Gibt es nur beim Menschen „magische Elfen“? Versteckt in deinem und meinem Gehirn

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Ma Junjie, Qi Ruicheng (Shanghai Institute of Nutrition and Health, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Die menschliche Intelligenz übertrifft die anderer Spezies bei weitem und hat eine brillante moderne Zivilisation hervorgebracht.

Sie fragen sich bestimmt, was genau uns von anderen Tieren unterscheidet, insbesondere von Schimpansen, unseren nächsten Verwandten?

Schimpansen beim Essen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Die Antwort liegt im menschlichen Gehirn. Das Gehirn ist der Speicher unserer fortgeschrittenen kognitiven Funktionen und so komplex wie das Universum. Um seine Geheimnisse zu verstehen, müssen wir es umfassend verstehen.

Eine der wichtigsten Forschungsrichtungen meines Forschungsteams (Wang Guangzhongs Team am Shanghai Institute of Nutrition and Health, Chinesische Akademie der Wissenschaften) besteht darin, Daten zu nutzen, um das Gehirn zu verstehen. Wir haben versucht, die Funktionsweise des Gehirns zu erklären, indem wir große Datenmengen auf der Ebene des gesamten Gehirns analysiert und integriert haben.

Abbildung: Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden am 3. September 2024 online in der internationalen Fachzeitschrift Molecular Psychiatry veröffentlicht. Der Titel der Arbeit lautet „Human-unique brain cell clusters are associated with learning disorders and human episodic memory activity“.

(Bildquelle: Website der Molekularen Psychiatrie)

Vor kurzem haben wir Fortschritte bei der Identifizierung von Gehirnzellpopulationen gemacht, die spezifisch für den Menschen und nicht für Primaten sind. Dabei haben wir festgestellt, dass menschenspezifische Zellpopulationen eng mit Lernstörungen, Gedächtnisstörungen und Gehirnerkrankungen in Zusammenhang stehen.

Warum also untersuchen wir menschenspezifische Gehirnzellen? Wie lässt sich ihre Funktion bestimmen?

Es ist schwierig, Gehirnzellen zu finden, die nur beim Menschen vorkommen, aber es ist immer noch eine Aufgabe

Stellt man sich das Gehirn als eine Zauberkiste voller magischer Kraft und Kreativität vor, dann sind die Zellen die Zauberelfen, die das menschliche Gehirn aufbauen. Im Vergleich zu Schimpansen haben Menschen eine größere Menge Feenstaub in ihrem Gehirn. doch im Vergleich zu größeren Arten wie Walen haben Menschen weit weniger magischen Feenstaub im Gehirn.

Daher hoffen Wissenschaftler, weitere „Haushaltsumfragen“ zu jedem Elf durchführen zu können, diese Elfen zu klassifizieren und zu studieren, um die magischen Elfen zu finden, die den Menschen vorbehalten sind, und dann weiter zu untersuchen, welche Magie dieser Elfen die Menschen so einzigartig macht.

MRT-Bild des Kopfes

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Allerdings ist die Zahl der Gehirnzellen so groß, dass sie ebenso einschüchternd wirkt wie der weite Sternenhimmel. Die Suche nach bestimmten Zellen in einer so großen Zellpopulation ist wie die Suche nach bestimmten Sandkörnern im riesigen Ozean. Sie können sich vorstellen, wie schwierig das ist. Jeder Zelltyp hat eine einzigartige Morphologie, Eigenschaften und Funktionen. Die genaue Identifizierung menschenspezifischer Zellen unter diesen Milliarden von Zellen ist eine gewaltige Herausforderung. Die Identifizierung spezifischer Zellen und ihrer Funktionen im menschlichen Gehirn ist eine schwierige Herausforderung, da sie nicht nur fortschrittliche technische Mittel, sondern auch einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand für die Datenanalyse erfordert.

Die Reise zur Entdeckung der erstaunlichen menschlichen Gehirnzellcluster (HUCCs)

Wie bereits erwähnt, ist die Zahl der Gehirnzellen enorm und die ziellose Suche nach bestimmten Zellen gleicht der Suche nach der Nadel im Heuhaufen.

