Unsere frühesten Vorfahren hatten Gehirne, die so groß waren wie Orangen. Was lange konstant blieb, veränderte sich plötzlich rasant: Innerhalb von sieben Millionen Jahren verdreifachte sich die Größe des menschlichen Gehirns. Vor allem die Hirnrinde, zuständig für höhere kognitive Aufgaben und Intelligenz, wuchs und wuchs. Zudem nahm die Anzahl der Nervenzellen stetig zu, immer komplizierter waren sie vernetzt, immer größer wurde die knöcherne Mulde, in der das Gehirn im Schädel lag. Beim modernen Menschen, dem Homo sapiens, zählt das Gehirn viele Milliarden Nervenzellen* – ihretwegen ist es uns möglich, komplizierte Werkzeuge zu erfinden, politische Systeme zu erschaffen, Chopin zu komponieren und Supercomputer zu bauen. Kurzum: Erst das Hirnwachstum ließ den Menschen die Erde erobern.

Was aber gab den Anstoß für das sprunghafte Wachstum? Seit Jahren versuchen Genetiker, verantwortliche Genvarianten auszumachen – mit bisher eher bescheidenem Erfolg (Cell: Dorus et al., 2004). Nun aber berichten gleich zwei unabhängig voneinander arbeitende Forschergruppen von einem Gen, das einen Gutteil davon erklären könnte. Die Ergebnisse hat die renommierte Fachzeitschrift Cell heute veröffentlicht (Fiddes et al., 2018, und Suzuki et al., 2018).

Natürlich sind derartig drastische Veränderungen wie die Verdreifachung der Hirngröße praktisch immer auf ein Zusammenspiel mehrerer Gene – und natürlich der Umwelt – zurückzuführen. Es spricht aber nichts dagegen, dass einzelnen Genvarianten dabei eine besonders große Bedeutung zukommt. Die Genvariante NOTCH2NL, die die Forscherinnen und Forscher in den neuen Veröffentlichungen untersucht haben, könnte solch eine sein. Sie könnte maßgeblich mitverantwortlich dafür sein, dass wir uns heute so stark von Menschenaffen unterscheiden.

Eine ganze Armada von Stammzellen

Der Schlüssel zu einem großen Gehirn ist das Verhalten von Stammzellen, also Zellen, aus denen später einmal verschiedenste Zelltypen werden können. Diese – es geht vor allem um radiale Gliazellen – haben vereinfacht gesagt drei Möglichkeiten: Sie können sich zu zwei weiteren Stammzellen teilen, die noch keine bestimmte Funktion im Gehirn übernehmen. Sie können zu einer weiteren Stamm- sowie zu einer Nervenzelle reifen oder aber ausschließlich zu ausgewachsenen Nervenzellen. Letzteres ist gewissermaßen eine Einbahnstraße, weil sich ausgewachsene Neuronen meist nicht mehr teilen. Die Aufteilung in weitere Stammzellen aber führt dazu, dass sich das Gehirn zwar zuerst langsamer entwickelt, als wenn es direkt Nervenzellen ausbildet – dann aber über eine ganze Armada aus Stammzellen verfügt, aus denen immer neue Nervenzellen entstehen können. Kurz: Je mehr Stammzellen aus Stammzellen entstehen, desto größer wird das Gehirn. Und je mehr Stammzellen es gibt, desto mehr Neuronen können aus ihnen entstehen, was das Gehirn leistungsfähiger macht. Der letzte Schritt heißt Ausreifung.

"Die evolutionäre Vergrößerung der Großhirnrinde beruht auf einer gesteigerten Fähigkeit der Vorläuferzellen, sich zunächst zu vermehren", erklärt Wieland Huttner, Professor am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, demScience Media Center (SMC). Das Gen mit dem Namen NOTCH2NL, um das es in den vorliegenden Arbeiten geht, scheint genau das zu befördern – und zwar ausschließlich beim Menschen.

Dass NOTCH2NL eine bedeutende Rolle spielen könnte, hatten Forschergruppen bereits früher vermutet (eLife: Florio et al., 2018). Doch stützende Studien fehlten. Das holten der Bioinformatiker David Haussler von der University of California, Santa Cruz und sein Team nun nach. Sie verglichen verschiedene Zellkulturen miteinander (Cell: Fiddes et al., 2018). Die Gruppe wollte wissen, welche Gene in menschlichen Stammzellen abgelesen werden, nicht aber in denen von Menschenaffen. Schnell hatte sie eine Variante des NOTCH2NL-Gens identifiziert. Danach begann sie die evolutionäre Geschichte des Gens nachzuzeichnen, indem sie sich Genomanalysen von Neandertalern und Urmenschen anschaute.

Die daraus folgende Vermutung: Im Laufe der Evolutionsgeschichte sei das Gen beschädigt worden. Verschiedene Reparaturen und Genveränderungen, die nur beim Menschen stattgefunden haben, hätten das Gen vervielfacht und es so aktiv gemacht, wie heute beobachtet. Interessanterweise scheint dies genau zu der Zeit geschehen zu sein, als das menschliche Hirn vor rund drei bis vier Millionen Jahren zu wachsen begann.

Mit der Gen-Schere Crispr wurde das Gen Mäusezellen eingesetzt

Um ihre These zu prüfen, untersuchte die Gruppe anschließend, was passiert, wenn man das Gen entweder aus menschlichen Zellen löscht oder es Mäusezellen hinzufügt. Dafür benutzten sie ein Gehirn-Organoid, ein neuartiges Gehirnmodell aus embryonalen Stammzellen, und schnitten aus dessen Zellen mit der Gen-Schere Crispr das NOTCH2NL-Gen heraus. In der Folge reiften die Stammzellen schneller aus. Fügten sie hingegen bei Mäusestammzellen das Gen hinzu, verzögerte sich die Ausreifung der Stammzellen zu Neuronen. Ein Beweis dafür, dass NOTCH2NL so funktioniert wie angenommen.

In der zweiten Studie näherten sich belgische Neurowissenschaftlerinnen und -wissenschaftler derselben Frage mit anderen Mitteln (Cell: Suzuki et al., 2018). Sie suchten in der Großhirnrinde von abgetriebenen Föten nach bereits von den Genen abgelesenen Erbgutmolekülen. So konnten sie menschenspezifische Gene ausfindig machen, die in der Hirnentwicklung aktiviert werden. Auch sie kamen schnell auf NOTCH2NL und verfolgten den Signalweg, den das Gen in menschlichen Gehirnstammzellen einleitet.