287.000 Zellen zeigen, wie das Gehirn seine tiefsten Schaltkreise aufbaut

Einfach erklärt

Ein Forschungsteam hat untersucht, wie sich tiefe Bereiche des Gehirns vor und nach der Geburt entwickeln. Dafür wertete es Daten von fast 287.000 Zellen aus. Die Ergebnisse zeigen, dass manche Nervenzellen schon früh heranreifen und dass sich bei ihnen genetische Merkmale finden, die mit bestimmten psychischen Erkrankungen in Verbindung stehen. Das beweist keine Ursache, hilft aber, wichtige Entwicklungsphasen genauer zu erforschen.

Tief im Gehirn entstehen Schaltkreise, die Bewegung, Gewohnheiten und Reaktionen auf Belohnungen mitsteuern. Ihre Entwicklung beginnt lange vor der Geburt und zieht sich über Jahre hin. Nervenzellen entstehen zunächst in vorübergehenden Bereichen, wandern dann an ihren endgültigen Platz und verändern während ihrer Reifung, welche Gene sie nutzen. Eine neue Studie in der Fachzeitschrift „Cell“ zeichnet diese Entwicklung in den menschlichen Basalganglien umfassend nach und stellt bestimmte genetische Merkmale in Zusammenhang mit Erbanlagen, die bei psychischen Erkrankungen eine Rolle spielen könnten.

Warum die Entstehung der Basalganglien so schwer zu verfolgen ist

Die Basalganglien sind eine Gruppe tief im Gehirn gelegener Strukturen, keine einzelne Ansammlung von Nervenzellen. Ihre Schaltkreise helfen dabei, Bewegungen zu steuern, Gewohnheiten auszubilden und Belohnungen zu verarbeiten; auch einige Verhaltensweisen hängen mit ihnen zusammen. Störungen in diesen Netzwerken stehen deshalb mit ganz unterschiedlichen Erkrankungen in Verbindung – von Parkinson und Huntington bis hin zu Suchterkrankungen, Zwangsstörungen und Schizophrenie. Was die Schaltkreise im erwachsenen Gehirn leisten, verrät jedoch noch nicht, wie sie während der Entwicklung entstehen.

Einige Nervenzelltypen, die zu diesen Hirnregionen gehören, gehen aus embryonalen Ausstülpungen hervor, den sogenannten ganglionären Eminenzen. Diese Strukturen dienen vorübergehend als Entstehungsorte für Nervenzellen. Im Laufe der Entwicklung verändern sie sich und verschwinden; nach der Geburt sind sie in dieser Form nicht mehr vorhanden. Anhand eines erwachsenen Gehirns lässt sich daher nur schwer rekonstruieren, was dort früher geschah: Der ursprüngliche Entstehungsort ist verschwunden, und die Zellen haben bereits einen Teil ihrer Reifung und Wanderung hinter sich.

Die Herausforderung besteht nicht nur darin, den Ort einer Zelle oder die in ihr aktiven Gene zu bestimmen. Auch chemische Vorgänge, die beeinflussen, wie zugänglich Gene sind, sowie die Anordnung des Erbguts im Zellkern spielen eine Rolle. Die genetische Information kann zwar vorhanden sein – doch wie die DNA gefaltet ist und welche chemischen Markierungen sie trägt, trägt dazu bei, wann eine bestimmte Zelle diese Information ablesen kann.

Was sich hinter der Genaktivität verbirgt

Um diesen zusätzlichen Regulationsebenen auf die Spur zu kommen, nutzte das Forschungsteam ein Verfahren namens Einzelkern-Methyl-3C-Sequenzierung, kurz snm3C-seq. Damit lassen sich zwei Dinge zugleich erfassen: Muster der DNA-Methylierung, also chemische Markierungen, die mit der Regulation von Genen zusammenhängen, und die Kontakte zwischen Chromatinabschnitten im Zellkern. Chromatin ist das Material, aus dem DNA und die mit ihr verbundenen Proteine bestehen; seine räumliche Anordnung lässt sich dreidimensional untersuchen.

