„'Mini-Gehirne' können uns helfen zu verstehen, was uns menschlich macht“, sagte ein Experte für Neurowissenschaften

Der Gruppenleiter der Abteilung für Zellbiologie des Molecular Biology Laboratory des Medical Research Council (MRC) und Teil des Cambridge Biomedical Campus in Großbritannien; könnte das Studium des Gehirns dank jahrelanger Studien und einiger Chancen revolutionieren. In den Worten von Madeline Lancaster scheiterte ihr Versuch, neuronale Stammzellen zu züchten, aber sie hatte keine Ahnung, dass die schwimmenden Zellkugeln, die sie unter dem Mikroskop und auf ihrer Petrischale sah, tatsächlich Miniaturhirngewebe waren.

Er hat innovative Arbeit in der Entwicklung der organoiden Gehirntechnologie geleistet, die bedeutende Fortschritte in der neurologischen Entwicklung und Krankheitsforschung erzielt. Die Arbeit im Labor von Lancaster konzentriert sich auf die Untersuchung der Entwicklung des menschlichen Gehirns mithilfe von Organoiden des Gehirns. Das Labor verwendet Mini-Gehirne, um die grundlegendsten Unterschiede zwischen der Entwicklung des menschlichen Gehirns und der anderer Säugetierarten zu untersuchen. Sein Fortschritt gefährdet alles, was in Bezug auf Gehirnstudien kommt, und bringt uns der Antwort auf eine faszinierende Frage näher: Was macht uns zu Menschen?

„Ich wollte neuronale Stammzellen auf der Oberfläche einer Petrischale züchten, aber innerhalb eines Tages wurde mir klar, dass etwas schief gelaufen war“, sagt er Infobae ausschließlich in einem Telefonchat. Das Proteinpräparat, mit dem ich den Boden der Schale bedeckte, war ziemlich alt, was bedeutete, dass die Zellen nicht so zusammenklebten, wie sie sollten, sondern schwimmende Kugeln bildeten. Viele Wissenschaftler hätten dieses Produkt wahrscheinlich weggeworfen, aber ich habe es weiter wachsen lassen. Sehr bald konnte ich Strukturen darin erkennen, in denen ich als Neurobiologe bestimmte Merkmale erkannte, die man im Gehirn sehen würde.“

-Das heißt, dass Zufall wie in anderen berühmten Fällen der Wissenschaft eine Zutat war?

Es war ein Zufall, es stimmt, in dem Sinne, dass diese Wesen einfach auf dem Teller des Labors erschienen, als ich sie nicht erwartet hatte. Das Timing war auch sehr gut, da die Entdeckung zu Beginn meines Postdoktorandenstipendiums stattfand, was bedeutete, dass ich frei war, die Beobachtungen, die ich machen konnte, zu erforschen und mich leiten zu lassen. Nach der anfänglichen Aufregung war viel Arbeit erforderlich, um diese kleinen Zellkugeln in Gewebe umzuwandeln. Ein Jahr lang verfolgte ich meine Versuche und Irrtümer bei dieser Entwicklung: Ich wiederholte diese Experimente, fügte den Zellen verschiedene Kombinationen von Nahrungsergänzungsmitteln hinzu und notierte das Ergebnis sorgfältig in meinem Laborbuch. Schließlich entdeckte ich, dass ein bestimmtes Proteingel namens Matrigel genügend Unterstützung bot, damit sich die Zellen in dreidimensionales Gewebe selbst organisieren können.

- Sind das die Organoide?

- In der Tat. Diese dreidimensionalen Gewebe sind als Organoide bekannt, was wörtlich organartig bedeutet, aber eine Alternative, die im Labor verwendet wird, um in diesem Fall die Tiefen des Gehirns und mögliche Behandlungen gegen seine Beschwerden zu untersuchen. Genau das haben wir mit diesen Konstrukten im Labor erreicht: Es handelt sich um Miniaturorgangewebe, die echten ähneln, zum Beispiel haben sie dieselben Zelltypen, Strukturen und ähnliche Funktionen. Je nach Art der verwendeten Stammzellen entwickeln sich unterschiedliche Organoide. In meinem Fall habe ich neurale Zellen verwendet, um Gehirnorganoide oder „Mini-Gehirne“ zu züchten, wie sie manchmal genannt werden, aber andere in Cambridge kultivieren jetzt Mini-Lungen-, Minidarm- und Mini-Leber-Gewebe.

- Was sind die ersten Schritte bei der Untersuchung des Gehirns?

- Das Studium dieses menschlichen Organs stellt eine Herausforderung dar. Tiermodelle haben uns zwar geholfen, die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, können uns aber nur so weit bringen. Wieder einmal haben Neuronen, die aus in 2D kultivierten menschlichen Stammzellen stammen, wertvolle Informationen über sich selbst geliefert, aber Neuronen existieren nicht isoliert. Daher gibt es eine Grenze für das, was wir anhand dieser Studien über die Funktionsweise des Gehirns verstehen können. Zerebrale Organoide geben uns etwas, das viel mehr wie echt aussieht und sich verhält. Sie haben es uns ermöglicht, Fragen zu stellen, warum wir außergewöhnlich anfällig für neurologische und psychische Erkrankungen wie Schizophrenie sind, die Tiere nicht zu betreffen scheinen. Und ein besonderer Schwerpunkt meines Labors ist es, was das menschliche Gehirn so besonders macht.

