die Bildung der Großhirnrinde beeinflussen könnten.

Ein dynamischer Blick auf die Gehirnentwicklung

Zusammen zeigen die beiden Studien, dass die Entwicklung des Gehirns von einer ständigen Kommunikation zwischen Stammzellen und ihrer Umgebung geprägt ist.

Ein Teil dieser Signale entsteht durch den Stoffwechsel, ein anderer durch den direkten Kontakt mit benachbarten Strukturen des Nervensystems. Beide Prozesse können beeinflussen, welche Nervenzellen aus radialen Gliazellen entstehen.

Hirnorganoide und andere Zellmodelle haben diese Erkenntnisse ermöglicht, weil sie wichtige Aspekte der menschlichen Gehirnentwicklung im Labor nachbilden können.

Gleichzeitig eröffnen sie Möglichkeiten, Fragen zu untersuchen, die sich allein mit Tiermodellen nur schwer beantworten lassen.

Bhaduri zufolge könnte ein besseres Verständnis darüber, wie radiale Gliazellen auf Nährstoff- und Zellkontakte reagieren, eine wichtige Grundlage für die Erforschung der normalen Gehirnentwicklung und der Anfälligkeit für neurologische Erkrankungen bilden.

Auch die mögliche Reaktivierung ähnlicher Stammzellprogramme bei Hirntumoren könnte dadurch genauer untersucht werden.