Wissenschaftler bauten Miniaturgehirne, die den Zeitverlauf erleben können

Unser Gehirn besteht aus 86 Milliarden Neuronen und Billionen von Verbindungen zwischen ihnen. In einem etwa 1,4 Kilogramm schweren, gelartigen Gemisch aus Fett, Proteinen und Wasser erzeugen sie ein koordiniertes Gewitter aus Elektrizität und Chemikalien.

Warum die Entwicklung des menschlichen Gehirns schwer zu erforschen ist

Diese komplexe biologische Maschine, die uns Menschen ausmacht, benötigt rund 20 Jahre, um auszureifen – deutlich länger als bei den meisten anderen Arten.

Zusammen mit dem zusätzlichen Umstand, dass es sicher in unserem Schädel eingeschlossen ist, macht dies das sich entwickelnde Gehirn für Experimente nur schwer zugänglich.

Also bauen Forschende im Labor Gehirne nach – keine große Sache.

Wie in der Fachzeitschrift Nature beschrieben, haben Forschende Miniaturgehirne erzeugt, sogenannte Organoide. Diese können den Ablauf der Zeit „wahrnehmen“ und zellulär „speichern“, wie lange sie sich bereits entwickelt haben.

Nahaufnahme eines immunmarkierten Organoids für Marker verschiedener Zelltypen. (Irene Faravelli und Noelia Antón-Bolaños)

Diese aus Stammzellen hervorgegangenen Ansammlungen von Gehirnzellen gehören zugleich zu den langlebigsten bislang beobachteten Organoiden: Sie wurden fast sechs Jahre lang verfolgt. Dieser Zeitraum ist beispiellos, da frühere Organoid-Experimente häufig auf wenige Wochen oder Monate begrenzt waren.

„Die Arbeit zeigt, dass sich eine Vielfalt von Zellen in Organoiden über beträchtliche Zeiträume entwickeln kann und sowohl ihr Entwicklungsalter aufzeichnen als auch wieder abrufen kann“, erklären die Forschenden.

„Diese Systeme liefern eine Fülle von Daten über weitgehend undurchschaubare Phasen der postnatalen Entwicklung des menschlichen Gehirns.“

Verschiedene Bereiche eines Organoids, das zur Simulation von Reifungsprozessen des Gehirns entwickelt wurde. (Irene Faravelli und Noelia Antón Bolaños)

Zuvor hatten Wissenschaftler bereits hirnähnliche Organoide gezüchtet, darunter sogar solche, die rudimentäre Augen mitsamt signalübertragenden Hirnfasern ausbildeten.

Diese neue Arbeit stellt jedoch mindestens in zwei entscheidenden Punkten einen Fortschritt dar: bei der Lebensdauer und bei der Funktion.

Miniaturgehirne reifen über fast sechs Jahre

Mithilfe verschiedener genetischer, bildgebender und elektrophysiologischer Messungen untersuchte das Team die Reifung von Dutzenden Organoiden. Entscheidend war der Einsatz von DNA-Markern als „epigenetische Uhren“, mit denen sie belegten, dass die in Kultur gezüchteten Proben ähnlich wie echte Gehirne reiften.

Allerdings haben nicht alle Zelltypen in Organoiden die gleichen Überlebenschancen. Die meisten übergeordneten Zelltypen zeigten während des gesamten Experiments jedoch eine anhaltende molekulare Reifung. Das weist auf eine Übereinstimmung zwischen der Reifung des Gehirns in vitro und in vivo hin.

Dazu gehörte das Auftreten von Zellen wie den sternförmigen Astrozyten, die zur Stützung und Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke beitragen, sowie von Oligodendrozyten, die die fetthaltige Myelinscheide bilden, welche Nervenfasern isoliert.

Obwohl die Forschenden bei den für zentrale Gehirnfunktionen essenziellen, aber empfindlichen Neuronen einen fortschreitenden Rückgang feststellten, zeigten sie, dass Populationen dieser Zellen in Kultur nahezu sechs Jahre überleben können.

Entwicklung eines Organoids im Zeitverlauf. (Faravelli et al., *Nature, 2026)*

Wichtig ist auch, dass sie zeigten, wie sich Neuronen besser erhalten lassen: indem man sie spontan feuern lässt – ähnlich wie regelmäßige Bizeps-Curls helfen können, schlaffe Oberarme zu vermeiden.

Dieses Trainingsprogramm für Neuronen wird von einem spezialisierten Kulturmedium unterstützt, das die chemische Umgebung des zentralen Nervensystems genauer nachahmt.

Zelluläre Erinnerung an den Zeitverlauf

Am interessantesten ist vielleicht, dass Gehirnzellen den Ablauf der Zeit offenbar mittels „einer zelleigenen Uhr festhalten, die das Tempo der Gehirnentwicklung bestimmt, obwohl ihre molekularen Mechanismen und ihre funktionelle Bedeutung noch aufgeklärt werden müssen“, schreiben die Forschenden.

Um dies zu prüfen, zerlegten sie Organoide unterschiedlichen Alters in ihre einzelnen Zellen. Anschließend setzten sie diese zu „Chimeroiden“ wieder zusammen – winzigen, Frankenstein-ähnlichen Gebilden, die aus einer Mischung einzelner Bestandteile verschiedener Altersstufen zusammengesetzt waren.

Diese Chimeroide bewahrten eine zelluläre Erinnerung an ihr vorheriges Entwicklungsalter, obwohl sie zunächst zerlegt und dann erneut aggregiert worden waren.

So bildete etwa ein Chimeroid aus alten Zellen altersgerechte Nachkommen – neue Zellen wie Astroglia –, obwohl es nach dem Wiederzusammensetzen erst 15 Tage gereift war.

Bild eines Organoids aus jüngeren und älteren Zellen. Die jüngeren Zellen, die aus einem Organoid 15 Tage nach der Reaggregation stammen, sind rot dargestellt, Neuronen tiefer Schichten grün und Zellkerne blau. (Faravelli et al., *Nature, 2026)*

Wurden die Chimeroide zusätzlich mit jüngeren Zellen gemischt, verschoben sie sich zu etwas jüngeren molekularen Zuständen. Hinweise auf ihre frühere Entwicklungsgeschichte blieben jedoch erhalten.

Wenn ältere Vorläuferzellen also aus wieder zusammengesetzten alten Zellen bestanden, „erinnerten“ sie sich an die Zeit in Kultur. Sie übersprangen bereits absolvierte Schritte und erzeugten innerhalb von zwei Wochen Nachkommen, für die sie sonst zwei Monate gebraucht hätten.

Indem die Forschenden nachweisen, dass sich Organoide über derart lange Zeiträume erhalten lassen, schaffen sie schließlich eine Möglichkeit, ausgewählte molekulare, strukturelle und funktionelle Merkmale der postnatalen Reifung menschlicher Gehirnzellen zu modellieren.

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„Zusammen stellen Organoide, die über lange Zeiträume kultiviert werden, und die aus ihnen gewonnenen umfangreichen multimodalen Daten sowohl ein leistungsstarkes experimentelles System dar“, schließen die Forschenden, „als auch die Informationen, die nötig sind, um die weitgehend unerforschten Mechanismen zu verstehen, welche Neotenie, Reifung und Evolution des menschlichen Gehirns steuern.“

Diese Forschung wurde in Nature veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Rachel Garner faktengeprüft und von Rebecca Dyer redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prozess, aber wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.