Stammzellforschung Gehirne im Tank

Querschnitt durch ein vier Millimeter großes künstliches Gehirn: Die Nervenzellen sind grün eingefärbt, und die Stammzellen, aus denen sie sich entwickeln, in Rot. Foto: Madeline Lancaster
Querschnitt durch ein vier Millimeter großes künstliches Gehirn: Die Nervenzellen sind grün eingefärbt, und die Stammzellen, aus denen sie sich entwickeln, in Rot. Foto: Madeline Lancaster

Die Szene erinnert an den Film „Matrix“: In einem Bioreaktor schwimmen menschliche Gehirne. Sie sind nur so groß wie eine Erbse und dienen als Modell, um neurologische Krankheiten zu untersuchen. Aber können sie wachsen – und anfangen zu denken?

Wissenschaft: Alexander Mäder (amd)
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Stuttgart - Wenn man die Zellen sich selbst überlässt, sagt Jürgen Knoblich, dann organisieren sie sich. Sie spezialisieren sich auf bestimmte Aufgaben und bilden zusammen ein Organ oder zumindest einen Teil davon. Der Wissenschaftler muss bloß die Umgebung für die Zellen so gestalten, dass sie sich wohlfühlen. Mit Darmzellen ist das zum Beispiel schon gelungen. Knoblich hat sich mit seinem Team nun am Gehirn versucht. In seinem Labor in Wien seien Hunderte von menschlichen Miniaturhirnen entstanden, die nun seit einem Jahr in einem Bioreaktor leben, berichtet er nun mit seinem Team im Fachmagazin „Nature“.

Das erinnert an den Kinofilm „Matrix“ und das zugrunde liegende philosophische Gedankenexperiment der Gehirne im Tank: Wäre es nicht möglich, dass uns die Außenwelt nur vorgespielt wird, während unsere Gehirne in einer Nährlösung schwimmen? Doch Knoblichs Gehirne – er selbst nennt sie Organoide – sind nicht an einem Computer angeschlossen. Sie seien einem echten Gehirn durchaus ähnlich, sagt Knoblich, aber dann doch wieder ganz anders. Da ist vor allem die Größe: Die Minihirne sind nur drei oder vier Millimeter groß und damit kleiner als eine Erbse. Knoblich vergleicht sie mit dem Gehirn eines neun Wochen alten Fötus. In diesem Stadium lassen sich schon erste Regionen des Gehirns unterscheiden.

Genug Geld, um nicht auf den Erfolg angewiesen zu sein

Knoblich stammt aus Memmingen und hat in Tübingen Biochemie studiert. Heute arbeitet der 49-Jährige am Institut für Molekulare Biotechnologie in Wien, einer Forschungseinrichtung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Er hat 2009 den Wittgenstein-Preis erhalten, die höchste wissenschaftliche Auszeichnung des Landes, und wenige Wochen später ein Stipendium des Europäischen Forschungsrats. Zusammen waren das rund vier Millionen Euro – genug Geld, um auch Projekte anzugehen, die leicht scheitern können. Die Erfolgsaussichten des Gehirnprojekts habe er auf 20 Prozent geschätzt, erzählt er.

Aber die Aussicht, mit einem Gehirnmodell neurologische Krankheiten zu erforschen, hat ihn gereizt. Mit seiner Mitarbeiterin Madeline Lancaster, die nach ihrer Promotion aus den USA an sein Labor gekommen ist, hat er die Umgebung für die Zellen gestaltet. Madeline Lancaster hat die Ideen dann im Labor umgesetzt. Zwei technische Kniffe haben die beiden ausgenutzt: Sie haben sich bei der Firma BD Biosciences kleine Gerüste gekauft, auf denen Zellen wachsen können, und diese nach vier Tagen in einen Bioreaktor gegeben, in dem eine Schraube die Nährlösung ständig in Bewegung hält. Es habe eine Weile gedauert, bis alle Faktoren passten. „Die Kunst“, sagt Knoblich, „ist die richtige Kombination.“ Die ersten Gehirne seien noch recht schnell zerfallen.

Ausgangspunkt für die Forscher sind Stammzellen, also Zellen, die nicht auf besondere Aufgaben im Körper spezialisiert sind. Aus ihnen können sich noch alle möglichen Zelltypen entwickeln – beispielsweise Zellen für den Herzmuskel, die Leber oder das Gehirn. Aus ihnen wuchsen innerhalb eines Monats die erbsengroßen Gehirne. Seit einigen Jahren ist es auch möglich, normale Zellen des Körpers in den Zustand einer Stammzelle zurückzuversetzen (solche Zellen werden dann „induziert pluripotent“ genannt oder kurz iPS-Zellen). Das haben die Forscher in einem Fall versucht: Sie haben einem Patienten, der an Mikrozephalie leidet, Hautzellen entnommen. Diese Zellen haben sie dann in Stammzellen umprogrammiert und daraus kleine Gehirne gezüchtet – gewissermaßen geklonte Gehirne mit der DNA des Patienten.

