Genetisches Tracking liefert Hinweise auf die Entwicklung komplexer Schaltkreise des Gehirns
Das Gehirn besteht aus Milliarden von Zellen unterschiedlicher Art, die in hochentwickelten Netzwerken organisiert sind, die die Funktionen des Gehirns bestimmen. EU-finanzierte Wissenschaftler des MOMECODE-Projekts verwenden neuartige Methoden zur Markierung bestimmter Zellen, um zu verstehen, wie sich Nervenzellen oder Neuronen während der Entwicklung des Gehirns entwickeln und miteinander verbinden. Die Wissenschaftler verwenden genetische Marker, um den Weg der Neuronen farblich zu markieren und zu verfolgen, wenn sie ihren rechtmäßigen Platz in einem bestimmten Gehirnbereich, der sich entwickelnden Hirnrinde, finden. „Wenn ein Neuron aus einer neuralen Stammzelle entsteht, wandert es in der Regel zu einem bestimmten Bereich, wo sich die Zellen zu sogenannten Schaltkreisen verbinden“, sagt Simon Hippenmeyer, Assistenzprofessor am Institut für Wissenschaft und Technologie, Österreich. Er gründete ein Labor, nachdem er von der Stanford University, USA, zurückgekehrt war und sich mit einem EU-Marie-Curie-Stipendium in Europa neu etablierte. Eine genetische Technik namens Mosaic Analysis with Double Markers (MADM) ermöglicht es den Forschern, kleine Gruppen von Neuronen oder sogar einzelne Neuronen auf Einzelzellebene zu visualisieren und gleichzeitig genetisch zu manipulieren, erklärt Dr. Hippenmeyer. Vergleich von rot und grün markierten Zellen Die Technik hilft Forschern, durch dichte Netzwerke zu navigieren und einzelne Neuronen präzise zu verfolgen. Rot und grün fluoreszierende Proteinmarker sind im Mausgenom kodiert, um bestimmte Arten von Neuronen zu markieren, und eine genetische Mutation kann eingeführt werden. Die zwei gesunden Neuronen in einer Farbe und die erkrankten Neuronen in der anderen werden dann verglichen, um zu verstehen, wie sich die Zellen in gesunden und kranken Zuständen verhalten. „Die MADM-Technik ermöglicht uns dies mit höchster Auflösung, so dass wir bestimmte Arten der quantitativen Analyse durchführen können, die zuvor nicht möglich waren“, sagt Dr. Hippenmeyer. Das Markieren einer Zelle und das Einführen einer genetischen Veränderung in diese Zelle ist technisch eine Herausforderung. „Es gibt keine andere vergleichbare Technik, die es uns ermöglicht, dies auf dem hohen Präzisionsniveau von MADM einfach zu machen“, erklärt Dr. Hippenmeyer und erklärt, dass Forscher normalerweise zwei verschiedene Tiere vergleichen müssen, ein krankes und ein gesundes, anstelle Zellen nebeneinander in einem „Mosaik“ zu betrachten. Feste Neuronenbildung Die Fähigkeit, einzelne Zellen zu zählen, führte zu der Entdeckung, dass es während der Entwicklung des Gehirns eine klare Periode der Neuronenbildung gibt. „Es gibt eine feste Leistung von etwa 8 -9 Neuronen pro einzelner neuraler Stammzelle, die immer einheitlich ist“, sagt Dr. Hippenmeyer. „Dies war eine unerwartete Entdeckung, da sich die meisten Stammzellen in verschiedenen Organen mit einer unvorhersehbaren Geschwindigkeit vermehren.“ „Stammzellen müssen ihre Leistung perfekt abstimmen, sonst gibt es zu viele oder zu wenige - was zu einem zu großen oder zu kleinen Gehirn führt - und der genetische Einfluss auf diesen Prozess ist sehr groß“, sagt er. „Wir versuchen, die natürlichen Mechanismen in den Stammzellen zu verstehen, die zu einem Gehirn der richtigen Größe führen.“ Obwohl die MOMECODE-Experimente an Labormäusen durchgeführt werden, könnte dies möglicherweise auch die Entwicklung des menschlichen Gehirns und möglicherweise die Evolution beleuchten. Viele psychiatrische Störungen können durch subtile Veränderungen der Gehirnarchitektur verursacht werden. Die Zellhervorhebungstechnik kann unter Verwendung von Kandidatengenen repliziert werden, die bei psychiatrischen Erkrankungen oder Demenz gestört sein können, um zu sehen, wie diese Veränderungen das Gehirn beeinflussen. Solche Ansätze können auf der Grundlage von neurologischen Entwicklungsstörungen Aufschluss geben und verstehen helfen, warum die Entwicklung des menschlichen Gehirns so heikel ist.
Schlüsselbegriffe
MOMECODE, Gehirn, Gehirnentwicklung, Neuronen, Kognition, Verhalten, Fluorophore, Biomarker, Stammzellen, Psychiatrie
