Biointelligenzbestie? Mini-Gehirne und was sie auf dem Kasten haben

Einkommendes Signal – Augen haben Bild wahrgenommen – intelligente Assoziierung wird eingeleitet – Information wird verarbeitet. Es ist ein Hund. Soeben haben meine Augen unseren lebhaften und verschmusten Familienhund Bernstein wahrgenommen. Fröhlich hechelnd liegt er unter einem saftig grünen Apfelbaum.
Möglichmacher ist unser Gehirn. Aber wie funktioniert die komplexe Verschaltung in dem Netzwerk Abermillionen von Nervenzellen, aus denen unser Gehirn besteht? Brandaktuelles Stichwort in der Forschung sind Organoide!

Grundsätzliche haben die Miniaturorgane an Popularität gewonnen – und das zu Recht. Sie gelten als vielversprechende Modelle zur Erforschung der menschlichen Physiologie und liefern wichtige Erkenntnisse zur Entstehung von Erkrankungen. Am NMI Naturwissenschaftlich und Medizinischen Institut in Reutlingen wurde nun in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster und der Universität von Osnabrück eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, die Aktivität von Gehirn-Organoiden besser aufzuzeichnen. Dennoch ist die gewebeartige, dreidimensionale Struktur des Organoids dem menschlichen Gehirn nicht gleichzusetzen.

Woraus bestehen diese Mini-Gehirne eigentlich?

Gehirn-Organoide sind Zellzusammenlagerungen aus Nervenzellen. Die Zellen, die als Grundbausteine für die Bildung des Gehirn-Organoids nötig sind, werden aus menschlichen, sogenannten pluripotenten Stammzellen generiert. Diese pluripotenten Zellen können sich in alle Zelltypen des Körpers entwickeln. Im Grunde handelt es sich bei den Mini-Gehirnen um eine zufällige Anordnung von Nervenzellen. Neben Nervenzellen können aber auch andere Zelltypen integriert werden, die beispielsweise eine verbesserte Nährstoffversorgung ermöglichen. Stück für Stück lagern sich die Zellen aneinander und ergeben eine komplexe Verschaltung. Auf diese Weise lassen sich nicht nur »kleine Gehirne«, sondern auch andere »Organe« in der Petrischale heranzüchten. Zwar bilden die Neurone untereinander ein vereinfachtes Netzwerk aus, allerdings besitzen sie nicht die Fähigkeit, gerichtet Aktivitäten zu steuern. Gedanken, wie sie in einem menschlichen Gehirn entstehen, können innerhalb der etwa 0,5-4 mm großen »Zellklumpen« also nicht entstehen.

Das Gehirn ein Networking-Talent!

Grundsätzlich entsteht die Komplexität des Gehirns durch die Netzwerkaktivität Abermillionen von Zellen. Diese Signale sind als elektrische Aktivität über Elektroden messbar und codieren alle eingehenden, zu prozessierenden und ausgehenden Informationen. Sie erinnern sich an den beispielhaften Wahrnehmungsprozess von Bernstein zu Beginn des Artikels? Jedes Gehirnareal kommt einer anderen Aufgabe nach. Ein Signal kommt an, wird von diversen Gehirnstrukturen bearbeitet und in einem weiteren mit dem niedlichen Familienhund assoziiert. In einem Gehirn-Organoid gibt es keine unterschiedlichen Areale, welche Gedanken abbilden können. Elektrische Aktivitäten sind trotzdem messbar. Sind diese Aktivitäten vergleichbar mit denen im menschlichen Gehirn? – Nein. Der Unterschied ist die Menge und Regelmäßigkeit. Die kleinen Mini-Gehirne zeigen nur spontane und deutlich geringere Aktivitäten.

Hängematte fürs Mini-Gehirn

Eine Herausforderung bei den kleinen Mini-Gehirnen: die kleine, rundliche Struktur. Diese erschwert die Messung der spontanen elektrischen Signale.  Die Komplexität im Inneren des Organoids lässt sich mit gängigen Messsystemen nur unzureichend beschreiben. Invasive Elektroden, die das Netzwerk zerstören, oder eine limitierte Elektroden-Anzahl beeinträchtigen die Messung.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, hat die Gruppe um Dr. Peter D. Jones, Gruppenleiter der Biomedizinischen Mikro- und Nanotechnik am NMI in Reutlingen, eine kleine, netzartige »Hängematte« konstruiert, in welcher eine Vielzahl an Mikroelektroden eingebettet sind. Platziert man das Organoid auf der Hängematte, beginnt es durch die Maschen des Netzes zu wachsen. Die integrierten Elektroden verschwinden im Inneren des Mini-Gehirns und können dort Aktivitäten aufzeichnen. Eingebettet in die Mikroelektroden-Hängematte, können die Gehirn-Organoide über ein Jahr kultiviert werden. Dies ermöglicht Aktivitätsmessung während der Entwicklung und Wachstum des Zellaggregats. In Zukunft könnte man neben der Integration von chemischen Sensoren zur Überwachung des biochemischen Milieus ebenfalls eine dreidimensionale Gerüststruktur konzipieren, um noch mehr Messpunkte in einem Organoid zu ermöglichen.

Wozu das Ganze?

Ergebnisse solcher Aktivitätsmessungen geben Aufschluss über die Grundlagen neuronaler Netzwerkaktivität und liefern wertvolle Daten über die Entwicklung neuronaler Verknüpfungen. Erkenntnisse wie diese sind wichtig, da die neuronale Forschung in anderen Modellsystemen ethisch höchst umstritten ist. Primaten-Experimente und menschliche Modelle gelten in vielerlei Hinsicht als ethisch nicht vertretbar. Allerdings müssen wir Fortschritte beim Verständnis und der Behandlung neurologischer Erkrankungen machen. Organoide sind biologisch menschlich, aber ansonsten weit davon entfernt, ein Mensch zu sein. Das Miniaturgehirn überwindet die Problematik unethischer, menschlicher Modelle und leistet einen großen Beitrag zur innovativen In-vitro-Forschung.

Ist es nicht schön, die Welt wahrnehmen zu können und den Hund nebst saftig grünem Apfelbaum zu sehen? Was denken Sie jetzt? Teilen Sie sich gerne mit, wir freuen uns über Ihre Gedanken!

Wissenschaftliche Inhalte für die breite Masse verständlich machen, diese Herausforderung hat Pauline schon immer Spaß gemacht. Aus diesem Grund ist sie auch kurzer Hand nach ihrer Promotion in die Presse- und Öffentlichkeitsarbeit des NMI eingetaucht um nun ihr Fachwissen mit dem Journalismus zu verknüpfen. Raus aus dem Labor, rein ins Netzwerken, Planen und kreative Schreiben!

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