Warum man von Affen, Ratten und Mäusen nichts über das menschliche Gehirn lernen kann

Ein Großteil der neurowissenschaftlichen Forschungsausgaben und veröffentlichten Ergebnisse bezieht sich auf Studien, die an Ratten, Mäusen und Affen durchgeführt wurden. Die Ergebnisse dieser Methoden werden im Allgemeinen als universell repräsentativ für die Gehirnfunktion bei allen Spezies dargestellt. Sicherlich weisen alle Gehirne von Säugetieren einige strukturelle und funktionelle Ähnlichkeiten auf, und diese Systeme liefern Informationen über die Natur der zellulären Prozesse. Darüber hinaus sehen Neuronen zumindest morphologisch ähnlich aus. All dies kann enorm hilfreich sein, um mit Techniken zu experimentieren und allgemeine Konzepte zu verstehen. Aber die Extrapolation von Erkenntnissen, die für diese Lebewesen spezifisch sind, auf den Menschen kann irreführend sein.

Es ist für jeden offensichtlich, dass das menschliche Gehirn einzigartigere Fähigkeiten hervorbringt als andere Spezies. Es stellt sich die Frage, auf welcher Ebene sich diese Unterschiede manifestieren und wo die Grenzen der Extrapolation zu ziehen sind.

Ansätze auf zellulärer Ebene zum Verständnis der Gehirnfunktion

Es gibt drei Hauptbereiche der Erforschung der Gehirnfunktion auf zellulärer Ebene: Genexpression, die die molekularen Werkzeuge und Komponenten bestimmt, die die Zelle baut und verwendet, um Verbindungen zu bilden und ihre Aktivität zu modulieren, synaptische Plastizität, die untersucht, wie Neuronen sich verbinden und die Art ihrer Verbindungen als Reaktion auf Reize verändern, und Spike-Aktivität: die Arten von temporären Mustern, die es als Reaktion auf einen Reiz oder in Verbindung mit Verhaltensweisen erzeugt.

Die Untersuchung der synaptischen Plastizität und der Spike-Muster von Neuronen ist enorm invasiv und erfordert einen direkten Zugang zum Gewebe. Die meisten Experimente werden durchgeführt, indem Gewebe aus dem Gehirn von Mäusen und Ratten entnommen und in einer Schale gezüchtet wird. Diese werden als In-vitro-Experimente bezeichnet, d.h. sie werden auf einer Platte durchgeführt und erfordern, dass das Tier geschlachtet wird. Ein anderer Ansatz besteht darin, Löcher in den Schädel von Mäusen, Ratten oder Affen zu öffnen oder zu bohren, um Elektroden zu platzieren oder genetisches Material zu liefern, das Moleküle (z. B. fluoreszierende Moleküle) produziert, mit denen Zellbilder aufgenommen werden können. In diesem Fall kann es die Aktivität von Zellen und Geweben in vivo oder während das Tier wach ist und sich verhält, untersuchen. Weder die synaptische Aktivität noch neuronale Spikes können jedoch beim Menschen leicht untersucht werden, es sei denn, er unterzieht sich einer Gehirnoperation zu einem anderen Zweck und stimmt einer experimentellen Sondierung zu, die natürlich Risiken birgt. Auf der anderen Seite lässt sich die Genexpression bei verschiedenen Spezies anhand von postmortalen Gewebeproben leichter untersuchen und steht in engem Zusammenhang mit der synaptischen Plastizität und der Spike-Aktivierung.

Genexpression im menschlichen Gehirn im Vergleich zu anderen Spezies

Das menschliche Gehirn exprimiert ein viel größeres Repertoire an Genen als jede andere Spezies. Eine Studie zeigt bis 2014 Gene, die im menschlichen Gehirn im Verhältnis zu den Gehirnen von Schimpansen unterschiedlich exprimiert werden (Khaitovich et al.). Darüber hinaus sind diese Gene in allen bekannten zellulären Prozessen verteilt, von der neuronalen Differenzierung und Entwicklung über die synaptische Übertragung und Signaltransduktion bis hin zu Stoffwechselprozessen. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass Zellen einige ziemlich globale Unterschiede in ihrer Funktionsweise aufweisen. Bemerkenswert sind auch die Erkenntnisse des Allen Institute zu Unterschieden in der Genexpression zwischen Mäusen und Menschen. Sie stellen fest, dass Genexpressionsmuster, die mit verschiedenen Krankheiten beim Menschen wie Alzheimer verbunden sind, bei der Maus nicht zu sehen sind, was darauf hindeutet, dass dies einer der Gründe ist, warum Medikamente, die bei Mäusegehirnen wirken, beim Menschen oft nicht wirken.

Interessanterweise fanden Khaitovich et al. (Svante Pääbos Gruppe) auch eine ziemliche Vielfalt unter den Menschen und stellten fest, dass die Unterschiede zwischen den Gehirnregionen innerhalb eines Individuums viel kleiner waren als die Unterschiede zwischen Individuen. Eine weitere, neuere Studie (lesen Sie hier mehr dazu) zeigt, dass einzelne Neuronen ihre Gene tatsächlich bearbeiten und daher von Zelle zu Zelle sehr unterschiedliche Expressionsmuster aufweisen können. Schließlich können das Verhalten oder der Umweltkontext die Genexpressionsmuster verändern (lesen Sie hier mehr). Diese vielen Quellen der zellulären Vielfalt und die allgemein größere Vielfalt der Erfahrungen unter den Menschen im Vergleich zu anderen Spezies fügen eine weitere Komplexitätsebene hinzu.