Was soll ich tun? Glücklicherweise gibt es bereits viele erfahrene Wissenschaftler, die sich für das Gehirn interessieren und viel Forschung betrieben haben. Auf der Grundlage, die sie gelegt haben, können wir einige Richtungen finden, auf die wir uns konzentrieren können.

Um unser Gehirn besser erforschen zu können, haben Wissenschaftler es auf Grundlage seiner physischen Struktur und Funktion in mehrere Gehirnregionen unterteilt. Der präfrontale Kortex ist beim Menschen am weitesten entwickelt.

Struktur des menschlichen Gehirns

(Fotoquelle: Sohu)

Das Volumen des präfrontalen Kortex nimmt vom Primaten zum Menschen deutlich zu. Der präfrontale Kortex des Menschen ist im Verhältnis zum gesamten Gehirnvolumen viel größer als bei anderen Arten. Gleichzeitig ist der präfrontale Kortex das „Zentrum“ des Gehirns und verantwortlich für kognitive Aktivitäten auf höherer Ebene wie Gedächtnis, Urteilsvermögen und Entscheidungsfindung.

Wir hoffen daher, durch die Untersuchung von Zellen im präfrontalen Kortex die zellulären und molekularen Grundlagen der kognitiven Funktionen höherer Ebene des Menschen zu verstehen und so die Unterschiede zwischen Menschen und anderen Primaten wie Schimpansen, Rhesusaffen und Krallenaffen aufzudecken.

Welche Methode wird also nach der Auswahl des Ziels verwendet, um eine „Haushaltsumfrage“ der Zellen durchzuführen?

Mithilfe der Einzelkernsequenzierungstechnologie, einem Werkzeug, mit dem sich eine „Haushaltsuntersuchung“ von Zellen durchführen lässt, können wir die Magie verschiedener Zellelfen – die Genexpression – effizient erkennen. Wir führten eine Einzelkern-Sequenzierungsanalyse an Zellen im präfrontalen Kortex von Menschen, Schimpansen, Rhesusaffen und Krallenaffen durch und klassifizierten die Zellen anhand der Ähnlichkeit der Genexpression. Zellelfen mit ähnlichen magischen Fähigkeiten wurden in derselben „Familie“ zusammengefasst und die Magie (spezifisch exprimierte Gene), die nur in dieser Familie zirkuliert, wurde als ikonische Magie dieser Zellfamilie verwendet.

Durch den Vergleich der Unterschiede in der Genexpression fanden wir 2717 Gene, die nur beim Menschen stark exprimiert wurden. Generell gilt: Je höher das Expressionsniveau eines Gens, desto wichtiger ist seine Funktion. Anschließend verwendeten wir ein Analysetool, um Zellen mit hoher Genexpression zu identifizieren, die wir als menschliche, einzigartige Gehirnzellcluster (HUCCs) definierten .

Von allen Zellen im menschlichen präfrontalen Kortex sind etwa 10 % HUCCs. Darunter befinden sich 11 exzitatorische neuronale Subpopulationen und 9 nicht-neuronale Zellsubpopulationen. Wir glauben, dass es diese HUCCs mit ihren einzigartigen „magischen Fähigkeiten“ sind, die den Menschen bis zu einem gewissen Grad einzigartige Eigenschaften verleihen, die sie von anderen Arten unterscheiden. Die restlichen 90 Prozent der Zellen kommen sowohl beim Menschen als auch bei Primaten vor und weisen eine ähnliche Genexpression auf.

Die Forschung ist noch nicht abgeschlossen.

In der Gehirnforschung gibt es ein Konzept namens „Zone der beschleunigten Evolution des Menschen“. Damit sind DNA-Regionen im menschlichen Genom gemeint, die sich schneller entwickelt haben als bei anderen Primaten und sich oft in der Nähe von Enhancer-Regionen befinden, die die Genexpression verstärken.

Wir analysierten außerdem zwei Datensätze zu Genen, die durch Enhancer des menschlichen präfrontalen Cortex reguliert werden, und stellten fest, dass es eine große Überschneidung mit den von uns identifizierten, menschenspezifischen, stark exprimierten Genen gab und dass die Expressionsniveaus der durch menschenspezifische Enhancer regulierten Gene in HUCCs signifikant höher waren als jene in Zellpopulationen, die zwischen den Arten konserviert sind.

