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Hirnforschung

Neandertaler bildeten weniger Neuronen

Mikroskopische Aufnahme einer sich teilenden Vorläuferzelle, aus der während der Gehirnentwicklung Neuronen entstehen. © Pinson et al., Science 2022 / MPI-CBG

Was macht unser Denkorgan so besonders? Aus einer Studie geht nun hervor, dass der moderne Mensch durch ein modifiziertes Protein mehr Nervenzellen als der Neandertaler im Gehirn entwickelte: Durch Untersuchungen an Mäusen und gezüchteten „Minigehirnen“ konnten Forscher zeigen, dass das menschliche Protein TKTL1 im Gegensatz zur Neandertaler-Version zu einer vermehrten Bildung von Nervenzellen im sich entwickelnden Frontallappen des Neokortex führt, der für viele kognitive Fähigkeiten entscheidend ist.

Wir begreifen, planen und kooperieren auf eine so raffinierte Weise wie kein anderes Lebewesen: Die enorme Leistungsfähigkeit des Gehirns wurde zum Schlüssel des Erfolgs unserer Spezies. Doch was lag der Entwicklung der kognitiven Überlegenheit des modernen Menschen zugrunde? Grundsätzlich scheint klar, dass sie mit einer Zunahme der Gehirngröße und damit einer erhöhten Bildung von Nervenzellen im Laufe unserer Evolutionsgeschichte verbunden war. Eine interessante Frage ist dabei, inwieweit sich das Gehirn des modernen Menschen von dem seines nächsten Verwandten unterschieden hat – des Neandertalers.

Beide Spezies besaßen ähnlich große Gehirne und aus neueren Forschungsergebnissen geht hervor, dass auch die kognitive Leistungsfähigkeit des Neandertalers sich zumindest nicht so deutlich von der des modernen Menschen unterschieden hat wie lange angenommen. Allerdings gab es möglicherweise doch gewisse Unterschiede. Konkret war bisher unklar, inwieweit die vergleichbare Größe des Gehirns auch eine ähnliche Anzahl von Nervenzellen bedeutet. Dieser Frage sind nun die Forscher um Wieland Huttner vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden nachgegangen. Sie nutzten dabei als Grundlage, dass durch die Analyse fossiler DNA das Erbgut der Neandertaler bekannt ist und damit auch, inwieweit sie andere Proteine bildeten als der moderne Mensch.

Der Bedeutung eines Unterschieds auf der Spur

Grundsätzlich ist dabei festzustellen: Es gibt nur sehr wenige Proteine, die sich zwischen beiden Arten in der Abfolge der Aminosäuren – ihren Bausteinen unterscheiden. Doch wie das Wissenschaftlerteam berichtet, gibt es eine markante Ausnahme: Das Protein Transketolase-like 1 (TKTL1) unterscheidet sich bei uns und dem Neandertaler durch einen Baustein: Beim modernen Menschen besitzt das TKTL1-Protein an einer bestimmten Sequenzposition die Aminosäure Arginin, während dort beim TKTL1 des Neandertalers die verwandte Substanz Lysin liegt. Ein interessanter Aspekt war dabei: Es ist bereits bekannt, dass TKTL1 im fötalen menschlichen Neokortex in Vorläuferzellen gebildet wird, aus denen sich alle kortikalen Nervenzellen ableiten.

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Im Rahmen ihrer Studie haben die Wissenschaftler nun die Bedeutung des winzigen Unterschieds zwischen den beiden TKTL1-Versionen für die Entwicklung des Neokortex untersucht. Dazu kamen zunächst Mäuse als Modell zum Einsatz: Die Forscher sorgten durch gentechnische Methoden für eine Bildung von TKTL1 im Neokortex von Embryonen der Nager. Bei der einen Gruppe handelte es sich dabei um die menschliche, in einer anderen um die Neandertaler-Version des Proteins. Dabei zeigte sich: Bei der menschlichen Variante von TKTL1 wurden vermehrt basale radiale Gliazellen gebildet – die Art von neokortikalen Vorläuferzellen, von denen man annimmt, dass sie die treibende Kraft für ein größeres Gehirn sind. Mit der Neandertaler-Version vermehrten sich diese Zellen hingegen nicht. Infolgedessen entstanden in den Gehirnen der Mausembryonen mit dem menschliche TKTL1 vergleichsweise mehr Nervenzellen.

Weniger Nervenzellen beim Neandertaler-Protein

Anschließend gingen die Forscher zu einem mehr menschlichen Modellsystem über: Sie führten Versuche mit sogenannten Hirnorganoiden durch. Dabei handelt es sich um organähnliche Miniaturstrukturen aus Nervengewebe, die aus menschlichen Stammzellen im Labor gezüchtet werden. Bei einigen dieser Hirnorganoide ersetzten die Wissenschaftler das Arginin im TKTL1-Protein des modernen Menschen durch das für das TKTL1 des Neandertalers charakteristische Lysin. Anschließend untersuchten sie, wie sich diese „Neandertalisierung“ auf die Entwicklung der menschlichen „Minigehirne“ auswirkte.

„Wir fanden heraus, dass mit dem Neandertaler-Typ der Aminosäure in TKTL1 weniger basale radiale Gliazellen produziert wurden als mit dem Moderne-Menschen-Typ, und folglich auch weniger Nervenzellen“, berichtet Erstautorin Anneline Pinson vom MPI-CBG. Das Forscherteam gewann auch Hinweise darauf, wie sich das TKTL1 des modernen Menschen auswirkt: Es sorgt offenbar für Veränderungen im Stoffwechsel, insbesondere durch eine Stimulierung des sogenannten Pentosephosphatweges, gefolgt von einer erhöhten Fettsäuresynthese. Letztlich erhöht das Protein damit wohl die Synthese bestimmter Membranlipide. Diese spielen wiederum bei der Vermehrung der basalen radialen Gliazellen eine Rolle, die zur erhöhten Nervenzellproduktion führen, erklären die Forscher.

„Man kann aufgrund unserer Ergebnisse vermuten, dass die Bildung von Nervenzellen im Neokortex während der fötalen Entwicklung beim modernen Menschen größer ist als beim Neandertaler, hauptsächlich im Frontallappen“, fasst Huttner, die Ergebnisse zusammen. „Es ist durchaus denkbar, dass dies die kognitiven Fähigkeiten des modernen Menschen, die auf dem Frontallappen beruhen, gefördert hat“, so der Wissenschaftler.

Quelle: MaxPlanck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik, Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.abl6422

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