All dies bedeutet, dass das Gehirn beim Menschen im Vergleich zu anderen Spezies grundlegend anders und enorm vielfältig ist. Was bei Mäusen und Affen funktioniert, wird wahrscheinlich nicht bei Menschen funktionieren, und was bei einer Person funktioniert, funktioniert möglicherweise nicht einmal bei einer anderen.

Die Geschichte von Glia

Die große Geschichte, die sich jedoch abzeichnen könnte, ist, dass die größten Unterschiede nicht in den Neuronen bestehen, den Zellen, die an der schnellen elektrischen Signalübertragung beteiligt sind, sondern in der Glia. Gliazellen sind den Neuronen im menschlichen Gehirn fast 1,4 Mal überlegen, aber lange Zeit dachte man, dass sie nur eine reinigende Rolle spielen. Eine Studie aus Nedergaards Labor hat jedoch gezeigt, dass menschliche Astrozyten (eine Art Gliazelle) einen 2,6-mal größeren Durchmesser haben, beim Menschen 10-mal mehr Prozesse ausdehnen und in viel komplexeren Subtypen vorkommen als bei Mäusen. Sie verbreiten auch Ca2+-Wellen 4-mal schneller als die von Mäusen. Studien aus dem Labor von Ben Barres zeigen, dass Gliazellen eine bedeutendere und aktivere Rolle bei der Modulation des Verhaltens von Neuronen spielen als bisher angenommen. Das Interessanteste an diesen Ergebnissen ist jedoch, dass menschliche Astrozyten im Vergleich zu Mäusen viel robuster auf Glutamat reagieren (Zhang et al.). Glutamat ist das am weitesten verbreitete neuronale Signalmolekül im Gehirn, was darauf hindeutet, dass Gliazellen eine wichtigere Rolle bei der Gestaltung der elektrischen Dynamik des menschlichen Gehirns spielen könnten.

Angesichts dieser Unterschiede zwischen menschlichen und Maus-Gliazellen ist es vielleicht nicht überraschend, dass sich die Genexpression zwischen Maus und Mensch am stärksten in Gliazellen und nicht in Neuronen unterscheidet. Eine Studie von Hawrylycz et al. vom Allen Institute zeigt größere Unterschiede zwischen nicht-neuronaler Genexpression, Zhang et al . (Barres‘ Labor) haben große Unterschiede in der Astrozyten-Genexpression bei Mäusen und Menschen gezeigt, und Pavlidis‘ Labor beobachtete, dass Genexpressionsmuster zwischen Neuronen und Oligodendrozyten (einer anderen Art von Gliazellen) tatsächlich vertauscht wurden.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich menschliche Gehirnzellen völlig anders verhalten können. Man könnte sich die Analogie vorstellen, dass die Untersuchung einer Atomart, um auf die Eigenschaften einer anderen zu schließen, möglicherweise nicht der beste Ansatz ist, und in Analogie dazu die Untersuchung von Neuronen einer Tierart, um etwas über eine andere abzuleiten. Dies macht einen Bottom-up-Ansatz außerordentlich kompliziert und lässt enorme Zweifel an der Relevanz der meisten physiologischen Ergebnisse anderer Spezies für den Menschen aufkommen.

Wie geht es jetzt weiter?

Ein Großteil der Tierforschung basiert auf einem reduktionistischen Rahmen, der postuliert, dass man, um ein System zu verstehen, die Funktion und das Verhalten seiner Elemente kennen muss. Das generelle Verhalten des Systems kann dann abgeleitet werden. Wenn wir uns einem solchen Rahmen anschließen würden, müssten wir angesichts dessen, was wir über die Unterschiede zwischen Tieren und Menschen wissen, die Mammutaufgabe übernehmen, nicht nur ein Neuron in einem Menschen zu verstehen, sondern Milliarden von Neuronen und Gliazellen, die potenziell genetisch bei jedem Menschen einzigartig sind. Die Aufgabe ist technisch gigantisch.

Und natürlich stellt sich die Frage, ob ein Bottom-up-Ansatz der richtige Weg ist, um das zu erreichen, was wir in unserem Verständnis des menschlichen Gehirns erreichen wollen. Wenn wir die Eigenschaften eines Materials verstehen wollen, die seine Beschaffenheit und Nützlichkeit beschreiben, kommt es auf seine Makroeigenschaften wie Farbe und Härte an. Wir versuchen nicht, sie durch die Messung der Elektronenspins jedes Atoms und ihrer Bindungsenergien vorherzusagen (was manchmal gut funktionieren könnte, aber übermäßig teuer und technisch herausfordernd wäre), sondern wir suchen nach anderen Messwerkzeugen auf Systemebene, die in der Praxis viel einfacher und letztendlich informativer sind. Im Grunde läuft alles darauf hinaus, was wir zu erreichen versuchen und wie wir wollen, dass die Wissenschaft zum Verständnis und zur Pflege des menschlichen Gehirns durch die Menschheit beiträgt.