Die Regulation der evolutionär beschleunigten Regionen des Menschen auf dem Genom hat die menschenspezifischen Zellelfen HUCCs mit besonderen Talenten ausgestattet. Diese Enhancer-Regionen spielen eine wichtige regulatorische Rolle bei der hohen Expression von Genen in Neuronen, insbesondere exzitatorischen Neuronen.

Datenerfassungsorte im präfrontalen Kortex von Menschen und Primaten

(Bildquelle: Referenz 1)

Wie wirken sich HUCCs auf die Gehirnfunktion aus?

Diese spezialisierten Zellen spielen eine Schlüsselrolle bei der Dicke der Hirnrinde und der Kodierung von Erinnerungen.

In der Zauberkiste des Gehirns sind erregende Neuronen die Zauberelfen, die „Jubelbefehle“ erteilen, um die Aktivitäten der nachgeschalteten Elfen zu verstärken. Sie inspirieren und lenken die umgebenden Zauberelfen (andere Neuronen oder Zellen), füllen die gesamte Zauberkiste mit Vitalität und magischen Veränderungen und fördern die Manifestation verschiedener wunderbarer Gedanken und Verhaltensweisen.

Viele Neuronen im Gehirn sind damit beschäftigt, den Körper zu „kommandieren“

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Wir fanden heraus, dass Gene, die mit der Dicke der Hirnrinde in Zusammenhang stehen, in erregenden Neuronen von HUCCs im Vergleich zu konservierten erregenden Neuronen signifikant überexprimiert waren. Diese Gene stehen auch in engem Zusammenhang mit der statischen Gehirnaktivität und dem Prozess der Gedächtniskodierung. Die Verstärkung dieser Magie in HUCCs fördert die Entwicklung der menschlichen Großhirnrinde und verbessert auch menschliche Fähigkeiten wie Gedächtnis und Denken.

Darüber hinaus haben wir durch den Vergleich der Ähnlichkeiten der von Zellelfen getragenen Magie und die Gruppierung ähnlicher Magie durch eine Gen-Koexpressionsanalyse herausgefunden, dass Magie, die mit kognitiven Funktionen höherer Ebene zusammenhängt, in Modulen von HUCCs deutlich angereichert ist und dass die Hauptfunktionen dieser Module die Regulierung der synaptischen Dichte, die Gefäßmorphogenese und die Kodierung von Zelladhäsionsmolekülen umfassten.

Zu den wichtigsten magischen Genen im Modul gehören FRMPD4, DLGAP2, FOXP1 und PDZRN3, die sich in der Kernposition des mit HUCCs angereicherten Funktionsmoduls befinden. Darüber hinaus haben Wissenschaftler bereits entdeckt, dass diese Gene an kognitiven Funktionen und der Homöostase des Nervensystems beteiligt sind.

Wie zwei Seiten derselben Medaille sind einzigartige HUCCs auch mit einem höheren Risiko für Hirnerkrankungen verbunden

Die einzigartige Magie der Zellelfen von HUCCs fördert nicht nur die Entwicklung fortgeschrittener kognitiver Funktionen des menschlichen Gehirns, sondern birgt auch ein höheres Risiko für Gehirnerkrankungen.

Wir fanden heraus, dass einige Genregulationen in HUCCs deutlich angereichert waren mit Risikogenen, die psychiatrische Störungen verursachen könnten. Die mit Lernbehinderungen verbundene Magie kommt in sieben HUCC-Subpopulationen erregender Neuronen stark zum Ausdruck. Das bedeutet, dass, wenn die Magie dieser Zellen versagt oder die Gesundheit dieser Zellelfen bedroht ist, dies wahrscheinlich zu Symptomen von Lernbehinderungen im menschlichen Gehirn führt.

