Es geht auch ohne Neocortex
BLOG: Der Nesthocker
Der Neocortex oder auch Isocortex ist der stammesgeschichtlich jüngste und äußerste Teil der Großhirnrinde (Cortex cerebri) und ausschließlich bei Säugetieren zu finden. Bei Vögeln und Reptilien sucht man vergebens nach einem solchen antatomisch ähnlichem Hirnareal, das bei Säugetieren eine wichtige Rolle für die sensorische Wahrnehmung, die Ausführung von Bewegungsabläufen und verschiedenste kognitive Fähigkeiten spielt.
Wissenschaftler von der Universität Chicago haben nun im Gehirn von Zebrafinken Zellen identifiziert, die für ähnliche Funktionen wie jene des Neocortex bei Säugetieren verantwortlich sind. Dass es solche funktionell homologen Zellen im Gehirn der Vögel gibt, wird schon seit langer Zeit vermutet. Man findet sie in einer Hirnregion, die sich anatomisch stark vom mammalischen Neocortex unterscheidet und sich dorsal ventricular ridge (DVR) schimpft.
DVR und Neocortex entstammen ursprünglich aus dem Telencephalon, also dem Großhirn, nehmen aber im Verlauf der Entwicklung unterschiedliche Formen an. Der Neocortex ist aus sechs unterschiedlichen Schichten (cortical layers) aufgebaut, während die DVR aus Neuronenclustern besteht, die man auch als Nuclei bezeichnet. Diese Unterschiede ließen in der Vergangenheit Wissenschaftler immer wieder daran zweifeln, dass die DVR funktionell dem Neocortex der Säuger entspricht.
Bereits in den 1960er Jahren fand der Neurowissenschaftler Harvey Karten heraus, dass es trotz der großen anatomischen Unterschiede einige Gemeinsamkeiten im Verlauf der Nervenbahnen zwischen diesen Hirnarealen gibt.
Die Ergebnisse der nun durchgeführten Studie, die im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, bestätigen Kartens Hypothese, dass die DVR zumindest in funktioneller Hinsicht dem Neocortex der Säugetiere entspricht. Mittels molekularer Marker wurden spezifische Bereiche innerhalb des Neocortex identifiziert, die für Rezeption und Informationsweitergabe verantwortlich sind. Die gleichen Genmarker konnten auch in der von Karten beschriebenen Hirnregion bei Vögeln identifiziert werden. Genauso wie im Neokortex befinden sich diese für den neuronalen Input bzw. Output verantwortlichen Zellen an verschiedenen Stellen in den Clustern oder Nuclei der DVR.
Die Tatsache, dass anatomisch so unterschiedlich aufgebaute Teilbereiche des Gehirns eine sehr ähnliche funktionelle Aufgabe für einen Organismus übernehmen, ist vor allem für Neurowissenschaftler interessant, die sich mit der Evolution aber auch mit Beeinträchtigungen einzelner Hirnareale wie dem Neocortex beschäftigen. Auch Schildkröten wurden im Rahmen der Studie untersucht und auch bei ihnen wurden Zellen identifiziert, die in ihrer Funktionalität jenen des Neocortex ähneln. Bei den Schildkröten wurden diese Zellen aber nicht in verschiedenen Clustern bzw. kortikalen Schichten nachgewiesen, sondern nur in einer einfachen Schicht, dem dorsalen Kortex.
Heute wissen wir, dass Vögel zu ähnlichen und sogar höheren kognitiven Leistungen im Stande sind, als mit uns näher verwandte Tiere wie Primaten. Jetzt gilt es herauszufinden, worin genau die Vor- und Nachteile dieser funktionell ähnlichen, aber anatomisch unterschiedlichen Hirnregionen liegen.
Link zur Studie: “Cell-type homologies and the origins of the neocortex”
Geht’s wohl auch ohne Funktionalität?
Philipp Wagner schrieb (03. Oktober 2012, 19:40):
> Wissenschaftler von der Universität Chicago haben nun im Gehirn von Zebrafinken Zellen identifiziert, die für ähnliche Funktionen wie jene des Neocortex bei Säugetieren verantwortlich sind.