Diese Kombination ist wichtig, denn eine Liste der Gene, die in einer Zelle aktiv sind, zeigt nicht alle Vorgänge, die die Genaktivität steuern. Die Messung der Faltung des Erbguts liefert zusätzliche Hinweise darauf, welche Abschnitte im Zellkern nahe beieinanderliegen. Die Analyse der DNA-Methylierung wiederum gibt Aufschluss über einen Teil der regulatorischen Signale. So entsteht ein umfassenderes Bild der Veränderungen, die mit dem Übergang von einem frühen zu einem reiferen Zellzustand einhergehen – statt lediglich einer Momentaufnahme der Genaktivität.

Die Forschenden analysierten mehr als 155.000 Zellkerne aus neun sich entwickelnden menschlichen Gehirnen. Die Proben deckten Entwicklungsphasen ab, die ungefähr in der Mitte der Schwangerschaft begannen und bis zu einem Alter von sieben Monaten nach der Geburt reichten. Als das Team die neuen Daten mit bereits vorhandenen Datensätzen aus weiteren Entwicklungsphasen und von erwachsenen Gehirnen zusammenführte, umfasste der Analyseatlas insgesamt knapp 287.000 Zellen.

Die Arbeit stützte sich nicht auf eine einzige Messmethode. Das Team kombinierte Sequenzierungsdaten mit räumlichen Analysen der Genaktivität sowie mit der Untersuchung einzelner Chromatin- und RNA-Moleküle. Zusammengenommen helfen diese Ansätze, die Eigenschaften einer Zelle mit ihrem Standort und ihrer jeweiligen Entwicklungsphase in Verbindung zu bringen. Außerdem zeigen sie, wie die Entwicklung in den ganglionären Eminenzen und den daraus hervorgehenden Zellen gesteuert wird.

Nervenzellen reifen nicht alle im gleichen Tempo

Der Atlas macht deutlich, dass Zellgruppen aus unterschiedlichen Teilbereichen der ganglionären Eminenzen keinem einheitlichen Zeitplan folgen. Einige Nervenzelllinien hatten bereits bis zur Mitte der Schwangerschaft einen bestimmten molekularen Reifegrad erreicht. Andere Vorläuferzellen produzierten dagegen noch während der Säuglingszeit Nervenzellen, die nicht vollständig ausgereift waren.

Dieser Unterschied ist wichtig, wenn man die Entwicklung des Gehirns verstehen will: Sie lässt sich nicht als Prozess beschreiben, bei dem alle Zellen im gleichen Tempo voranschreiten. Jeder Zelltyp nimmt einen eigenen Weg. Während sich manche Reifungsschritte in einer Gruppe zeitlich überschneiden, können sie sich in einer anderen verzögern. Der Vergleich dieser Entwicklungsverläufe hilft dabei, die Besonderheiten einzelner Zelllinien zu erkennen, den Zeitpunkt ihres Auftretens einzugrenzen und nachzuverfolgen, wie sie sich verändern, wenn sie ihren Entstehungsort verlassen oder sich in den Zielschaltkreisen ansiedeln.

Besonders auffällig waren die mittelgroßen dornigen Nervenzellen, eine wichtige Gruppe von Zellen, die Signale aus Teilen der Basalganglien nach außen weiterleiten. Den Daten zufolge reifen sie deutlich koordinierter als benachbarte Nervenzelltypen. Molekulare Hinweise auf ihre spätere Funktion waren bereits ab der Mitte der Schwangerschaft zu erkennen. Das deutet darauf hin, dass der Aufbau ihrer Schaltkreise früh beginnt – noch vor der Geburt und nicht erst im Kindesalter.

Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass diese Zellen ihre endgültige Identität nicht auf einmal annehmen. Vielmehr bilden sich ihre Untertypen heraus, während sich zugleich die dreidimensionale Struktur des Genoms neu ordnet. Bei anderen Zelltypen verlief die Reifung weniger synchron. Dieser Vergleich ermöglicht es den Forschenden, den zeitlichen Ablauf regulatorischer Veränderungen als Teil der Zellidentität zu betrachten – und nicht bloß als Begleiterscheinung ihrer Entwicklung.

Eine vorübergehende Neuordnung nach der Geburt

Die Untersuchung erfasste auch Oligodendrozyten. Diese Stützzellen reifen heran und bilden die Myelinscheide um Nervenfasern. Die Hülle isoliert die Fasern und hilft dabei, die Weiterleitung von Signalen zu regulieren. Wenn unreife Vorläuferzellen sich zu myelinbildenden Zellen entwickeln, beobachtete der Atlas während der Säuglingszeit eine vorübergehend engere Anordnung des Chromatins.

Diese kurzzeitige Organisation ging mit einer erhöhten Transkriptionsaktivität einher – also damit, dass die Zellen mehr Abschriften der genetischen Information für ihre Nutzung herstellten. Die Beobachtung zeigt, dass die Faltung des Erbguts nicht unbedingt ein unveränderlicher Zustand ist, der eine Zelle dauerhaft prägt. Ein bestimmtes Muster kann in einer Übergangsphase auftreten und sich mit fortschreitender Differenzierung wieder verändern. Das ergänzt unser Verständnis davon, wie sich Stützzellen gleichzeitig mit den Nervenschaltkreisen nach der Geburt weiterentwickeln.

Die Bedeutung dieses Befunds liegt auch darin, dass Zellbeschreibungen häufig nur den Anfangs- und den Endpunkt gegenüberstellen: erst eine Vorläuferzelle, dann eine reife Zelle. Der Nachweis eines vorübergehenden Chromatinzustands macht dagegen einen möglichen Zwischenabschnitt sichtbar, in dem besondere regulatorische Vorgänge ablaufen. Der Atlas zeichnet die Entwicklung dadurch dynamischer: Die Organisation des Erbguts im Zellkern kann sich auf dem Weg verändern und ist nicht nur ein Merkmal der fertigen Zelle.

Wo zeigen sich Hinweise auf genetisches Risiko?

Nachdem sie den Atlas erstellt hatten, verglichen die Forschenden die Zellmerkmale mit Daten aus genomweiten Assoziationsstudien, kurz GWAS. Solche Studien suchen nach genetischen Varianten, die bei großen Gruppen unterschiedlich häufig auftreten und statistisch mit einer höheren Wahrscheinlichkeit für eine bestimmte Erkrankung zusammenhängen können. Ein solcher Zusammenhang an einer Stelle im Genom zeigt jedoch nicht automatisch, welche Zelle davon betroffen ist oder in welcher Lebensphase die Variante eine Rolle spielen könnte.

Der Vergleich der beiden Datensätze ergab, dass sich bei sich entwickelnden mittelgroßen dornigen Nervenzellen auffällig viele genetische Varianten finden, die mit Schizophrenie in Verbindung stehen. Auch zwischen bestimmten Untertypen dieser Zellen und Varianten, die mit einer bipolaren Störung zusammenhängen, zeigten sich deutliche Verbindungen. Darin liegt der Wert des Atlas: Er verortet genetische Hinweise in einem bestimmten Zelltyp und in einem Entwicklungsverlauf, der vom embryonalen Leben bis in die Zeit nach der Geburt reicht.

Das bedeutet jedoch nicht, dass mittelgroße dornige Nervenzellen Schizophrenie oder eine bipolare Störung verursachen. Die Studie untersuchte normales Entwicklungsgwebe und keine Proben von Erkrankten. Außerdem beweist ein genetischer Zusammenhang für sich genommen keinen ursächlichen Mechanismus. Die Ergebnisse grenzen vielmehr das Feld für weitere Forschung ein: Forschende können gezielter fragen, welche Zellen und welche Phasen beim Aufbau der Schaltkreise dafür relevant sein könnten, wie sich eine genetische Veranlagung auswirkt.