Die Blut-Hirn-Schranke ist wie eine Schutzmembran der Zauberkiste des Gehirns und besteht hauptsächlich aus Zellelfen wie Endothelzellen, Gefäßzellen und Perizyten. Diese Zellelfen halten sich an den Händen, um eine dichte Barriere zu bilden, und die Magie, die sie in sich tragen, dient hauptsächlich dazu, das Gehirn vor dem Eindringen schädlicher Substanzen zu schützen.

Wir fanden heraus, dass diese Zellelfen auch eine wichtige Zellsubpopulation von HUCCs sind und Veränderungen und Zerstörungen der Blut-Hirn-Schranke eng mit dem Auftreten und der Entwicklung verschiedener Hirnerkrankungen zusammenhängen. Diese magischen Gene, die in HUCCs, die mit der Blut-Hirn-Schranke in Zusammenhang stehen, signifikant stark exprimiert werden, sind in hohem Maße an damit verbundenen Funktionen wie Zellapoptose, oxidativem Stress und Entzündungsreaktion beteiligt.

So wie eine Münze zwei Seiten hat, erhöht die besondere Magie der HUCCs zwar die Entwicklung fortgeschrittener kognitiver Funktionen des menschlichen Gehirns, erhöht aber auch das potenzielle Risiko von Gehirnerkrankungen.

Die Entdeckung ist nur der Anfang, wir freuen uns auf tiefergehende Forschung

Und so entdeckten wir nach einer Reihe von Studien, dass menschenspezifische Zellelfen durch Enhancer-Regionen reguliert werden, um spezifische Magie zu aktivieren. Diese Zellelfen spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Dicke der menschlichen Großhirnrinde und der Gedächtniskodierung und stehen auch in engem Zusammenhang mit einer Vielzahl von Gehirnerkrankungen.

Welchen Nutzen haben diese Erkenntnisse?

Einerseits enthüllen diese neuen Entdeckungen, genau wie Wissenschaftler vor uns unser Verständnis des Gehirns kontinuierlich erweitert haben, die Schlüsselrolle bestimmter Zellgruppen bei der kognitiven Funktion des menschlichen Gehirns. Sie legen eine zelluläre Grundlage für unser Verständnis der einzigartigen höheren neuronalen Funktionen des menschlichen Gehirns und bieten eine neue Perspektive für unser Verständnis der Komplexität und Einzigartigkeit des menschlichen Gehirns.

Andererseits bieten HUCCs breite Anwendungsmöglichkeiten bei der Diagnose und Behandlung neurologischer Erkrankungen, etwa bei der Entdeckung von Biomarkern zur Diagnose des Auftretens und der Entwicklung von Gehirnerkrankungen, bei der Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für Lernbehinderungen usw., um die gesunde Entwicklung der Gehirnfunktionen zu fördern und die kognitiven Fähigkeiten und die Lebensqualität des Menschen zu verbessern.

Natürlich hat unsere Studie unser Verständnis von HUCCs vertieft, es gibt jedoch immer noch einige Forschungsbeschränkungen. Es gibt noch viele unbekannte Erkenntnisse, die wir im Hinblick auf das Verständnis und die Erforschung der höheren kognitiven Funktionen und Gehirnerkrankungen des Menschen gewinnen müssen.

In Zukunft werden wir mit unserer Forschung noch tiefer in die Funktionsmechanismen von HUCCs eintauchen und aufdecken, wie sie mit anderen Zellen interagieren. Darüber hinaus hoffen wir, mithilfe eines Multi-Omics-Ansatzes das Verhalten dieser Zellen auf Proteinebene untersuchen zu können, um so zur Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für neurologische Erkrankungen wie Lernbehinderungen und Alzheimer beizutragen.

Quellen:

1.Ma S, Skarica M, Li Q, Xu C, Risgaard RD, Tebbenkamp ATN, et al. Molekulare und zelluläre Evolution des dorsolateralen präfrontalen Kortex von Primaten. Science.2022;377:eabo7257.PMID: 36007006

2.Ma J, Qi R, Wang J, Berto S, Wang G. Menschliche, einzigartige Gehirnzellcluster stehen im Zusammenhang mit Lernstörungen und der episodischen Gedächtnisaktivität des Menschen. Molekulare Psychiatrie. 2024. PMID: 3922743