DNA-Karte liefert neue Erkenntnisse zur Gehirnentwicklung: Psychische Erkrankungen könnten bereits in der Fötalperiode entstehen

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Das menschliche Gehirn ist eines der komplexesten Organe im Körper und verantwortlich für die Verarbeitung und Koordination all unserer Gedanken, Gefühle, Verhaltensweisen und Körperfunktionen. Sein Wachstum und seine Entwicklung hängen eng mit unserer körperlichen und geistigen Gesundheit zusammen. Kürzlich haben Wissenschaftler entdeckt, dass einige psychische Erkrankungen möglicherweise mit der Entwicklung des Gehirns während der Embryonalperiode zusammenhängen.

Die Entwicklung des fetalen Gehirns ist ein „großes Projekt“. Im Gehirn des Fötus entstehen pro Sekunde mehr als 4.000 Nervenzellen und innerhalb eines Quadratzentimeters werden pro Sekunde 30.000 synaptische Verbindungen gebildet. Diese Geschwindigkeit ist selbst für die aktuelle Internetkommunikation unerreichbar. Das Gehirn eines erwachsenen Menschen enthält Hunderte von Zelltypen und weist eine bemerkenswerte Vielfalt an molekularen, morphologischen, anatomischen und funktionellen Eigenschaften auf. Obwohl die meisten kortikalen Neuronen während der frühen und mittleren Schwangerschaftsphase gebildet werden, treten zwischen der späten Schwangerschaft und der Pubertät unterschiedliche molekulare Signaturen von Zelltypen auf. Einzelzell- und Bulk-Transkriptomanalysen zeigten eine deutliche Umgestaltung der Genexpression während der späten Schwangerschaft und der frühen postnatalen Entwicklung.

Beeinflusst die frühe Gehirnentwicklung die körperliche und geistige Gesundheit? Eine 2021 in Molecular Psychiatry, einem Top-Journal im Bereich der Psychiatrie, veröffentlichte Studie gab eine positive Antwort. Untersuchungen von Forschern am Weill Cornell Medical College in den USA zeigen, dass zahlreiche Veränderungen der Gehirnzellen während des ersten Monats der Embryonalentwicklung später zu Schizophrenie führen können. Diese Studie schließt eine wichtige Lücke in unserem Verständnis der Schizophrenie und eröffnet neue Denkansätze. Wir sind immer davon ausgegangen, dass Schizophrenie häufiger bei Menschen mittleren und höheren Alters auftritt. Diese Studie legt jedoch nahe, dass diese Krankheit eher in den frühen Phasen des Wachstums und der Entwicklung des Lebens auftritt.

Kürzlich lieferten die ersten Karten der DNA-Veränderungen im Hippocampus und präfrontalen Kortex weitere Beweise. Am 9. Oktober wurde eine entsprechende Studie unter der Leitung der University of California, Los Angeles, in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Die Studie enthüllte die Evolution der Genregulation während der Entwicklung des menschlichen Gehirns und zeigte die Schlüsselrolle der 3D-Struktur des Chromatins auf. Forscher haben die erste Karte der DNA-Veränderungen im Hippocampus und präfrontalen Kortex erstellt und damit neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie sich die frühe Gehirnentwicklung auf die körperliche und geistige Gesundheit auswirkt.

Der präfrontale Cortex und der Hippocampus beeinflussen unseren mentalen und psychischen Zustand und beginnen sich bereits in der Embryonalperiode zu entwickeln. Der präfrontale Kortex fungiert als CEO und Kommandant im Gehirn. Es ist dafür verantwortlich, verschiedene Teile des Nervenzentrums bei der Durchführung organisatorischer, richtungsweisender und kreativer Aktivitäten zu unterstützen. Er spielt eine wichtige Rolle beim Gedächtnis, Urteilsvermögen, Analysieren, Denken, Handeln usw. Der Hippocampus ist der Cache und Experte für die räumliche Navigation in unserem Gehirn. Es ist nicht nur für die Umwandlung des Kurzzeitgedächtnisses in das Langzeitgedächtnis verantwortlich, sondern beteiligt sich auch an der Ausbildung des räumlichen Gedächtnisses und ist eng mit dem emotionalen Gedächtnis verknüpft. Der Hippocampus und der präfrontale Kortex spielen eine wichtige Rolle beim Lernen, Gedächtnis und der Emotionsregulation und stehen auch in engem Zusammenhang mit Krankheiten wie Autismus und Schizophrenie.