Der Patient hat einen sehr kleinen Kopf

An ihnen wollten sie zeigen, wie sich neurologische Krankheiten untersuchen lassen. Menschen mit Mikrozephalie haben einen sehr kleinen Kopf, ein entsprechend kleines Gehirn und sind geistig behindert. Bei dem Versuchspatienten geht die Krankheit auf einen genetischen Defekt zurück. Die Mikrozephalie eignet sich als Beispielfall für die Modellgehirne, da Mäuse, die üblichen Versuchstiere, nicht dieselben Symptome entwickeln wie Menschen. An vier der geklonten Minihirne verfolgten die Forscher die Entwicklung genauer. Sie entdeckten, dass sich vergleichsweise schnell fertige Nervenzellen bilden, während normale Gehirne erst einmal große Mengen Vorläuferzellen erzeugen. Diese Vorläuferzellen führen möglicherweise dazu, dass in einem normalen Gehirn am Ende mehr Nervenzellen entstehen als bei einem Menschen mit einem genetischen Defekt, der Mikrozephalie auslöst.

Der Stammzellforscher Oliver Brüstle vom Forschungsinstitut Life & Brain Center in Bonn nennt die Arbeit „faszinierend“. In einem Kommentar im Magazin „Nature“ hebt er die Ähnlichkeiten zwischen Minigehirn und echtem Gehirn hervor. Mancher Schritt beim Wachsen des Gehirns werde im Labormodell gut nachgebildet, und einige Regionen eines echten Gehirns seien zu erkennen, auch wenn sie räumlich nicht so angeordnet sind wie im Vorbild der Natur. Brüstle geht aber nicht so weit wie Knoblich, der auch die Erforschung von Schizophrenie und Autismus für möglich hält, weil deren Ursprünge in der Entwicklung des Gehirns liegen. Brüstle spricht nur allgemein von der Chance, neurologische Leiden zu untersuchen.

Das Gehirn braucht Input der Sinnesorgane

Aber auch Jürgen Knoblich bemüht sich, nicht zu viel zu versprechen. Die Minihirne sind nicht wie das echte Gehirn von Adern durchzogen, über die alle Nervenzellen mit dem versorgt werden, was sie zum Leben brauchen. Weil die Nährflüssigkeit im Bioreaktor ständig in Bewegung gehalten wird, dringen die Nährstoffe zwar in die künstlichen Gehirne ein, aber größer als vier Millimeter können die Organoide derzeit nicht werden, weil sonst die innersten Zellen verhungern würden.

Doch das ist kein prinzipieller Einwand. Es ist gut möglich, dass es Forschern gelingen wird, diese Hürde zu überwinden und die künstlichen Gehirne weiter wachsen zu lassen. Könnten die Gehirne dann nicht auch beginnen, Empfindungen zu verarbeiten oder gar zu denken? Langfristig vielleicht schon, gibt Knoblich zu und beeilt sich zu sagen, dass er dieses Forschungsziel ethisch für falsch halten würde. Und er verweist lieber auf eine weitere Hürde: Das Gehirn, erklärt er, entwickle sich nur richtig, wenn es von den Sinnesorganen mit Empfindungen versorgt werde. Selbst wenn also die künstlichen Gehirne weiter wachsen könnten, wäre damit noch nicht gesagt, dass sie ähnlich funktionieren wie ein menschliches Gehirn.

Der Psychiater Dean Burnett von der britischen Cardiff-Universität vergleicht das künstliche Gehirn mit einem Abakus: Zu behaupten, dass das Hirnmodell die Fähigkeiten eines echten Gehirns simuliere, sei etwa so, als würde man sagen, auf dem Abakus laufe die neueste Windows-Version, wird Burnett von der britischen Agentur Science Media Centre zitiert. Das menschliche Gehirn besteht aus knapp 100 Milliarden Nervenzellen, die jeweils mit durchschnittlich 1000 anderen Nervenzellen verbunden sind. Manche der fadenartigen Verbindungen zwischen den Zellen reichen durch das ganze Gehirn. Für Nachahmer eine unvorstellbare Herausforderung. Aber könnten nicht schon weniger komplexe Gehirne denken? Jürgen Knoblich wird die Spekulation am Ende zu viel: „Ich bin Wissenschaftler“, sagt er, „und kein Prophet.“

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