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Menschengen macht Mäuse schlauer

Gen fördert Wachstum der Großhirnrinde und Flexibilität des Gedächtnisses

Gehirn und DNA
Der Austausch nur eines Gens im Gehirn der Maus macht die Tiere intelligenter und verleiht ihnen einen größeren Neocortex. © Mongkolchon Akesin/ Getty images

Turbo fürs Gehirn: Durch die Einschleusung nur eines menschlichen Gens haben Forscher Mäusen eine höhere Intelligenz und ein größeres Gehirn verliehen. Die Tiere zeigten in Verhaltenstests eine flexiblere Gedächtnisleistung und waren weniger ängstlich. Gleichzeitig war auch ihre Großhirnrinde signifikant dicker – der Hirnteil, der höhere mentale Funktionen steuert. Dies legt nahe, dass dieses menschenspezifische Gen eine entscheidende Rolle für die geistige Entwicklung unserer Vorfahren spielte.

Wir Menschen besitzen ein im Verhältnis zum Körper ungewöhnlich großes Gehirn. Vor allem der Neocortex, die Großhirnrinde, ist bei unserer Spezies so gut ausgeprägt wie selbst bei unseren nächsten Verwandten unter den Primaten nicht. Die Volumenzunahme der Großhirnrinde und des Kleinhirns gilt daher, gemeinsam mit einer besseren Energieversorgung des Denkorgans, als Basis unserer Intelligenz. Das weckt die Frage, wie es zur Ausbildung des typisch menschlichen Gehirns kam.

Genvariante fördert Neuronenbildung

Schon länger vermuten Wissenschaftler, dass einige erst seit wenigen Millionen Jahren aktive Genvarianten dazu beitrugen, das Gehirn unserer Vorfahren größer zu machen. Eine dieser Varianten ist das menschenspezifische Gen ARHGAP11B, das die vermehrte Bildung von neuronalen Vorläuferzellen beim Embryo anregt: Schleust man es in Embryos von Mäusen, Frettchen oder Affen ein, werden auch ihre Gehirne größer und reicher an Neuronen.

NEocortex
Größenunterschied des Neocortex von normaler Maus (links) und der 11B-Maus mit menschlichem Gen. © Xing et al./ EMBO Journal, CC-by-nc-nd 4.0

Unklar war aber bisher, ob dieses Hirnwachstum auch bis ins Erwachsenenalter bestehen bleibt und ob dies den Trägern dieses Gens auch eine höhere Intelligenz verleiht. Das haben nun Lei Xing vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden und seine Kollegen näher untersucht. Dafür schleusten sie Mäuseembryos das ARHGAP11B-Gen ein und beobachteten zunächst, wie dies das Volumen und die Neuronenzahl in ihrem sich entwickelnden Gehirn beeinflusst.

Größerer Neocortex und mehr graue Zellen

Tatsächlich entwickelten die Mäuse mit dem Menschengen einen dauerhaft dickeren und größeren Neocortex. Eine Zunahme zeigte sich dabei vor allem bei den Neuronen der obersten Schicht der Großhirnrinde, wie die Forschenden berichten. Im nächsten Schritt testeten Xing und sein Team die Intelligenz dieser Mäuse. Dafür unterzogen sie die Tiere mehreren Verhaltenstests, die verschiedene Arten des Lernens und des Gedächtnisses erfordern.

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Darunter waren klassische Labyrinthtests des räumlichen Gedächtnisses, aber auch Tests der Ängstlichkeit und der geistigen Flexibilität. Für letzteres mussten die Mäuse lernen, nach welchem Muster sich der Zugang zu verschiedenen Trinkflaschen im Laufe der Zeit änderte. „Dieser Test prüft vor allem das Langzeitgedächtnis, das stärker auf dem Neocortex als dem Hippocampus beruht“, erklären die Forschenden.

Geistig flexibler und weniger ängstlich

Das Ergebnis: „Wir fanden heraus, dass die ARHGAP11B-Mäuse mit ihrem größeren Gehirn weniger Fehler beim Finden der Wasserflasche machten als die Wildtyp-Mäuse“, berichtet Xing. „Das deutet darauf hin, dass die 11B-Mäuse ein flexibleres Gedächtnis besitzen und sich besser an neue Bedingungen und Regeln anpassen können.“ Während sich das räumliche Lernen per se bei diesen Mäusen kaum veränderte, war offenbar die Verarbeitung des Gelernten in der Großhirnrinde optimiert.

Gleichzeitig waren die 11B-Mäuse auch weniger ängstlich als ihre normalen Artgenossen: „Wildtyp-Mäuse zeigten mehr Angst und versuchten, so schnell wie möglich aus dem hell beleuchteten Zentrum der Versuchsanlage in die schützende Randzone zu gelangen, während ARHGAP11B-Mäuse entspannter waren und länger im Zentrum verweilten“, berichtet Xing.

Entscheidender Vorteil für unsere Vorfahren

Nach Ansicht der Forschenden belegt dies, dass die menschenspezifische Genvariante ARHGAP11B, einen entscheidenden Einfluss auf Hirnentwicklung und kognitive Fähigkeiten hat. Weil sie sich erst vor rund fünf Millionen Jahren, nach Abtrennung der menschliche Stammeslinie von der der Schimpansen entwickelte, könnte sie dazu beigetragen haben, dass unsere Vorfahren sich auch kognitiv zunehmend von ihren Primatenverwandten unterschieden.

„Unsere Studie legt nahe, dass die durch ARHGAP11B verursachte Vergrößerung des Neokortex tatsächlich zu einer besseren kognitiven Leistung führt, was wichtige Hinweise auf die Rolle dieses menschenspezifischen Gens in der Evolution des Menschen gibt“, sagt Xings Kollege Wieland Huttner. (EMBO Journal, 2021; doi: 10.15252/embj.2020107093)

Quelle: Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

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