Das Großhirn ist der höchstentwickelte Teil unseres Gehirns: Es macht den Menschen zu dem, was er ist – Lernen und alle Gedächtnisleistungen wären ohne das faltige Nervensystem nicht denkbar. Obwohl zahlreiche Wirbeltiere mit einem Großhirn und Großhirnvorläufern bekannt sind, ist es bislang nicht einmal bei unserem nächsten wirbellosen Verwandten, dem Lanzettfisch, gelungen, eine großhirnähnliche Struktur zu identifizieren. Wie also ist das Großhirn evolutionär entstanden?

Forscher um Detlev Arendt vom Europäischen Labor für Molekularbiologe (EMBL) in Heidelberg haben nun einen überraschenden Fund gemacht. Bislang glaubte man, dass die Ähnlichkeiten des Großhirns mit dem Gehirnäquivalent von Insekten und Ringelwürmern, dem Pilzkörper, unabhängig voneinander entstanden seien. Die Wissenschaftler aus Heidelberg wollen nun das Gegenteil bewiesen haben: Großhirn und Pilzkörper müssen aus einem gemeinsamen Vorläufer evolviert sein.

Sie untersuchten den Pilzkörper des Meeresringelwurms Platynereis dumerilii und stellten fest, dass dieses Nervennetzwerk dem Großhirn nicht nur weit gehend in Anatomie und Funktion entspricht, sondern dass auch die molekularen Ähnlichkeiten so groß sind, dass es sich nur um eine verwandte Struktur handeln kann.

Das unerwartete Ergebnis verdanken sie einer eigens entwickelten Methode: dem so genannten Cellular profiling by image registration (PrImR). Dazu markierten die Heidelberger Molekularbiologen Genprodukte mit fluoreszierenden Farbstoffen und beobachteten sie unter dem Mikroskop. Da verschiedene Individuen des Meeresringelwurms fast komplett im zellulären Aufbau des Pilzkörpers übereinstimmen, konnten die Wissenschaftler mehrere Gene gleichzeitig verfolgen. Sie machten unterschiedliche Gene an verschiedenen Individuen des gleichen Entwicklungsstadiums sichtbar und vereinigten die Ergebnisse in einem Modellpilzkörper. Am Ende hatten sie also ein Bild, in dem für jede Zelle des kompletten "Wurmhirns" die Aktivität der gewünschten Gene zu sehen war.

„Modellwurmhirn“  erstellt durch C<i>ellular profiling by image registration</i>, kurz PrImR
© EMBL/R.Tomer
(Ausschnitt)
 Bild vergrößern"Modellwurmhirn" erstellt durch Cellular profiling by image registration, kurz PrImR
Die linke Abbildung zeigt die Struktur des Pilzkörpers im Querschnitt. Rechts ist zudem die Genaktivität einzelner Zellen eingezeichnet. Es handelt sich jeweils um eine Verrechnung von Mikroskopbildern unterschiedlicher Individuen im gleichen Entwicklungsstadium.
Beim Meeresringelwurm untersuchten sie mit der PrImR-Technik Gene, die entscheidend an der Gehirnentwicklung beteiligt sind, und verglichen die Aktivierungsmuster mit denen eines Wirbeltiergroßhirns. Es stellte sich heraus, dass sowohl Pilzkörper als auch Großhirn aus Regionen entstehen, die über die Aktivität der Gene emx+ und pax6+ festgelegt werden. In beiden "Gehirnen" fanden sie Unterregionen, die sich schon von ihrer Lage ähneln, vor allem aber im molekularen Fingerabdruck übereinstimmen – die gleiche Kombination von Entwicklungsgenen ist also aktiv. Diese Ergebnisse, sagen die Forscher, deuten stark auf einen gemeinsamen Ursprung hin.

Der Vorfahr von Ringelwurm und Wirbeltier – die schon seit 600 Millionen Jahren getrennte evolutionäre Wege gehen – hatte wohl eine etwas primitivere Gehirnstruktur als der Pilzkörper. Er nutze diese wahrscheinlich, um Essbares von nicht Essbarem zu unterscheiden. Möglicherweise konnte er sein Verhalten auch auf Grund von Erfahrungen verändern, war also zu einer frühen Form des Lernens fähig. (vk)