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Originalpublikation

Eric Lewitus, Iva Kelava, Alex T. Kalinka, Pavel Tomancak, Wieland B. Huttner
An Adaptive Threshold in Mammalian Neocortical Evolution

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Evolutionsbiologie . Neurobiologie

Falten im Gehirn

Programme zur Produktion von Nervenzellen während der Gehirnentwicklung bestimmen die Faltung des Gehirns

21. November 2014

Der Neocortex ist der Teil des Gehirns, der uns Menschen das Sprechen und Denken ermöglicht. Seine Ausbildung im Laufe der Evolution ist bisher noch nicht eingehend erforscht. Das Team von Wieland Huttner am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden hat nun eine wichtige Entdeckung gemacht: Die Forscher haben einen bestimmten Wert der Hirnfaltung identifiziert, der Säugetiere in zwei Gruppen einteilt. Wenn ein Lebewesen diesen Wert überschreitet, besitzt es ein stark gefaltetes Gehirn. Offenbar haben die Säugetiere den Weg zu stark gefalteten Gehirnen in ihrer Entwicklungsgeschichte mehrfach beschritten.
Der Karibik-Manati kommt offenbar mit weniger Gehirnkapazität aus: Das Gehirn der Seekuh-Art hat seine Faltung im Laufe der Evolution wieder zurück entwickelt. Bild vergrößern
Der Karibik-Manati kommt offenbar mit weniger Gehirnkapazität aus: Das Gehirn der Seekuh-Art hat seine Faltung im Laufe der Evolution wieder zurück entwickelt. [weniger]

Die Forscher haben sich Hirnschnitte von rund 100 verschiedenen Säugetierarten angeschaut und dabei die Faltung des Gehirns mit einem Index versehen. Schnell zeigte sich: Säugetiere lassen sich in zwei große Gruppen einteilen, den Unterschied macht ein bestimmter Wert der Hirnfaltung. Er entspricht etwa einer Milliarde Nervenzellen im Neocortex. Delfine und Füchse beispielsweise liegen über diesem Schwellenwert, Die Auswirkung: Ihr Hirn ist intensiver gefaltet und besteht aus deutlich mehr Nervenzellen.

Diese Tiere besitzen ein besonderes Programm zur Produktion von Nervenzellen während der Gehirnentwicklung, bei dem sich sogenannte basale Vorläuferzellen vervielfachen können. So werden deutlich mehr Nervenzellen produziert. Mäuse oder der Karibik-Manati, eine Seekuh-Art, hingegen liegen unter dem Schwellenwert, bei ihnen findet bei der Gehirnentwicklung keine Vervielfachung basaler Vorläuferzellen statt. Sie haben deshalb wenig bis gar nicht gefaltete Gehirne.

Ein Vergleich der Hirnfaltung mit dem Stammbaum der Arten ergab, dass sich in der Evolution der Säugetiere stärker gefaltete Gehirne nicht kontinuierlich entwickelt haben. Im Gegenteil: Schon das vor rund 200 Millionen Jahren lebende Ur-Säugetier hatte ein gefaltetes Gehirn. Im Laufe der Evolution gab es an jeder Gabelung der Entwicklung die Möglichkeit, die Hirnfaltung zu reduzieren oder zu erhöhen. Entscheidend waren hier wohl auch die Lebensumstände: Tiere mit wenig oder gar nicht gefalteten Gehirnen leben z.B. vorwiegend in kleinen Gruppen in eng bemessenen Lebensräumen, bei der anderen Gruppe der Säugetiere mit stark gefalteten Gehirnen hingegen sind es große soziale Verbände, die sich über teils sehr große Gebiete ausdehnen können.

Dauer und Tempo der Gehirnentwicklung

Die Ahnengalerie der Superhirne: Die Evolution kann sich an jeder Gabelung entscheiden, ob sich das Gehirn einer Art stärker oder schwächer auffaltet. Entscheidend ist ein Schwellenwert von 1,5, der Säugetiere in zwei Gruppen einteilt: Arten mit stark gefalteten oder wenig bis gar nicht gefalteten Gehirnen. Bild vergrößern
Die Ahnengalerie der Superhirne: Die Evolution kann sich an jeder Gabelung entscheiden, ob sich das Gehirn einer Art stärker oder schwächer auffaltet. Entscheidend ist ein Schwellenwert von 1,5, der Säugetiere in zwei Gruppen einteilt: Arten mit stark gefalteten oder wenig bis gar nicht gefalteten Gehirnen. [weniger]

Die stärker gefalteten Hirne von Säugetieren haben aber nicht nur deutlich mehr Nervenzellen, sie wachsen auch während der embryonalen Entwicklung in einem ganz anderen Tempo. Rund 14-mal mehr Gehirngewicht entsteht bei dieser Säugetier-Gruppe pro Tag während der Tragezeit.

Aber auch innerhalb der beiden Gruppen von Säugetieren gibt es noch deutliche Unterschiede. Entscheidend wirkt sich dabei die Dauer der Nervenzell-Produktion aus: Die acht bis neun Tage, die ein menschlicher Fötus länger Nervenzellen im Neocortex produziert als der Fötus eines Menschenaffen, führen zur Verdreifachung der Größe unseres Gehirns.

FF/HR

 
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