Von Niall Firth
Stefan Siebert und Charles David
Das Feuern jedes Neurons im Körper eines Tieres wurde live aufgezeichnet. Der Durchbruch bei der Darstellung des Nervensystems einer Hydra – einer winzigen, durchsichtigen Kreatur, die mit Quallen verwandt ist – während sie zuckt und sich bewegt, hat Einblicke in die Art und Weise gegeben, wie solche einfachen Tiere ihr Verhalten steuern.
Ähnliche Techniken könnten uns eines Tages helfen, ein tieferes Verständnis dafür zu bekommen, wie unser eigenes Gehirn funktioniert. „Das könnte nicht nur für das menschliche Gehirn wichtig sein, sondern für die Neurowissenschaften im Allgemeinen“, sagt Rafael Yuste von der Columbia University in New York City.
Anstatt eines Gehirns haben Hydren das einfachste Nervensystem der Natur, ein Nervennetz, in dem Neuronen über den ganzen Körper verteilt sind. Trotzdem wissen die Forscher immer noch fast nichts darüber, wie die wenigen tausend Neuronen der Hydra zusammenwirken, um Verhalten zu erzeugen.
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Um das herauszufinden, haben Yuste und sein Kollege Christophe Dupre die Hydra genetisch so verändert, dass ihre Neuronen in Gegenwart von Kalzium leuchten. Da die Konzentration von Kalziumionen ansteigt, wenn Neuronen aktiv sind und ein Signal aussenden, konnten Yuste und Dupre das Verhalten mit der Aktivität in leuchtenden Schaltkreisen von Neuronen in Verbindung bringen.
So wurde beispielsweise ein Schaltkreis, der an der Verdauung in der magenähnlichen Höhle der Hydra beteiligt zu sein scheint, immer dann aktiv, wenn das Tier sein Maul zum Fressen öffnete. Dieser Schaltkreis könnte ein Vorfahre unseres Darmnervensystems sein, vermuten die beiden.
Neuraler Code
Ein zweiter Schaltkreis wird aktiviert, wenn die Hydra ihren Körper zu einem Ball zusammenzieht, um sich vor Raubtieren zu verstecken. Ein dritter Schaltkreis scheint Licht wahrzunehmen und könnte dazu beitragen, dass das Tier weiß, wann es fressen muss – obwohl Hydren blind sind, brauchen sie Licht, um zu jagen, und das tun sie verstärkt am Morgen.
Das Team fand heraus, dass kein Neuron Mitglied von mehr als einem Schaltkreis war. Dies deutet darauf hin, dass das Tier für jeden Reflex eigene Netzwerke entwickelt hat – eine primitive Anordnung, die weit weniger komplex ist als unsere eigenen, miteinander verbundenen Nervensysteme.
Dennoch ist die Hydra der erste Schritt, um den neuronalen Code zu knacken – die Art und Weise, wie die neuronale Aktivität das Verhalten bestimmt, sagt Yuste. „Hydra haben das einfachste ‚Gehirn‘ in der Geschichte der Erde, so dass wir vielleicht eine Chance haben, sie zuerst zu verstehen und diese Lektionen dann auf kompliziertere Gehirne anzuwenden“, sagt er.
Yuste hofft, dass das Sehen, wie die Schaltkreise in Echtzeit funktionieren, zu neuen Erkenntnissen über das menschliche Gehirn führen und uns mehr über psychische Krankheiten wie z.B. Schizophrenie sagen könnte. „Wir können Patienten nicht heilen, solange wir nicht wissen, wie das System funktioniert“, sagt er.
Yuste war einer von mehreren Neurowissenschaftlern, darunter George Church von der Harvard University, die 2012 das Brain Activity Map Project ins Leben riefen. Es war ein Aufruf an die Neurowissenschaftler, die Aktivität jedes Neurons im menschlichen Gehirn zu erfassen. Das Projekt bildet das Kernstück der milliardenschweren BRAIN-Initiative, die 2013 von der Regierung von Präsident Obama ins Leben gerufen wurde.
Aha-Moment
Die Hydra ist nun das erste Tier, für das eine solche Karte für den gesamten Körper erstellt wurde, obwohl auch die Aktivität des gesamten Gehirns von Zebrafischen auf ähnliche Weise kartiert wurde. Die Arbeit ist ein „großartiger Meilenstein, der gefeiert werden muss“, sagt Church. Aber die Übertragung auf Nagetiere oder Primaten wird eine große Herausforderung sein, sagt er.
