Was unterscheidet Ihr Gehirn von einem Neandertaler?

Wissenschaftler haben einen Defekt in unserer DNA entdeckt, der möglicherweise dazu beigetragen hat, die Gedanken unserer Vorfahren von denen der Neandertaler und anderer ausgestorbener Verwandter zu trennen.

Die Mutation, die in den vergangenen Hunderttausenden von Jahren entstanden ist, stimuliert laut einem neuen Bericht die Entwicklung von mehr Neuronen in dem Teil des Gehirns, den wir für unsere komplexeren Denkformen verwenden. lernen Veröffentlicht in Science am Donnerstag.

„Was wir gefunden haben, ist ein Gen, das definitiv dazu beiträgt, uns Menschen zu machen“, sagte Welland Huttner, Neurowissenschaftler am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, Deutschland, und einer der Autoren der Studie.

Das menschliche Gehirn ermöglicht es uns, Dinge zu tun, die andere Lebewesen nicht können, wie zum Beispiel eine perfekte Sprache zu verwenden und komplexe Pläne für die Zukunft zu schmieden. Seit Jahrzehnten vergleichen Wissenschaftler die Anatomie unseres Gehirns mit der anderer Säugetiere, um zu verstehen, wie sich diese hochentwickelten Fähigkeiten entwickelt haben.

Das offensichtlichste Merkmal des menschlichen Gehirns ist seine Größe – viermal so groß wie Schimpansen, unsere nächsten lebenden Verwandten.

Unser Gehirn hat auch unterschiedliche anatomische Merkmale. Der Bereich der Hirnrinde hinter unseren Augen, bekannt als Frontallappen, ist für einige unserer komplexesten Gedanken von wesentlicher Bedeutung. entsprechend Studie von 2018enthält der menschliche Frontallappen viel mehr Neuronen als der gleiche Bereich bei Schimpansen.

Aber der Vergleich von Menschen mit lebenden Affen hat einen schwerwiegenden Fehler: Unser jüngster gemeinsamer Vorfahre lebte vor fast sieben Millionen Jahren mit Schimpansen zusammen. Um zu ergänzen, was seitdem passiert ist, mussten sich Wissenschaftler den Fossilien unserer jüngsten Vorfahren zuwenden, die als Homininen bekannt sind.

Nach der Untersuchung der Schädel von Homininen entdeckten Paläoanthropologen, dass die Gehirne unserer Vorfahren Eine deutliche Steigerung Eine Größe, die vor etwa zwei Millionen Jahren begann. Sie erreichten vor etwa 600.000 Jahren die Größe lebender Menschen. Neandertaler, einer unserer nächsten ausgestorbenen Verwandten der Homininen, hatten Gehirne, die so groß waren wie unseres.

Aber die Gehirne der Neandertaler waren verlängert, während die Menschen eine haben Eher kugelförmig. Wissenschaftler können die Ursache dieser Unterschiede nicht bestimmen. Eine Möglichkeit ist, dass verschiedene Regionen des Gehirns unserer Vorfahren ihre Größe verändert haben.

In den letzten Jahren haben Neurowissenschaftler damit begonnen, alte Gehirne mit einer neuen Informationsquelle zu untersuchen: DNA-Stücke, die in Fossilien von Homininen konserviert sind. Genetiker haben ganze Genome rekonstruiert Neandertaler Sowie ihre östlichen Cousins, die Denisovaner.

Wissenschaftler haben sich auf potenziell entscheidende Unterschiede zwischen unseren Genomen und den Genomen von Neandertalern und Denisova-Menschen konzentriert. Die menschliche DNA enthält etwa 19.000 Gene. Die von diesen Genen codierten Proteine ​​stimmen größtenteils mit denen überein, die in Neandertalern und Denisova-Menschen gefunden wurden. Aber die Forscher entdeckten 96 menschenspezifische Mutationen, die die Struktur des Proteins veränderten.

Im Jahr 2017 sah sich Anneline Pinson, eine Forscherin in Dr. Huttners Labor, diese Liste von Mutationen an und bemerkte eine Mutation, die ein Gen namens TKTL1 veränderte. Wissenschaftler wissen, dass TKTL1 im sich entwickelnden menschlichen Kortex aktiv wird, insbesondere im Frontallappen.

