Zwei-Achsen-Anordnung: Was unser Gehirn formt

Eine Achse erstreckt sich demnach vom hinteren zum vorderen Stirn­be­reich der Großhirn­rinde, dem Cortex. Daran spiegelt sich eine Hierarchie der Funktionen wider – von grund­le­genden Fähig­keiten wie Sehen und Bewegung bis hin zu abstrakten, hochkom­plexen Fähig­keiten wie Kognition, Gedächtnis und sozialen Fähig­keiten. Senkrecht dazu führt eine zweite Achse von der Hirnober­fläche (dorsal) in die Tiefe des Cortex (ventral). An der Oberfläche finden sich demnach eher Netzwerke, die Raum, Zeit und Bewegung verar­beiten, in der Tiefe eher solche, die sich auf Bedeutung und Motivation fokussieren.

»Inter­es­san­ter­weise stimmt diese vertikale Anordnung mit der seit langem vermu­teten Hypothese des doppelten Ursprungs überein«, sagt Sofie Valk, Forschungs­grup­pen­lei­terin am MPI CBS und am Forschungs­zentrum Jülich sowie Erstau­torin der Studie, die jetzt in Science Advances veröf­fent­licht wurde. Nach dieser Hypothese entwi­ckelte sich die Großhirn­rinde aus zwei verschie­denen Ursprüngen – der Amygdala und dem olfak­to­ri­schen Cortex einer­seits und dem Hippo­campus anderer­seits. Daraus ergaben sich zwei verschiedene Entwick­lungs­linien, die Wellen von weniger zu stärker diffe­ren­zier­teren Bereichen wider­spiegeln. Frühere Studien hatten solche Unter­schei­dungen zwar schon bei nicht­mensch­lichen Primaten und anderen Säuge­tieren gefunden. Die Wissen­schaftler um Valk waren jedoch die ersten, die sie für den mensch­lichen Cortex nachwiesen. Neben der Längs­achse scheint diese senkrechte Achse damit ein zweites wichtiges Organi­sa­ti­ons­prinzip zu sein.

Bestimmt wird diese Zwei-Achsen-Organi­sation wiederum weitgehend durch die genetische Beziehung der Hirnre­gionen zuein­ander, also durch gemeinsame genetische Effekte während der Entstehung. Das Prinzip scheint dabei, so ein weiteres Ergebnis der Studie, evolu­tionär sehr stabil zu sein. Denn der Vergleich mit den Gehirnen von Makaken zeigt ähnliche Achsen. »Für die Gestaltung unseres Gehirns sind also die Evolution und die Gene die entschei­denden Faktoren«, erklärt Valk. »Gleich­zeitig dürfen wir aber nicht vergessen, dass auch die Umwelt eine wichtige Rolle für dessen Ausge­staltung spielt.« In der aktuellen Studie hätten sie sich zwar speziell auf die geneti­schen Effekte konzen­triert. Andere Arbeiten ihres Teams hätten jedoch gezeigt, dass etwa auch Verhal­tens­training die Gehirn­struktur verändern können. Weitere Studien sind nun geplant, um zu verstehen, wie diese verschie­denen Faktoren zusammenwirken.

Die Haupt­achsen der Gehirn­or­ga­ni­sation zu verstehen, ist wie ein Kompass und kann helfen, sich im Gehirn besser zurecht­zu­finden. »Wir können die Entwicklung und Funktion bestimmter Regionen besser verstehen und die Auswir­kungen von Hirnstö­rungen besser beurteilen«, so Valk. Frühere Studien hätten etwa heraus­ge­funden, dass sich die Organi­sa­ti­ons­achsen von Personen mit Autismus-Spektrum-Störung von denen Gesunder unterscheidet.

Unter­sucht haben die Wissen­schaftler diese Zusam­men­hänge auf verschie­denen Ebenen. Zunächst verwen­deten sie eineiige und zweieiige Zwillinge sowie nicht verwandte Personen, um zu model­lieren, wie stark die Organi­sation des Gehirns genetisch bestimmt ist. Sind etwa bestimmte Verwandt­schafts­be­zie­hungen bei eineiigen Zwillingen stärker als bei anderen Geschwistern, ist das vermutlich auf genetische Faktoren zurück­zu­führen. Mithilfe dieser Perso­nen­gruppen ermit­telten sie, wie die Dicke des Cortex innerhalb einer Gruppe mitein­ander korre­lierte. Das lieferte ihnen Infor­ma­tionen darüber, wie die verschie­denen Hirnre­gionen struk­turell und entwick­lungs­ge­schichtlich mitein­ander in Beziehung zuein­ander stehen. Anhand dieser Infor­ma­tionen über die Verwandt­schafts­ver­hält­nisse zwischen verschie­denen Hirnre­gionen berech­neten sie schließlich die Haupt­achsen, entlang derer genetisch ähnliche Hirnstruk­turen organi­siert sind. Zusätzlich dazu verglichen sie die Gehirn­or­ga­ni­sation beim Menschen mit der bei Makaken. Als sie hier ähnliche Achsen fanden, schluss­fol­gerten sie, die Organi­sation ist über die gesamte Prima­ten­evo­lution hinweg konserviert.

Origi­nal­pu­bli­kation:

Sofie L. Valk, Ting Xu, Daniel S. Margulies, Shahrzad Kharabian Masouleh, Casey­Pa­quola, Alexandros Goulas, Peter Kochunov, Jonathan Smallwood, B.T. Thomas Yeo, Boris C. Bernhardt, Simon B. Eickhoff / Shaping Brain Structure: Genetic and phylo­ge­netic axes of macro-scale organization of cortical thickness / Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.abb3417

Textquelle: Verena Müller, Max-Planck-Institut für Kogni­tions- und Neurowissenschaften

Bildquelle: (oben) Das mensch­liche Gehirn ist entlang zweier Achsen organi­siert. Dieses Prinzip scheint sich durch die Hirnor­ga­ni­sation aller Primaten zu ziehen. Grafik: Valk/ MPI CBS

Bildquelle: (unten) Die genetisch-evolu­tio­nären Achsen, die die großräumige Organi­sation des Gehirns prägen. A) Die Achsen beim Menschen, entlang derer die genetische Korre­lation der Cortex-Dicke organi­siert ist B) Die Achsen beim Makaken, entlang derer die Cortex-Dicke covariiert. Gleiche Farben in A und B zeigen, dass die Haupt­achse beim Menschen mit der zweiten Achse beim Makaken und die zweite Achse beim Menschen mit der ersten Achse beim Makaken korre­spon­dieren. Regionen mit gleicher Farbe haben ein ähnliches Kovari­anz­muster, ähneln sich als genetisch mehr als Regionen unter­schied­licher Farbe. Grafik: Valk/ MPI CBS