Dale Purves, ein Neurowissenschaftler am Duke Institute for Brain Sciences in North Carolina, bezweifelt, dass sich das Tier als nützlich erweisen wird, um uns selbst zu verstehen. „Man muss sich fragen, ob dieses Tier neben der Fruchtfliege, dem Wurm und der Maus als Modellorganismus für ein besseres Verständnis des Nervensystems dienen wird“, sagt er. „Meine Antwort wäre leider nein.“
Aber Yuste arbeitet jetzt mit sieben anderen Teams zusammen, um den neuronalen Code der Hydra zu entschlüsseln. Sie wollen die Art und Weise, wie die Neuronen feuern, so genau verstehen, dass sie mit Hilfe eines Computermodells das Verhalten der Hydra allein anhand ihrer neuronalen Aktivität vorhersagen können.
„Einer unserer Träume ist es, in den Neurowissenschaften an den Punkt zu gelangen, an dem die Genetik angelangt ist, als sie die DNA-Doppelhelix entschlüsselt hat“, sagt Yuste. Während einige meinen, dass das Gehirn dafür zu kompliziert ist, ist Yuste optimistisch. „Ich hoffe, dass es noch zu unseren Lebzeiten passieren wird, und es wird ein Aha-Erlebnis sein, wenn sich das Puzzle zusammensetzt“, sagt er.
Journal reference: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Weiterlesen: „Eine kurze Geschichte des Gehirns“
Unsere Gehirne folgten einem verschlungenen Entwicklungspfad durch Lebewesen, die lange vor uns auf der Erde schwammen, krabbelten und liefen. Hier sind einige dieser Tiere und wie sie dazu beigetragen haben, uns zu dem zu machen, was wir sind.
Hydra
Unsere einzelligen Vorfahren verfügten über einen ausgeklügelten Mechanismus, um die Umwelt wahrzunehmen und auf sie zu reagieren. Als die ersten mehrzelligen Tiere entstanden, wurde dieser Mechanismus für die Kommunikation von Zelle zu Zelle angepasst. Schon sehr früh entstanden spezialisierte Zellen, die mit Hilfe von elektrischen Impulsen und chemischen Signalen Nachrichten übermitteln konnten – die ersten Nervenzellen.
Die ersten Neuronen waren wahrscheinlich in einem diffusen Netzwerk über den Körper eines Lebewesens wie dieser Hydra verbunden. Diese Art von Struktur, die als Nervennetz bekannt ist, kann immer noch in den zitternden Körpern von Quallen und Seeanemonen gesehen werden.
Urbilaterian
Als Gruppen von Neuronen begannen, sich zusammenzuschließen, konnten Informationen verarbeitet und nicht mehr nur weitergegeben werden, was es den Tieren ermöglichte, sich zu bewegen und auf immer raffiniertere Weise auf ihre Umwelt zu reagieren. Die am stärksten spezialisierten Neuronengruppen – die erste gehirnähnliche Struktur – entwickelten sich in der Nähe des Mundes und der primitiven Augen.
Vielen Biologen zufolge geschah dies bei einem wurmartigen Lebewesen, das als Urtier bekannt ist, dem Vorfahren der meisten lebenden Tiere, einschließlich Wirbeltieren, Weichtieren und Insekten.
Neunaugengehirn
Mehr spezialisierte Gehirnregionen entstanden bei frühen Fischen, von denen einige den lebenden Neunaugen ähnelten. Ihr aktiverer, schwimmender Lebensstil führte zu einem Druck auf das Gehirn, sich zu paaren, Nahrung zu finden und Raubtiere zu meiden.
Viele dieser Kernstrukturen finden sich auch heute noch in unseren Gehirnen: der Sehnerv, der bewegte Objekte mit den Augen verfolgt; die Amygdala, die uns hilft, auf ängstliche Situationen zu reagieren; Teile des limbischen Systems, das uns Belohnungsgefühle vermittelt und hilft, Erinnerungen zu speichern; und die Basalganglien, die Bewegungsmuster steuern.
