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Wissenschaftler haben zum ersten Mal chemische Änderungen von DNA-Molekülen in einzelnen Neuronen profiliert und dadurch detaillierte Informationen dahingehend gewonnen, was die eine von der nächsten Gehirnzelle unterscheidet.

Verlieren wir unsere Neugierde und gehen in die Falle der immer gleichen Denk- und Gefühlsmuster – egal ob es um das Gehirn, den Körper oder auch die Realität geht – lassen wir uns leicht dazu verführen zu denken, das, was wir kennen und wissen, sei das, was ist. Doch wir Menschen machen immer neue Entdeckungen und erkennen, dass wir eben nicht alles wissen und kennen, was uns dazu bringt, anders zu denken; in Folge dieser neuen Verständnismodelle ändert sich auch das wissenschaftliche Modell. Genau das passiert im Hinblick auf die neuesten Forschungen des Salk Institute und der University of California San Diego.

Wie wir schon lange wissen, gibt es so genannte Nervenzellen bzw. Neuronen, die Informationen speichern und verarbeiten. Unter dem Mikroskop sind sie kaum voneinander zu unterscheiden. Doch nun haben Wissenschaftler zum ersten Mal chemische Änderungen von DNA-Molekülen in einzelnen Neuronen profiliert und dadurch detaillierte Informationen dahingehend gewonnen, was die eine von der nächsten Gehirnzelle unterscheidet.

Anhand von Molekularmethodologien und chemischen Markern konnten Neuronengruppen mit unterschiedlichen Aufgaben identifiziert und weiterhin Neuronen in Unterarten klassifiziert werden. Bislang konnte wissenschaftlich nicht bestimmt werden, wie viele Arten von Neuronen existieren; doch diese Entdeckung könnte radikale neue Einsichten in die Entwicklung des Gehirns und gestörte Gehirnfunktionen ermöglichen. Auf Basis des Methyloms jeder einzelnen Zelle – also des Musters an chemischen Markern, bestehend aus Methylgruppen, mit denen die DNA der Zelle bedeckt ist – konnten die Wissenschaftler des Salk Institute Neuronen in Untertypen unterteilen.

„Wir finden das echt beeindruckend: Wir können ein Gehirn in einzelne Zellen aufteilen, ihre Methylome sequenzieren und viele neue Zellarten sowie deren genregulierende Elemente identifizieren, die genetischen Schalter, durch die sich diese Neuronen voneinander unterscheiden“ sagt Joseph Ecker, Ko-Autor sowie Professor und Direktor des Genomanalyse-Labors des Salk Institute und Forscher am Howard Hughes Medical Institute.

RNA ist eine Nukleinsäure, die in allen lebenden Zellen vorhanden ist; ihre Aufgabe besteht darin, als Bote Anweisungen der DNA zur Steuerung der Synthese von Proteinen – den Bausteinen des Lebens – zu übertragen. In der Vergangenheit wurden RNA-Moleküle in einzelnen Nervenzellen zur Identifizierung der Unterschiede hergenommen, was allerdings oft nur unklare Ergebnisse hervorbrachte, denn der RNA-Spiegel gerät unter neuen Bedingungen oder auch im Tagesverlauf schnell ins Schwanken. Stattdessen erforschte das Team des Salk Institute die Methylome von normalerweise stabilen Zellen, welche generell auch im Erwachsenenalter stabil bleiben.

„Wie unsere Forschungen ergeben haben, kann man auf Basis der Methylome Arten von Nervenzellen eindeutig definieren“, sagt Margarita Behrens, Wissenschaftler und Ko-Autorin der neuen Forschungsarbeit. „Damit können wir verstehen lernen, warum sich zwei Neuronen – die im selben Gehirnareal sitzen und ansonsten gleich aussehen – unterschiedlich verhalten.“

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf den Frontalkortex, das Gehirnareal, welches unter anderem zuständig ist für fokussierte Aufmerksamkeit, komplexes Denken, Persönlichkeit, soziales Verhalten und Entscheidungsfindung, und arbeitete mit dem Gehirn von Mäusen und von Menschen. Die Wissenschaftler konnten 3.377 Neuronen aus dem Frontalkortex von Mäusen und 2.784 Neuron aus dem Frontalkortex eines verstorbenen 25 Jahre alten Menschen isolieren.

Im Gegensatz zu anderen Körperzellen können Nervenzellen auf zweierlei Art methylieren; darauf aufbauend konnten Forscher die Methylome einer jeden Zelle mit neuen Methoden sequenzieren. Sie fanden Folgendes heraus: Neuronen aus dem Frontalkortex einer Maus konnten auf Basis der Methylierungsmuster in 16 Unterarten unterteilt werden, Neuronen aus dem menschliche Frontalkortex dagegen in 21 Unterarten. Wie die Ergebnisse aufzeigten, wiesen inhibitorische (hemmende) Neuronen, die im Gehirn Prozesse unterbinden, im Vergleich zu exzitatorischen (stimulierenden) Neuronen mehr konservierte Methylierungsmuster zwischen Mäusen und Menschen auf. Des Weiteren identifizierte die Studie neue Unterarten von spezifisch menschlichen Neuronen; dadurch erschließt sich uns ein neues Verständnis dessen, was uns Menschen von Tieren unterscheidet.

„Diese Studie eröffnet uns einen neuen Blick auf die unglaubliche Vielfalt der Nervenzellen“, sagt Eran Mukamel, Erkenntnistheoretiker der University of California in San Diego und Ko-Autor dieser Forschungsarbeit.

In einem nächsten Schritt geht es darum, die Forschung auszuweiten und weitere Teile des Gehirns sowie weitere Gehirne zu untersuchen.

Laut Chongyuan Luo, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter des Salk Institute und ebenso wie Christopher Keown, Absolvent der University of California San Diego, Mitautor der Forschungsarbeit, „gibt es hunderte, wenn nicht sogar tausende Arten von Gehirnzellen, die durch unterschiedliche Aufgaben und Verhaltensweisen gekennzeichnet sind; diese Arten zu kennen ist wichtig, um verstehen zu können, wie das Gehirn funktioniert. Wir wollen eine Art Teileliste des Gehirns von Mäusen und Menschen erstellen.“

Sobald diese „Teileliste“ vollständig ist, wollen die Forscher, so Ecker, auch untersuchen, ob die Methylome der Neuronen bei Menschen mit Gehirnkrankheiten sich von Menschen mit gesunden Gehirnen unterscheiden. „Anhand dieser Methode sollten Defekte erkennbar sein, selbst wenn nur ein Prozent der Zellen davon betroffen ist“, sagt er. „Bislang war es nicht möglich, so etwas in einer so kleinen Menge an Zellen zu erkennen.“

Egozentrisch wie wir sind, denken wir auch heute noch gerne, wir wüssten alles über Gehirn und Körper; doch in Wirklichkeit ist unser Verständnis sehr begrenzt. Mit der Zeit werden wir dieses Verständnis erweitern. Wer weiß, wie viel wir in 100 Jahren von der Komplexität des menschlichen Gehirns verstehen! Genau das ist Evolution.