Das menschliche Gehirn gilt seit Jahrhunderten als ein einziges Organ, das aus einem gemeinsamen Vorrat an Vorläuferzellen hervorgeht. Eine Studie der Stanford Medicine zeigt nun, dass das Gehirn aus zwei Anlagen entsteht, die sich schon im frühen Embryo trennen und danach nie vermischen. Die eine bildet die Bereiche für Sprache und Denken, die andere den Hirnstamm, der Atmung und Herzschlag steuert. Der Befund erklärt auch, warum ein wichtiger Zelltyp jahrzehntelang nicht im Labor gezüchtet werden konnte.
Wer an das Gehirn denkt, hat meist die gefaltete Oberfläche des Großhirns vor Augen, in der Sprache, Bewusstsein und abstraktes Denken entstehen. Anatomen unterscheiden jedoch drei große Abschnitte: das Vorderhirn, das Mittelhirn und das Rautenhirn, das am hinteren Ende des Schädels sitzt und häufig als Hirnstamm bezeichnet wird. Diese Region arbeitet weitgehend unbemerkt, hält den Körper aber am Leben. Sie steuert die Atmung, den Schlaf, den Herzschlag und das Hungergefühl. Außerdem lenken Nervenzellen des Rautenhirns die Muskeln von Gesicht, Zunge und Rachen und damit das Sprechen und das Schlucken. Trotz dieser deutlichen Arbeitsteilung galt es in der Entwicklungsbiologie als ausgemacht, dass alle drei Abschnitte auf eine gemeinsame Wurzel zurückgehen. Nach dem vorherrschenden Modell entsteht früh in der Embryonalentwicklung eine einzige Vorläuferzelle, aus deren Nachkommen sich das gesamte Organ nach und nach in seine Regionen gliedert.
Dieses Bild eines einheitlichen Ursprungs prägt Lehrbücher und Laborpraxis seit Jahrzehnten. Wer Nervenzellen einer bestimmten Hirnregion züchten wollte, versuchte deshalb, allgemeine Vorläuferzellen mit chemischen Signalen in die gewünschte Richtung zu lenken. Für viele Zelltypen des vorderen Gehirns gelingt das, bei den Zellen des Hirnstamms scheiterten Forscher dagegen immer wieder. Das ist mehr als ein technisches Ärgernis, denn gerade der Hirnstamm ist von schweren Erkrankungen betroffen, bei denen Patienten die Fähigkeit zu schlucken und zu atmen verlieren. Gewebe aus dem Hirnstamm lebender Menschen lässt sich nicht entnehmen, und ohne Zellen im Labor fehlt ein Modell, an dem sich Krankheitsverläufe verfolgen und Wirkstoffe prüfen lassen. Die neue Arbeit setzt deshalb nicht bei der fertigen Nervenzelle an, sondern bei den allerersten Schritten der Hirnentstehung, in denen der Embryo seine Grundform annimmt und die Weichen für alle späteren Organe gestellt werden.
Die Forscher um den Entwicklungsbiologen Kyle Loh untersuchten dazu die Gastrulation, jene frühe Phase, in der sich der Körperbauplan des Embryos festlegt. Grundlage waren Embryonen von Mäusen. Die Doktoranden Carolyn Dundes und Rayyan Jokhai stießen dabei auf zwei verschiedene Typen von Vorläuferzellen für das Gehirn. Die einen tragen ein aktives Gen namens Otx2 und bilden später das Vorderhirn und das Mittelhirn. Die anderen nutzen das Gen Gbx2 und sind von Beginn an auf das Rautenhirn festgelegt. Entscheidend ist, dass sich beide Zellgruppen nicht überschneiden, sondern sich von den frühesten Stadien an gegenseitig ausschließen. Der Hirnstamm entsteht demnach nicht als Ableger des vorderen Gehirns, sondern auf einem eigenen, parallelen Weg. Veröffentlicht wurden die Befunde zu den zwei Vorläuferzellen des Gehirns am 18. September 2026 in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience, beteiligt waren zudem das California Institute of Technology und die University of California in San Francisco.
Um zu verstehen, warum die beiden Zelltypen getrennte Wege gehen, analysierte das Team das Chromatin, also die Art, wie die Erbsubstanz im Zellkern verpackt ist. Über diese Verpackung legt eine Zelle fest, welche Gene leicht abgelesen werden können und welche weggeschlossen bleiben. Der Vergleich ergab ein deutliches Bild. Das vordere und das hintere Neuroektoderm, also das Ausgangsgewebe für Vorderhirn und Mittelhirn einerseits und für das Rautenhirn andererseits, unterscheiden sich grundlegend in ihrer Chromatinstruktur. Diese Unterschiede halten jede Vorläuferzelle auf ihrem Weg fest, vergleichbar mit Zügen auf zwei parallelen Gleisen, die sich niemals kreuzen. Die Trennung ist damit nicht nur eine räumliche Anordnung im Embryo, sondern in der molekularen Grundausstattung der Zellen verankert. Für die Frage, ob das Gehirn ein Organ oder zwei ist, liefert dieser Befund das stärkste Argument, denn eine gemeinsame Wurzel müsste sich auch in einer gemeinsamen Ausgangsprogrammierung der Zellen zeigen.