-Der nächste Schritt wäre herauszufinden, was uns von Tieren unterscheidet: Wie kann es enthüllt werden?

- Zu verstehen, was uns von anderen Tieren unterscheidet, ist eine grundlegende Frage. Wir wissen zum Beispiel, dass Delfine intelligent sind und große Gehirne haben, aber sie führen keine Zoom-Gespräche! Das Gehirn von Menschenaffen ist etwa dreimal kleiner als unseres. Tatsächlich haben meine jüngsten Berechnungen gezeigt, dass sie näher am Gehirn einer Maus liegen. Wir sind wirklich daran interessiert zu verstehen, wie dieser Größenunterschied auftritt. Wir züchten Organoide aus Zellen von Menschen und unseren engsten lebenden Verwandten: Schimpansen und Gorillas. Wir haben schon sehr früh in der Entwicklung festgestellt, dass es Unterschiede gab. Menschliche Stammzellen gingen langsamer als unsere Affenverwandten in einen Zustand über, in dem Neuronen wachsen konnten. Diese sehr subtile Variation in dieser Schlüsselphase, in der sich Zellen exponentiell ausdehnen, hat dramatische Auswirkungen auf das Endprodukt.

- Welche anderen Unterschiede haben Sie festgestellt?

-Wir haben auch festgestellt, dass menschliche Organoide im Vergleich zum Schimpansen und Gorilla doppelt so groß sind. Dies passt sehr gut zu dem, was Sie in Bezug auf die Gehirngröße sehen. Insbesondere in der Großhirnrinde ist die Anzahl der Neuronen im menschlichen Gehirn doppelt so hoch wie in den Gehirnen von Menschenaffen. So verwenden Sie die Analogie eines Computers: Wenn Sie mehr Zentraleinheiten platzieren, erhalten Sie mehr Rechenleistung. Ich denke, das ist wahrscheinlich ein großer Teil dessen, was vor sich geht und es den Menschen ermöglicht, unsere einzigartigen kognitiven Fähigkeiten zu nutzen.

- Wird auf diese Weise untersucht, wie es in der Vergangenheit getan wurde, distanziert?

-In der Wissenschaft geht es immer darum, zu erforschen. Vor fünfhundert Jahren kartierten die Menschen die Welt: Sie bereisten sie und übersetzten sie in immer genauere Dokumente. Jetzt haben wir uns nach innen gewandt und versuchen abzubilden, was in unseren Körpern vor sich geht. Jedes Experiment ist eine Entdeckung. Es macht wirklich Spaß, durch das Mikroskop zu schauen und zu wissen, dass Sie die erste Person in der Geschichte der Menschheit sind, die ein bestimmtes biologisches Phänomen beobachtet. Es ist so aufregend. Ich denke gerne, dass tiefgreifende Entdeckungen aus unerwarteten Beobachtungen entstehen können. In der Wissenschaft gibt es viele Chancen, aber Sie müssen auch offen dafür sein. In dieser Disziplin wird uns beigebracht, die wissenschaftliche Methode zu befolgen, die sehr wichtig ist, aber viele Menschen vergessen den ersten Schritt, nämlich eine gute Beobachtung zu machen.

- Was passiert schon mit deinen Organoiden?

-Ich bin gespannt, wie Organoide bei der Beantwortung anderer Forschungsfragen helfen können. Zum Beispiel sehen wir ein zunehmendes Interesse an der Verwendung des Tools zur Untersuchung der Blut-Hirn-Schranke, Epilepsie und Neurodegeneration.

Ich möchte wirklich mit anderen Forschern in der Cambridge-Community interagieren. Die Pandemie hat uns einer offeneren Zusammenarbeit ausgesetzt, die die Wissenschaft in der Vergangenheit nicht auf diese Weise erlebt hatte. Der Austausch zwischen verschiedenen Fachgebieten, Forschungszentren und Universitäten auf der ganzen Welt kreuzte sich mit seit Jahren erhaltenen Stützpunkten von Gesundheitsbanken, die es Fachleuten aller Disziplinen dank ihres Zugangs ermöglichten, gemeinsam neue Wege zu gehen und dabei Wissen aus verschiedenen Bereichen zu nutzen Winkel. Ich denke, es ist oft einfach, sich auf unser spezifisches Gebiet zu konzentrieren, aber wir können von allen Disziplinen viel lernen. Oft stellen wir sehr ähnliche Fragen, nähern uns ihnen aber aus verschiedenen Blickwinkeln. Ich denke, dass wir letztendlich Antworten zu allen Fragen brauchen werden, um zu enträtseln, was uns menschlich macht.

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