Moderne Menschen bilden mehr Nervenzellen im Gehirn als Neandertaler

Schon lange bewegt Forscher die Frage, was den modernen Menschen einzigartig macht. Vergleiche mit unseren nächsten Verwandten, den Neandertalern, ermöglichen faszinierende Erkenntnisse. Wichtige Faktoren für die verbesserten kognitiven Fähigkeiten während der menschlichen Evolution sind die Zunahme der Gehirngröße und die Bildung von Nervenzellen während der Gehirnentwicklung. Obwohl Neandertaler und moderne Menschen ähnlich große Gehirne haben, ist nur sehr wenig darüber bekannt, ob sich die Gehirne hinsichtlich ihrer Bildung von Nervenzellen während der Entwicklung möglicherweise unterscheiden. Ein internationales Forscherteam des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden zeigen nun, dass die Variante des Proteins TKTL1, die moderne Menschen in sich tragen und die sich nur um eine einzige Aminosäure von der Neandertaler-Variante unterscheidet, eine entscheidende Rolle bei der Gehirnentwicklung spielt. Denn diese ist dafür verantwortlich, dass sich ein Typ von Vorläuferzellen des Gehirns, die basalen radialen Gliazellen, im Gehirn von modernen Menschen vermehrt. Basale radiale Gliazellen produzieren den Großteil der Nervenzellen im sich entwickelnden Neokortex, einem Teil des Gehirns, der für viele kognitive Fähigkeiten entscheidend ist. Da die Aktivität von TKTL1 im Frontallappen des fötalen menschlichen Gehirns besonders hoch ist, schlussfolgert das Forscherteam, dass es aufgrund dieser einzigen menschenspezifischen Veränderung einer Aminosäure in TKTL1 zu einer vermehrten Bildung von Nervenzellen im sich entwickelnden Frontallappen des Neokortex von modernen Menschen kommt.

Zwischen dem modernen Menschen und unseren ausgestorbenen Verwandten, den Neandertalern und Denisovanern, gibt es nur bei wenigen Proteinen Unterschiede in der Abfolge der Aminosäuren – den Bausteinen der Proteine. Die biologische Bedeutung dieser Unterschiede für die Entwicklung des Gehirns des modernen Menschen ist weitgehend unbekannt. Sowohl der moderne Mensch als auch der Neandertaler haben ein ähnlich großes Gehirn, vor allem einen ähnlich großen Neokortex. Ob diese ähnliche Größe des Neokortex auch eine ähnliche Anzahl von Nervenzellen bedeutet, ist noch unklar. Die neueste Studie der Forschungsgruppe von Wieland Huttner, einem der Gründungsdirektoren des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden, die in Zusammenarbeit mit Svante Pääbo, Direktor am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig, und Pauline Wimberger vom Universitätsklinikum Dresden und ihren Kollegen durchgeführt wurde, befasst sich genau mit dieser Frage. Das Forscherteam hat sich eines dieser Proteine angeschaut, das bei allen modernen Menschen im Vergleich zu den Neandertalern eine einzige Aminosäureveränderung aufweist: das Protein Transketolase-like 1 (TKTL1). Bei modernen Menschen enthält TKTL1 an der betreffenden Sequenzposition ein Arginin, während es bei TKTL1 der Neandertaler die verwandte Aminosäure Lysin ist. Im fötalen menschlichen Neokortex findet sich TKTL1 in neokortikalen Vorläuferzellen, den Zellen, aus denen sich alle kortikalen Nervenzellen ableiten. In den Vorläuferzellen des Frontallappens ist die Konzentration von TKTL1 besonders hoch.

Anneline Pinson, die Erstautorin der Studie und Forscherin in der Gruppe von Wieland Huttner, untersuchte die Bedeutung dieser einen Aminosäureänderung für die Entwicklung des Neokortex. Dazu brachten Anneline und ihre Kollegen entweder die TKTL1 Variante des modernen Menschen oder die des Neandertalers in den Neokortex von Mausembryonen ein. Sie beobachteten, dass basale radiale Gliazellen, die Art von neokortikalen Vorläuferzellen, von denen man annimmt, dass sie die treibende Kraft für ein größeres Gehirn sind, mit der Moderne-Menschen-Variante von TKTL1 vermehrt wurden. Mit der Neandertaler-Variante vermehrten sie sich nicht. Infolgedessen enthielten die Gehirne von Mausembryonen mit Moderne-Menschen-TKTL1 mehr Nervenzellen.

Anschließend untersuchte das Forscherteam, welche Relevanz diese Ergebnisse für die Entwicklung des menschlichen Gehirns haben. Dazu ersetzten sie das Arginin in TKTL1 des modernen Menschen durch das für das TKTL1 des Neandertalers charakteristische Lysin. Dabei kamen menschliche Hirnorganoide zum Einsatz – organähnliche Miniaturstrukturen, die aus menschlichen Stammzellen in Zellkulturschalen im Labor gezüchtet werden können und die Aspekte der frühen menschlichen Gehirnentwicklung nachahmen. „Wir fanden heraus, dass mit dem Neandertaler-Typ der Aminosäure in TKTL1 weniger basale radiale Gliazellen produziert wurden als mit dem Moderne-Menschen-Typ, und folglich auch weniger Nervenzellen“, sagt Anneline Pinson. „Obwohl wir nicht wissen, wie viele Nervenzellen das Neandertaler-Gehirn hatte, können wir annehmen, dass moderne Menschen mehr Nervenzellen im Frontallappen des Gehirns haben, wo die TKTL1-Aktivität am höchsten ist, als Neandertaler.“ Das Forscherteam stellte außerdem fest, dass TKTL1 beim modernen Menschen durch Veränderungen im Stoffwechsel wirkt, insbesondere durch eine Stimulierung des Pentosephosphatweges, gefolgt von einer erhöhten Fettsäuresynthese. So dürfte TKTL1 des modernen Menschen die Synthese bestimmter Membranlipide erhöhen, die für die Bildung des langen Prozesses der basalen radialen Gliazellen benötigt werden, der ihre Vermehrung anregt und somit die Nervenzellproduktion erhöht.

„Man kann aufgrund dieser Ergebnisse vermuten, dass die Bildung von Nervenzellen im Neokortex während der fötalen Entwicklung beim modernen Menschen größer ist als beim Neandertaler, hauptsächlich im Frontallappen“, fasst Wieland Huttner, der die Studie leitete, zusammen. „Es ist durchaus denkbar, dass dies die kognitiven Fähigkeiten des modernen Menschen, die auf dem Frontallappen beruhen, gefördert hat.“

Originalpublikation

Anneline Pinson, Lei Xing, Takashi Namba, Nereo Kalebic, Jula Peters, Christina Eugster Oegema, Sofia Traikov, Katrin Reppe, Stephan Riesenberg, Tomislav Maricic, Razvan Derihaci, Pauline Wimberger, Svante Pääbo, Wieland B Huttner: “Human TKTL1 implies greater neurogenesis in frontal neocortex of modern humans than Neandertals”, Science. 09. September 2022 doi: 10.1126/science.abl6422