> Mittels molekularer Marker wurden spezifische Bereiche innerhalb des Neocortex identifiziert, die für Rezeption und Informationsweitergabe verantwortlich sind. Die gleichen Genmarker konnten auch in der von Karten beschriebenen Hirnregion bei Vögeln identifiziert werden.
Angesichts der festgestellten Gleichheit der Genmarker und der (sicherlich) festgestellten Funktion der betreffenden spezifische Bereiche innerhalb des Neocortex bei Säugetieren:
woraus ergäbe bzw. ergab sich denn eine Feststellung hinsichtlich der Ähnlichkeit der Funktion für die gleichermaßen markierten Zellen im Gehirn von Zebrafinken ?
Die Ähnlichkeit der Funktion dieser Zellen ergibt sich nach meinem Verständnis aus der Spezifität der Genmarker, die im Neocortex von Säugern In- bzw. Outputneuronen in unterschiedlichen Schichten (Layer 4 & Layer 5) identifizieren. So ähnlich ist das auch bei den Zebrafinken, nur dass die Zellen nicht in verschiedenen Schichten, sondern Clustern der DVR liegen.
Ohne Nobel-Preis-Leistungs-Verdacht
Philipp W. schrieb (10.10.2012, 18:13):
> In- bzw. Outputneuronen
Ah … danke für diese Klarstellung. (Ich hatte dem Blogbeitrag nicht entnehmen können, dass “Input” bzw. “Output” die Funktionalität einzelner Neuronen/Zellen meint, und
nicht die Gesamt-Funktionalitäten von “Neocortex” oder “DVR“, die sich
diesbezüglich wohl allgemein ähneln.)
> Die Ähnlichkeit der Funktion dieser Zellen ergibt sich nach meinem Verständnis aus der Spezifität der Genmarker […]
Ist denn die Entscheidung, ob eine gegebene Zelle “Inputneuron” oder
“Outputneuron” (oder keines von beiden) ist, überhaupt und einzig und allein durch die Anwendung der spezifischen Genmarker möglich?
Oder lässt sich das auch und vor allem von Zellen “an sich” (also ohne Verwendung solcher Genmarker) feststellen?;
zumindest im Prinzip, und tatsächlich zumindest für bestimmte Zellen im “Neocortex“.
p.s.
Eine Analogie, die ich mir schon länger zurechtgelegt hatte, die aber immer noch passend erscheint:
Bei jedem (ernsthaften) Fußballspiel sind die beiden Torhüter sehr spezifisch markiert; nämlich durch das Tragen ihrer besonderen Handschuhe. Sind ihre Funktionen im Spiel allein deshalb gleich, änhlich, oder ganz entgegengesetzt?
Nette Analogie…
Soweit ich weiß lässt sich das nicht nur durch Marker feststellen, sondern auch durch die Art und Weise der Vernetzung der Neuronen. Darauf basiert ja auch die Theorie von Harvey Karten, der damals in den 60ern molekulare Marker noch gar nicht kannte.
Die Analogie mit den spezifisch “markierten” Torhütern passt in diesem Fall ganz gut, finde ich. In einem Fußballspiel haben die beiden Spieler mit Handschuhen eine ähnliche (und mehr oder weniger entgegengesetzte) Funktion, nämlich das jeweilige Tor zu bewachen. Aufgrund der Position der Torhüter und ihrem Spielverhalten lässt sich aber auch auf ihre Funktion schließen. Das Wissen über die Position eines Spielers am Feld UND die Tatsache, dass er Handschuhe trägt, geben uns noch mehr Gewissheit, dass es sich um einen Torhüter handelt.
PS: Da ich mich in meinem Studium nicht so intensiv mit Molekularbiologie bzw. Genetik befasse, kann ich leider keine “Expertise” abgeben und Fragen dazu nur entsprechend meines momentanen Wissensstands beantworten.