Aus dieser Erkenntnis folgt eine Erklärung für ein altes Problem der Stammzellforschung. Frühere Versuche, Nervenzellen des Rautenhirns zu züchten, zielten nach Einschätzung der Autoren darauf ab, Vorläufer des Vorderhirns und Mittelhirns in Zellen des Hirnstamms umzuwandeln. Genau das ist nach den neuen Daten nicht möglich, weil diese Zellen dafür schlicht nicht angelegt sind. Mit dem Wissen um den getrennten Ursprung gingen die Forscher anders vor. Sie lenkten menschliche pluripotente Stammzellen, die jeden Zelltyp des Körpers bilden können, gezielt über den zweiten Entwicklungsweg. So entstanden erstmals funktionsfähige motorische Nervenzellen des Rautenhirns im Labor. Die Zellen erzeugten elektrische Signale, sogenannte Aktionspotenziale, und bildeten Proteine, die typisch für jene Abschnitte des Hirnstamms sind, die Gesichtsmuskeln und Schluckmuskulatur steuern. Damit steht der Forschung erstmals ein Zellmodell zur Verfügung, das bislang unzugängliche Nervenzellen des menschlichen Hirnstamms nachbildet.
Anschließend prüften die Forscher, wie alt diese Zweiteilung ist, und blickten dafür über 550 Millionen Jahre Evolution zurück. Das gleiche Muster mit zwei Ursprüngen fanden sie bei Hühnern, bei Zebrafischen und bei Eichelwürmern, kleinen Bewohnern des Meeresbodens, die mit dem Menschen einen fernen gemeinsamen Vorfahren teilen. Noch weiter zurück führt der Blick auf Quallen, deren Linie sich vor etwa 600 bis 700 Millionen Jahren von der des Menschen trennte. Sie besitzen zwei Nervensysteme an verschiedenen Enden ihres Körpers. Nach Deutung des Teams hat die Evolution zwei bereits vorhandene Nervensysteme räumlich zusammengeschoben, statt ein neues, einheitliches Organ zu erschaffen. Ein einziges Organ wäre nach Einschätzung von Kyle Loh vermutlich effizienter, doch der Körper greift bis heute auf diesen urtümlichen Bauplan zurück. Schon vor mehr als 500 Millionen Jahren existierten demnach getrennte neuronale Systeme, die im heutigen Gehirn beinahe wie eine Einheit zusammenarbeiten.
Die praktische Bedeutung liegt vor allem bei Krankheiten, die den Hirnstamm treffen. Die spinale Muskelatrophie, kurz SMA, gehört zu den häufigsten genetisch bedingten Todesursachen bei Kindern im ersten Lebensjahr. Die amyotrophe Lateralsklerose, kurz ALS, wird meist zwischen dem 40. und dem 70. Lebensjahr diagnostiziert und betrifft sowohl das Vorderhirn als auch das Rautenhirn. Bei beiden Erkrankungen stellen bestimmte Nervenzellen des Hirnstamms nach und nach ihre Arbeit ein. Die Patienten verlieren die Fähigkeit zu schlucken, sodass Nahrung oder Flüssigkeit in die Lunge gelangen und eine Lungenentzündung auslösen kann, schließlich versagt die Atmung. Wie sehr das Schicksal des gesamten Körpers am Zustand einzelner Nervenzellen hängt, legt auch ein Rechenmodell nahe, nach dem die menschliche Lebensspanne eine feste Obergrenze besitzt. Mit im Labor gezüchteten Nervenzellen des Rautenhirns lässt sich nun untersuchen, was bei SMA und ALS im Einzelnen schiefläuft.
Einen unerwarteten Bezug sehen die Forscher zur Behandlung von Übergewicht. Im Rautenhirn liegen Schaltkreise, die den Hunger regulieren, und genau über diesen Weg wirken Abnehmmittel wie Semaglutid. Zellmodelle aus diesem Bereich könnten deshalb helfen, die Wirkung solcher Präparate genauer zu verstehen. Wie die Stanford Medicine in ihrer Mitteilung zur Zweiteilung des menschlichen Gehirns erläutert, wollen die Forscher als Nächstes klären, woher das Rückenmark entwicklungsgeschichtlich stammt und wie genau SMA und ALS die Nervenzellen des Hirnstamms schädigen. Langfristiges Ziel sind regenerative Therapien für diese bislang kaum behandelbaren Erkrankungen. Der Hirnstamm rückt damit von einer schwer zugänglichen Region in den Mittelpunkt der Laborforschung, denn Gewebe aus diesem Bereich lässt sich bei lebenden Menschen nicht gewinnen.
So klar das Ergebnis klingt, es beruht auf bestimmten Voraussetzungen. Die Trennung der beiden Vorläuferzellen wiesen die Forscher an Mausembryonen nach, nicht direkt an menschlichen Embryonen. Beim Menschen stützt sich der Befund auf Stammzellen im Labor und auf den Vergleich mit anderen Tierarten, bei denen dasselbe Muster auftritt. Zudem beschreibt die Formulierung von zwei Organen den getrennten Entwicklungsursprung, nicht die Arbeitsweise im Erwachsenen. Im fertigen Gehirn sind Vorderhirn, Mittelhirn und Hirnstamm eng verschaltet und arbeiten als Einheit. Wie unterschiedlich diese Zusammenarbeit bei einzelnen Menschen ausfallen kann, zeigen Befunde, nach denen nicht jeder Mensch eine innere Stimme im Kopf hat. Ob die gezüchteten Nervenzellen des Hirnstamms tatsächlich zu neuen Behandlungen führen, müssen weitere Untersuchungen zeigen. Für die Grundlagenforschung verschiebt die Studie dennoch den Blick, denn das Organ, das als Inbegriff der Einheit gilt, trägt die Spuren zweier Ursprünge in sich.
Nature Neuroscience, Two parallel neural ectoderm progenitors contribute to the developing brain; doi:10.1038/s41593-026-02433-7