Um den DNA-„Bauplan“ des präfrontalen Kortex und des Hippocampus zu kartieren, verwendeten die Forscher einen hochmodernen Sequenzierungsansatz, Einzelkern-Methylierungssequenzierung und Chromatin-Konformationserfassungstechnologie. Die Technik ermöglicht die gleichzeitige Analyse zweier epigenetischer Mechanismen, die die Genexpression in einzelnen Zellen steuern. Der Schlüssel zum Verständnis der Ursachen neuropsychiatrischer Erkrankungen liegt darin, zu verstehen, wie sie auf Gene wirken, die die Entwicklung beeinflussen. Die Forscher analysierten mehr als 53.000 Gehirnzellen, die ihnen von der Mitte der Schwangerschaft bis ins Erwachsenenalter von Spendern zur Verfügung gestellt wurden. Dabei deckten sie wesentliche Veränderungen in der Genregulation während eines kritischen Entwicklungsfensters auf und erstellten ein umfassendes Bild der massiven genetischen Umstrukturierung, die zu entscheidenden Zeitpunkten in der Entwicklung des menschlichen Gehirns stattfindet.

Die aktivste Phase der Gehirnentwicklung eines Babys findet laut Forschern etwa im zweiten Trimester statt. Als radiale Glia bezeichnete neuronale Stammzellen erzeugen im ersten und zweiten Trimester Milliarden von Neuronen. An diesem Punkt hören sie auf, Neuronen zu produzieren und beginnen mit der Produktion von Gliazellen, die die Neuronen unterstützen und schützen. Gleichzeitig reifen neu gebildete Neuronen allmählich heran, erwerben die für die Ausführung bestimmter Funktionen erforderlichen Eigenschaften und bilden synaptische Verbindungen zur Kommunikation.

Neuropsychiatrische Störungen, einschließlich jener, die im Erwachsenenalter auftreten, sind häufig auf genetische Faktoren zurückzuführen, die die frühe Gehirnentwicklung beeinträchtigen. Die Karte bietet eine Basislinie, die mit genetischen Studien von erkrankten Gehirnen verglichen werden kann und zeigt genau, wann und wo molekulare Veränderungen auftreten. Nachdem Forscher nun Verbindungen zwischen verschiedenen Zelltypen festgestellt haben, könnte diese Entdeckung dazu beitragen, bedeutsame genetische Risikofaktoren bei neurologischen Entwicklungs- und neuropsychiatrischen Erkrankungen zu identifizieren. Zudem hat sie wichtige Auswirkungen auf die Verbesserung stammzellbasierter Modelle wie Gehirn-Organoide.

Die Entwicklung eines gesunden menschlichen Gehirns ist eine monumentale Leistung. Der Embryo beginnt sich von der Größe eines Sesamkorns zu entwickeln und beginnt eine 40-wöchige „magische Reise“ im Körper der Mutter. Während dieser Zeit wird die Gehirnstruktur des kleinen Lebens komplexer und sensibler. Obwohl die neue Entdeckung nur die Spitze des Eisbergs der genetischen Forschung zum Gehirn darstellt und die Forschung über den Ursprung, die Entwicklung und die Funktion des menschlichen Gehirns fortgesetzt wird, hat diese neue Studie eine wichtige Datenbasis geschaffen. In Zukunft warten noch viele unbekannte „Geheimnisse“ über das embryonale Gehirn darauf, von uns erforscht zu werden.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird. Autor: Chen Dingxin

Gutachter: Gui Yaxing, Chefarzt, Abteilung für Neurologie, Shanghai First People's Hospital

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.