Großhirn-Evolution: Gemeinsame Wurzeln bei Mensch und Wurm

Virtuelle Rekonstruktion der Genaktivität im Gehirn eines Meeresringelwurms. Heidelberger Forscher haben herausgefunden, dass Würmer und Wirbeltiere in der Evolution einen gemeinsamen Großhirnvorläufer gehabt haben müssen.

Quelle: EMBL/J.Tomer

Bei einem detaillierten Blick in das winzige Gehirn von Meeresringelwürmern haben Forscher vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) in Heidelberg eine verblüffende Entdeckung gemacht: Meeresringelwürmer besitzen Nervenstrukturen, die dem menschlichen Großhirn ähneln - und das obwohl sich die gemeinsame Entwicklung vor etwa 600 Millionen Jahren trennte. Die Forscher haben eine Karte der Aktivität verschiedener Gene im Wurmgehirn erstellt und mit dem menschlichen Großhirn verglichen. Wie sie im Fachjournal Cell (3. September 2010, Bd. 142, S. 800) belegen, ist der sogenannte Pilzkörper bei den einfachen Würmern ein Vorläufer unseres heutigen Großhirns. Jetzt müssen die Forscher gängige Theorien zur Evolution des menschlichen Gehirns überdenken.

Das Großhirn ist der am höchsten entwickelte Teil des menschlichen Nervensystems. Es formt unsere Persönlichkeit, ist Voraussetzung für die Entstehung von Kunst und Musik, Literatur und Technologien. Neben dem Menschen besitzen auch andere Wirbeltiere ein Großhirn - das ist längst bekannt. Bisher war allerdings noch weitgehend unklar, wie sich die menschlichen Hirnregionen im Laufe der Evolution aus den Weichtieren entwickelt haben. So suchten Forscher selbst bei den nächsten wirbellosen Verwandten des Menschen, den Lanzettfischchen, vergebens nach entsprechenden Strukturen. Nun wurde eine Forschergruppe um Detlev Arendt vom EMBL in Heidelberg fündig. Beim Meeresringelwurm Platynereis dumerilii entdeckten die Biologen ein Pendant zu unserem Großhirn. Der Meeresringelwurm Platynereis dumerilii wird etwa drei Zentimeter groß und ist ein beliebter Modellorganismus von Molekularbiologen.Quelle: EMBL HeidelbergDas Ergebnis überrascht: Denn der nur wenige Zentimeter lange Meeresringelwurm - ein entfernter Verwandter des Regenwurms - befindet sich im Stammbaum weit weg von den Wirbeltieren. Sein Entwicklungsweg trennte sich bereits vor etwa 600 Millionen Jahren von dem des Menschen. Mindestens genauso alt müsse also die gemeinsame Anlage für unser Großhirn sein, folgern die Forscher.

Virtueller Gen-Atlas des Wurm-Pilzkörpers

Für ihre Studie entwickelten die Wissenschaftler eine neue Technologie, das sogenannte Cellular profiling by image registration (PrImR). Mit dieser Technik lässt sich der molekulare Aufbau und die Genaktivität in jeder einzelnen Zelle des Ringelwurmgehirns genau untersuchen. Zunächst markierten die Heidelberger Molekularbiologen verschiedene Genprodukte mit fluoreszierenden Farbstoffen und beobachteten so die Aktivität der Gene unter dem Mikroskop. Die verschiedenen Ergebnisse haben die Forscher in einem virtuellen Genaktivitäts-Atlas zusammengetragen. Dabei konzentrierten sie sich vor allem auf eine Hirnregion, die für die Verarbeitung von Geruchs- und anderen Sinnesreizen zuständig ist: den sogenannten Pilzkörper. Als sie dessen molekularen Fingerabdruck mit dem der Großhirne verschiedener Wirbeltiere verglichen, entdeckten die Forscher erstaunliche Ähnlichkeiten.

"Pilzkörper und Großhirn müssen einen gemeinsamen Vorläufer in der Evolutionsgeschichte gehabt haben", sagt EMBL-Forscher Raju Tomer. Diese Urstruktur bestand vermutlich aus einer Ansammlung dicht gepackter Zellen, die Geruchsinformationen verarbeiten und zugleich Bewegungen kontrollieren konnten. Die Urahnen orteten vermutlich mit Hilfe des Geruchssinns potentielle Nahrungsquellen, verarbeiteten die Informationen in ihrem Großhirnvorläufer und bewegten sich dann zielgerichtet auf die Nahrungsquelle zu.

Gemeinsamer Gehirnvorläufer vor 600 Millionen Jahren

"Diese Ergebnisse sind in zweierlei Hinsicht verblüffend", sagt Tomer. "Erstens: das Großhirn ist wesentlich älter als man sich bisher vorstellen konnte, wahrscheinlich genauso alt wie die höheren Tiere selbst." Zudem sei nun klar, dass sich die besonderen Nervenstrukturen in Anpassung an das Leben in den Meeren  des Präkambriums entwickelt haben - dem Zeitalter der Erdgeschichte vor etwa 4,6 Milliarden bis 540 Millionen Jahren. Bisher hatte man angenommen, dass sich die Pilzkörper von Weichtieren und das Großhirn der Wirbeltiere unabhängig voneinander entwickelt haben. Nach Ansicht der Heidelberger Forscher muss die Evolutionsgeschichte unseres Großhirns neu geschrieben werden.