Die meisten Primatenarten besitzen ein relativ großes Gehirn, dessen Oberfläche starke Wölbungen und Furchen aufweist. Bei Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus) ist das nicht der Fall. Das Gehirn der kleinen Affen ist glatt und nahezu ungefaltet. Forschende am Deutschen Primatenzentrum (DPZ) – Leibniz-Institut für Primatenforschung in Göttingen haben in einer aktuellen Studie untersucht, welche zellulären Prozesse während der Embryonalentwicklung dazu führen, dass sich das Weißbüschelaffengehirn ab einem bestimmten Zeitpunkt anders entwickelt. In Versuchen mit Gehirnorganoiden konnten sie zeigen, dass sich bestimmte Vorläuferzellen, aus denen die Nervenzellen entstehen, bei Weißbüschelaffen sowohl morphologisch als auch zeitlich anders entwickeln. Mehrere Prozesse auf unterschiedlichen Ebenen und in verschiedenen Vorläuferzelltypen steuern diesen Vorgang, der letztlich zu einer Reduktion in Größe und Faltung des Weißbüschelaffengehirns führt. Die Studie wirft ein neues Licht auf die evolutionäre Entwicklung des Primatengehirns und könnte zukünftig helfen, Entwicklungsstörungen im menschlichen Gehirn besser zu verstehen (Sciences Advances).
Seine Größe und die auffällige Faltung sind die prägenden Merkmale des Gehirns vieler Primaten. Besonders die walnussartig anmutenden Furchen und Wölbungen des menschlichen Gehirns vergrößern die Oberfläche immens und bieten Platz für Milliarden von Nervenzellen. Das ermöglicht komplexe Denkprozesse und macht das menschliche Gehirn besonders leistungsfähig. Forschende gehen heute davon aus, dass schon der gemeinsame Vorfahre aller Primaten ein mittelgroßes und zumindest teilweise gefaltetes Gehirn besaß.
Bei einigen heute lebenden Primatenarten ist das jedoch nicht der Fall. Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus), eine südamerikanische Primatenart, die zunehmend in der biomedizinischen Forschung eingesetzt wird, haben eine glatte und nahezu ungefaltete Hirnoberfläche. Forschende am Deutschen Primatenzentrum haben untersucht, wie es dazu kommt.
„Wir wollten verstehen, welche Veränderungen auf zellulärer Ebene dazu führen, dass das Gehirn der Weißbüschelaffen weniger stark wächst und weniger Faltungen ausbildet“, erklärt Lidiia Tynianskaia, eine der beiden Erstautor*innen der Studie und Promovierende in der Nachwuchsgruppe Gehirnentwicklung und -evolution am DPZ. „Das Weißbüschelaffengehirn weist zu Beginn der Entwicklung die typische Struktur und Zusammensetzung eines großen und gefalteten Primatengehirns auf. Im weiteren Verlauf muss es also Prozesse geben, die die Produktion von Nervenzellen quasi ausbremsen.“
Neuronale Vorläuferzellen entwickeln sich unterschiedlich
In vergleichenden Versuchen mit Hirnorganoiden aus Weißbüschelaffen und Menschen untersuchten die Wissenschaftler*innen insbesondere die Vorläuferzellen des Gehirns, da diese für die Produktion von Nervenzellen verantwortlich sind. Die Anzahl der Nervenzellen ist einer der entscheidenden Faktoren, wie groß und wie stark gefaltet ein Gehirn wird.
Die Forschenden fanden heraus, dass mehrere Prozesse auf unterschiedlichen Ebenen und in verschiedenen Zelltypen zu einer Reduktion der Größe und Faltung der Großhirnrinde bei Weißbüschelaffen führen.
„Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass sich bestimmte Vorläuferzellen im Weißbüschelaffen deutlich langsamer teilen als im Menschen“, erklärt César Mateo Bastidas Betancourt, ebenfalls Erstautor der Studie und Promovierender der Nachwuchsgruppe. „Wieder andere Vorläuferzellen sind im Vergleich zu den menschlichen Zellen strukturell einfacher gebaut, haben weniger Verästelungen und sind dadurch weniger vermehrungsaktiv. Durch beide Gegebenheiten entstehen letztlich weniger Nervenzellen, was zu einer geringeren Größe und Faltung der Großhirnrinde im Weißbüschelaffen beiträgt.“
Außerdem konnten die Wissenschaftler*innen zeigen, dass der zeitliche Ablauf bestimmter Eigenschaften und Verhaltensweisen der Vorläuferzellen im Weißbüschelaffen im Vergleich zum Menschen verändert ist. Dadurch haben die Vorläuferzellen des Weißbüschelaffen insgesamt ein kürzeres Zeitfenster, in dem sie sich stark vermehren können.
Hirnorganoide liefern entscheidende Einblicke
Der Großteil der Experimente fand in Hirnorganoiden statt. Die kleinen dreidimensionalen Zellstrukturen spiegeln den zeitlichen Ablauf bestimmter Entwicklungsschritte des Gehirns sehr gut wider. „Die Studie verbindet die Vorteile von in vivo und in vitro-Methoden sehr gezielt miteinander“, sagt Michael Heide, Leiter der Nachwuchsgruppe Gehirnentwicklung und -evolution. „Organoide sind gut geeignet, um statistisch belastbare Ergebnisse zu erhalten, da eine solche Stichprobengröße bei Primaten nicht möglich ist. Einige Schlüsselexperimente haben wir anschließend in fötalem Hirngewebe wiederholt, um die Ergebnisse aus den Organoiden zu bestätigen.“
Dabei zeigte sich, dass 50 Tage alte Weißbüschelaffen-Organoide der natürlichen Gehirnentwicklung am 90. Tag besonders ähnlich sind. Dieser Vergleich war wichtig, weil die Forschenden nur so die Entwicklung in Organoiden zeitlich korrekt mit der Entwicklung im Gehirn des Weißbüschelaffen vergleichen und die Ergebnisse zuverlässig einordnen konnten.
Die Studie macht deutlich, wie sich die Vielfalt der Gehirngrößen und -formen bei Primaten entwickeln konnte und liefert zugleich einen wichtigen Vergleichsrahmen, um Entwicklungsprozesse und ihre Störungen im menschlichen Gehirn besser zu verstehen.
Deutsches Primatenzentrum GmbH
Originalpublikation:
Tynianskaia L, Bastidas-Betancourt CM, Grewe EM, Kniep JM, Liutikaite N, Esiyok N, Göloğlu IB, Heide S, Rüger N, Lindenwald D, Drummer C, Petkov S, Di Donato N and Heide M (2026): Coordinated neural progenitor adaptations contribute to primate neocortical downscaling. Sciences Advances, https://www.science.org/journal/sciadv