Amphibiengehirn
Zwischen dem Auftauchen der ersten Amphibien an Land und der Entwicklung der Säugetiere entstand der Neokortex – zusätzliche Schichten von Nervengewebe an der Oberfläche des Gehirns. Dieser Teil des Gehirns hat sich später enorm vergrößert und ist für die Komplexität und Flexibilität der Säugetiere – einschließlich uns – verantwortlich.
Aber wie und wann sich der Neokortex entwickelt hat, bleibt ein Rätsel. Wir können bei lebenden Amphibien keine vergleichbare Gehirnstruktur erkennen, und auch Fossilien sind nicht sehr hilfreich: Die Gehirne von Amphibien und Reptilien füllen nicht die gesamte Schädelhöhle aus, so dass die Überreste dieser Tiere wenig über die Form ihres Gehirns aussagen.
Ursprüngliches Säugetiergehirn
Die Gehirne der Säugetiere wurden im Verhältnis zu ihren Körpern immer größer, als sie in einer von Dinosauriern beherrschten Welt ums Überleben kämpften.
CT-Scans fossiler Säugetiere, die Spitzmäusen ähneln, haben gezeigt, dass die erste Region, die aufgepumpt wurde, der Riechkolben war, was darauf hindeutet, dass Säugetiere stark auf ihren Geruchssinn angewiesen waren. Die Regionen des Neokortex, die taktile Empfindungen abbilden – wahrscheinlich vor allem das Kräuseln der Haare – erhielten ebenfalls einen großen Schub, was darauf hindeutet, dass der Tastsinn ebenfalls wichtig war. Diese Ergebnisse passen gut zu der Vorstellung, dass die ersten Säugetiere eine nächtliche Lebensweise annahmen, um den Dinosauriern zu entgehen.
Schimpansengehirn
Nach dem Aussterben der Dinosaurier zogen die Vorfahren der Primaten in die Bäume. Die Jagd nach Insekten in den Bäumen erforderte ein gutes Sehvermögen, was dazu führte, dass sich der visuelle Teil des Neokortex erweiterte. Die größte geistige Herausforderung für die Primaten bestand jedoch möglicherweise darin, den Überblick über ihr soziales Leben zu behalten, was die enorme Ausdehnung der Frontalregionen des Neokortex der Primaten erklären könnte.
Diese Frontalregionen wurden auch besser vernetzt, sowohl innerhalb ihrer selbst als auch mit anderen Teilen des Gehirns, die sich mit sensorischem Input und motorischer Kontrolle befassen. Dadurch waren die Primaten in der Lage, mehr eingehende Informationen zu verarbeiten und intelligentere Wege zu finden, um auf diese zu reagieren. Eine Linie der Primaten, die Menschenaffen, wurde besonders intelligent.
Menschliches Gehirn
Forscher glaubten früher, dass die Größe der menschlichen Gehirne durch die Entwicklung auf zwei Beinen unsere Vettern, die Orang-Utans, Gorillas und Schimpansen, übertraf. Fossile Funde zeigen jedoch, dass die frühen Hominiden noch Millionen von Jahren, nachdem sie zweibeinig wurden, kleine Gehirne hatten.
Erst vor rund 2,5 Millionen Jahren begannen unsere Gehirne größer zu werden. Wir wissen immer noch nicht warum, aber es ist möglich, dass eine Mutation die Kiefermuskeln unserer Vorfahren schwächte und so die Vergrößerung unserer Schädel ermöglichte.
Als wir klug genug wurden, um Werkzeuge zu entwickeln und eine reichhaltigere Ernährung zu finden, könnte ein positiver Rückkopplungseffekt eingesetzt haben, der zu einer weiteren Vergrößerung des Gehirns führte. Eine Fülle von Nährstoffen ist für ein großes Gehirn unerlässlich, und kluge Tiere haben bessere Chancen, sie zu finden.
Das Gesamtbild zeigt ein sich ständig erweiterndes Gehirn, dank des Zusammenspiels von Ernährung, Kultur, Technologie, Sprache und Genen. In den letzten 15.000 Jahren ist die durchschnittliche Größe des menschlichen Gehirns im Verhältnis zu unserem Körper jedoch um 3 bis 4 Prozent geschrumpft.
Um herauszufinden, warum das so ist, und um mehr über die evolutionäre Entwicklung des Gehirns zu erfahren, lesen Sie „Eine kurze Geschichte des Gehirns“.
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