Diese Einschränkungen sind wichtig, damit die Ergebnisse nicht überinterpretiert werden. Der Atlas ist kein Test, mit dem sich vorhersagen lässt, wer eine psychische Erkrankung entwickeln wird. Ebenso wenig belegt er, dass bei jeder Person mit einer risikoverknüpften genetischen Variante eine bestimmte Veränderung auftritt. Er ist vielmehr eine Forschungsgrundlage, mit der sich die normale Entwicklung mit Beobachtungen aus Krankheitsmodellen oder späteren Studien vergleichen lässt. So könnte er helfen, molekulare Merkmale zu bestimmen, die eine genauere Untersuchung verdienen.

Ein Forschungsverbund schafft eine gemeinsame Referenz

Geleitet wurde die Arbeit von Forschenden der University of California, Los Angeles, der University of California, San Francisco, und der University of California, San Diego. Sie arbeiteten im Rahmen des Cell Atlas Network der Brain Initiative der US-amerikanischen National Institutes of Health, bekannt als BICAN. Zur wissenschaftlichen Leitung gehörten Chungyuan Luo und Jason Ernst von der UCLA, Mercedes Paredes von der UCSF sowie Eran Mukamel von der UCSD.

Die Studie erschien am 12. November 2026 in der Fachzeitschrift „Cell“. Ihr Titel beschreibt die Erstellung eines multimodalen Atlas auf Einzelzellebene für die Entwicklung der menschlichen Basalganglien. Finanziert wurde die Arbeit von den National Institutes of Health; zusätzliche Unterstützung kam von der Chan Zuckerberg Initiative. Der Umfang der Zusammenarbeit spiegelt die Größe der Aufgabe wider: Proben aus unterschiedlichen Altersstufen zusammenzutragen, mehrere Verfahren anzuwenden und die Ergebnisse so aufzubereiten, dass andere Forschende sie als Vergleichsgrundlage nutzen können.

Diese Referenz ist nützlich, weil sie drei Fragen miteinander verknüpft: Um welchen Zelltyp handelt es sich? Was verändert sich an der Organisation des Erbguts? Und in welcher Entwicklungsphase geschieht das? Antworten auf alle drei Fragen sind aussagekräftiger als eine bloße Liste aktiver Gene – besonders bei Zellen, die zunächst in einer vorübergehenden Struktur entstehen und später an einen anderen Ort wandern. Der Atlas kann zudem helfen, normale Entwicklungsmuster mit Ergebnissen künftiger Experimente zu vergleichen, ohne von vornherein anzunehmen, dass jeder genetische Zusammenhang zwangsläufig eine Erkrankung bedeutet.

Fazit

Der Atlas der Basalganglien zeichnet nach, wie unterschiedlich sich Nerven- und Stützzellen von der Mitte der Schwangerschaft bis in die Säuglingszeit entwickeln. In die Analyse flossen Daten zu knapp 287.000 Zellen ein. Dabei zeigte sich: Einige Zelltypen reifen früh, während andere auch nach der Geburt noch unreife Nervenzellen hervorbringen. Besonders die mittelgroßen dornigen Nervenzellen entwickeln sich früh und vergleichsweise koordiniert. Bei ihnen fanden sich außerdem genetische Hinweise, die mit Schizophrenie und teilweise auch mit einer bipolaren Störung in Verbindung stehen.

Die Ergebnisse erklären weder die Entstehung psychischer Erkrankungen abschließend noch belegen sie eine Ursache-Wirkungs-Beziehung. Sie geben künftigen Studien aber einen präziseren Ausgangspunkt: bestimmte Zelltypen, untersuchbare Zeitfenster und Veränderungen in der Genomorganisation. Gerade bei einer Hirnregion, deren Entwicklung sich nicht allein am erwachsenen Gehirn nachvollziehen lässt, eröffnet der Atlas einen Blick auf die Phase, in der die Schaltkreise erstmals aufgebaut werden.