Klosterneuburg. Mit seinen tiefen Furchen und zahlreichen Windungen hat der Neocortex unsere Vorstellung vom menschlichen Gehirn geprägt. Dieses Areal spielt eine wichtige Rolle bei der höheren kognitiven Wahrnehmung. Forscher beschreiben nun im Fachblatt "Science" am Beispiel des Neocortex, wie Stammzellen ein Gehirn korrekter Größe und Zusammensetzung bauen.

So generieren Stammzellen zur Bildung dieser Großhirnrinde Milliarden Neuronen unterschiedlichen Typs. Trotz ihrer geringen Dichte von nur wenigen Millimetern bei Erwachsenen tummeln sich dort mehr als 15 Milliarden Neuronen. Geht während der Entwicklung des Neocortex etwas schief, können ernsthafte neurologische Störungen wie Autismus oder Schizophrenie die Folge sein. Denn die Informationsverarbeitung in diesem Areal ermöglicht es uns, unsere Umwelt bewusst wahrzunehmen. Die Forscher, darunter auch der Neurobiologe Simon Hippenmeyer von Institute of Science and Technology (IST) in Klosterneuburg, konnten zeigen, dass die Stammzellen verschiedene Reifestadien durchleben, aus denen jeweils ein anderer Neuronentyp hervorgeht. Die Produktion des korrekten Neuronentyps zum richtigen Zeitpunkt ist an die Funktion eines spezifischen Proteinkomplexes gebunden.

Neuronale Vielfalt

Die Arbeit biete Antworten auf die Frage, wie die Stammzellen im Neocortex jene große Anzahl an Neuronen unterschiedlicher Art und Funktion generieren können, die die neuronale Vielfalt des menschlichen Gehirns ausmacht, heißt es in einer Aussendung des IST Austria.

Die Forscher liefern Belege dafür, dass die Stammzellen zu verschiedenen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Genexpressions- bzw. Transkriptionsprogrammen ausgestattet sind und diese jeweils spezifischen genetischen "Fingerabdrücke" an ihre Tochterzellen, also die Neuronen, weitergeben.

Die sich laufend ändernden bzw. neu dazugewonnenen Eigenschaften der Stammzellen und Neuronen gehen mit einer zunehmenden Komplexität ihrer Genexpressionsprogramme einher: Während in frühen Stadien Programme dominieren, die vorrangig zellinterne Prozesse wie den Zellzyklus steuern, nehmen mit steigendem Reifegrad jene Programme zu, die auf äußere Reize angewiesen sind und somit mit der Umgebung interagieren, so in der Mitteilung des Instituts.

Als Kontrollfaktor dieser zeitlich gebundenen Aktivierung unterschiedlicher Pogramme hatten die Forscher spezifische regulatorische Proteine in Verdacht. Und tatsächlich spielt der sogenannte Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) eine bedeutende Rolle.

Im Experiment hatte die Inaktivierung von PRC2 weitreichende Folgen: Die Stammzellen reiften zu schnell und produzierten falsche Neuronentypen zum falschen Zeitpunkt - der reguläre Reifeprozess der Stammzellen war gestört. Hinzu kam, dass die Abwesenheit des Komplexes eine drastische Reduktion der Gesamtzahl an produzierten Neuronen bedingte, erklären die Forscher.

Fehlfunktion besser verstehen

In Kombination führte diese Entwicklung zu Mikrozephalie, also einem zu klein gewachsenen Cortex bzw. Kopf, sowie einer falschen neuronalen Zusammensetzung. "Wir haben nun ein klareres Bild davon, wie neuronale Stammzellen den richtigen Typ und die richtige Anzahl an Neuronen produzieren - und können damit auch jene Strukturen und Mechanismen besser verstehen, die bei Fehlfunktionen zur Fehlbildungen im Gehirn eines Embryos und damit zu neuronalen Entwicklungsstörungen führen", betont die an der Studie mitwirkende Nicole Amberg vom IST.