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Donnerstag, 29.09.2016
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Stammzellen und Jod entscheiden über Gehirnentwicklung

Zusammenspiel von richtiger Matrix und Schilddrüsenhormonen lässt Nervenzellen wachsen

Großes Gehirn, große Denker? Menschen haben ein deutlich größeres Gehirn als die meisten anderen Säugetiere. Deutsche Wissenschaftler haben untersucht, welche Faktoren diese Entwicklung ermöglichen. In ihrer Studie erklären sie ebenfalls, warum Jodmangel in der Schwangerschaft fatale Folgen haben kann.
Forschungslandschaft Gehirn

Forschungslandschaft Gehirn

Kuschelbett der Hirn-Stammzellen


Höher entwickelte Säugetiere wie der Mensch haben ein auffallend großes Gehirn und verfügen damit über außerordentliche geistige Fähigkeiten. Andere Säugetiere, wie etwa Mäuse, haben im Vergleich zum Menschen ein rund tausendmal kleineres Hirn. Entscheidend dafür ist eine bestimmte Art von Stammzellen, sogenannte basale Vorläuferzellen, aus denen die Nervenzellen des Gehirns entstehen.

Beim Menschen sind diese Vorläuferzellen von einem speziellen Milieu – der extrazellulären Matrix – umgeben, die von den Zellen selbst gebildet wird. Wie ein kuscheliges Bett umgibt sie die sich vermehrenden Zellen. Unter diesen Bedingungen kommt es zu einer Vergrößerung der Großhirnrinde – des Teils des Hirns, der uns Menschen das Sprechen, Denken oder Träumen ermöglicht. Mäusen dagegen fehlt diese Matrix, weshalb sich die Vorläuferzellen nicht vermehren können: Es bilden sich weniger Nervenzellen, und damit ein kleineres Gehirn.

Antikörper gaukelt extrazelluläre Matrix vor


Wissenschaftler des Dresdner Max-Planck-Instituts (MPI) für molekulare Zellbiologie und Genetik wollten herausfinden, welche Faktoren diesen Unterschied während der Hirnentwicklung bewirken. Zusammen mit Kollegen vom Fritz-Lipmann-Institut in Jena testeten sie, ob auch Mäuse unter den richtigen Bedingungen mehr der wichtigen basalen Vorläuferzellen bilden. Dazu mussten die Forscher ein entsprechendes Milieu simulieren. "Wir haben den Hirn-Stammzellen mit Hilfe eines stimulierenden Antikörpers eine extrazelluläre Matrix vorgegaukelt", sagt Denise Stenzel, die die Experimente leitete. Dieser Antikörper aktiviert ein auf der Zelloberfläche sitzendes Eiweißmolekül, ein sogenanntes Integrin. Durch diese Stimulation entstehen tatsächlich auch in Mäusen mehr der basalen Vorläuferzellen, Voraussetzung für ein größeres Gehirn.


Hirn-Stammzellen in der embryonalen Großhirnrinde der Maus

Hirn-Stammzellen in der embryonalen Großhirnrinde der Maus

Die Wissenschaftler interessierten sich jedoch noch für einen weiteren wichtigen Faktor: Schilddrüsenhormone beeinflussen bekanntermaßen ebenfalls das Wachstum von Nervenzellen. Die Forscher haben deshalb die Bildung dieser Hormone in schwangeren Ratten blockiert. Auf diese Weise untersuchten sie, ob ohne Schilddrüsenhormone wirklich weniger Nervenzellen wachsen. Das Ergebnis: In den Embryos entstanden deutlich weniger Vorläufer- und folglich Nervenzellen. Der Antikörper als Matrix-Ersatz allein konnte nicht dafür sorgen, dass sich ausreichend Vorläuferzellen bildeten. Dies könnte zu Fehlbildungen in der späteren Entwicklung der Embryos führen.

Ausreichend Jod während der Schwangerschaft


"Wir haben auch die Bedeutung von Jod für die embryonale Gehirnentwicklung auf zellulärer Ebene erklären können“, erläutert Stenzel. Für die Produktion der wichtigen Schilddrüsenhormone benötigt der Körper eine ausreichende Menge Jod. Ein Jodmangel in der Schwangerschaft kann daher zu einer Fehlentwicklung des Gehirns beim ungeborenen Kind führen. Dies ist eine mögliche Erklärung für die neurologische Störung namens Kretinismus, die die mentalen Fähigkeiten stark beeinträchtigt.

Eine Kombination aus wachstumsfördernder extrazellulärer Matrix und Schilddrüsenhormonen ist also unbedingt notwendig, um ausreichend Zellen für die Hirnentwicklung zu bilden. "Menschliche Hirn-Stammzellen produzieren das richtige Milieu von Natur aus", fasst Wieland Huttner, Direktor am Dresdner MPI, die Studie zusammen. "So haben wir Menschen vermutlich im Laufe der Evolution ein größeres Gehirn ausgebildet." (Development, 2014; doi: 10.1242/dev.101907)
(Max-Planck-Gesellschaft, 05.02.2014 - AKR)
 
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