„Wir wissen, dass der Frontallappen für die kognitive Funktion wichtig ist“, sagte Dr. Benson. „Das war also ein guter Hinweis darauf, dass er ein interessanter Kandidat sein könnte.“

Dr. Benson und Kollegen führten Vorversuche mit TKTL1 bei Mäusen und Nagetieren durch. Nachdem sie die menschliche Version des Gens in die Gehirne von sich entwickelnden Tieren injiziert hatten, stellten sie fest, dass Mäuse und Nagetiere dadurch mehr Neuronen produzierten.

Als nächstes führten die Forscher Experimente mit menschlichen Zellen durch, wobei sie Teile des fötalen Gehirngewebes verwendeten, die durch das Einverständnis von Frauen gewonnen wurden, die in einem Dresdner Krankenhaus eine Fehlgeburt erlitten hatten. Verwenden Sie Dr. Benson Molekulare Schere Um das TKTL1-Gen aus Zellen in Gewebeproben zu verkürzen. Ohne sie produziert menschliches Gehirngewebe weniger sogenannte Vorläuferzellen, aus denen Neuronen entstehen.

In ihrem letzten Experiment machten sich die Forscher daran, eine Datei zu erstellen Miniatur wie das Gehirn eines Neandertalers. Sie begannen mit einer menschlichen embryonalen Stammzelle und modifizierten das TKTL1-Gen so, dass es die menschliche Mutation nicht hatte. Stattdessen trug es die Mutation, die bei unseren Verwandten gefunden wurde, darunter Neandertaler, Schimpansen und andere Säugetiere.

Dann legten sie die Stammzelle in ein Bad aus Chemikalien, das sie dazu veranlasste, sich in eine Masse von sich entwickelndem Gehirngewebe zu verwandeln, das als Gehirnorganoid bezeichnet wird. Es erzeugte ursprüngliche Gehirnzellen, die dann eine Miniatur-Großhirnrinde produzierten, die aus Schichten von Neuronen bestand.

Das Neandertaler-ähnliche Gehirn-Organoid produzierte weniger Neuronen als das Organoid mit der menschlichen Version von TKTL1. Dies weist darauf hin, dass unsere Vorfahren bei einer Mutation des TKTL1-Gens zusätzliche Neuronen im Frontallappen produzieren können. Obwohl diese Änderung die Gesamtgröße unseres Gehirns nicht vergrößert hat, hat sie möglicherweise seine Verkabelung neu organisiert.

„Das ist wirklich eine Kraftreise“, sagte Laurent Nguyen, ein Neurowissenschaftler an der Universität Lüttich in Belgien, der nicht an der Studie beteiligt war. „Es ist bemerkenswert, dass eine so kleine Änderung einen signifikanten Einfluss auf die Neuronenproduktion hat.“

Die neue Entdeckung bedeutet nicht, dass TKTL1 allein das Geheimnis dessen liefert, was uns menschlich macht. Andere Forscher sehen sich auch die Liste der 96 proteinmodifizierenden Mutationen an und führen eigene Experimente durch.

Andere Mitglieder von Dr. Huttners Labor haben berichtet im Juli Zwei weitere Mutationen verändern die Geschwindigkeit, mit der sich entwickelnde Gehirnzellen teilen. letztes Jahrfand ein Forscherteam der University of California in San Diego heraus, dass eine andere Mutation die Anzahl der Verbindungen zu verändern scheint, die menschliche Neuronen miteinander verbinden.

Auch andere Mutationen können für unser Gehirn wichtig sein. Während sich beispielsweise der Kortex entwickelt, müssen einzelne Neuronen wandern, um ihre richtige Nische zu finden. Dr. Nguyen stellte fest, dass einige der 96 Mutationen, die nur für Menschen gelten, veränderte Gene sind, die wahrscheinlich an der Zellmigration beteiligt sind. Er spekuliert, dass unsere Mutationen unsere Neuronen dazu bringen könnten, sich anders zu bewegen als die Neuronen im Neandertaler-Gehirn.

„Ich glaube nicht, dass das das Ende der Geschichte ist“, sagte er. „Ich denke, dass mehr Arbeit nötig ist, um zu verstehen, was uns Menschen in Bezug auf die Gehirnentwicklung ausmacht.“