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Jeden Winter vollbringt die Waldspitzmaus (Sorex araneus) eine biologische Leistung, die wie Science-Fiction klingt: Sie reduziert ihr Gehirnvolumen um etwa 30 Prozent, um Energie zu sparen, und stellt das ursprüngliche Volumen im Frühjahr wieder her. Aktuelle genomische Studien verfolgen die evolutionären und molekularen Pfade hinter dieser reversiblen Gehirnschrumpfung und liefern Hinweise, die für die Forschung an menschlichen Neurodegenerationen relevant sein könnten. Diese Forschung verbindet Felddaten, vollständige Genomassemblierungen und saisonale Expressionsprofile und eröffnet neue Perspektiven für das Verständnis von Gehirnplastizität, Energiestoffwechsel und Schutzmechanismen gegen zellulären Stress.
Was ist das Dehnel‑Phänomen und warum ist es wichtig?
Das saisonale Schrumpfen und Wiederanwachsen von Hirngewebe wird als Dehnel‑Phänomen bezeichnet, benannt nach dem polnischen Zoologen August Dehnel, der dieses Muster erstmals beschrieb. Es ist unter Säugetieren selten, aber nicht ausschließlich auf Spitzmäuse beschränkt: Auch europäische Maulwürfe, Hermeline und andere kurzlebige Insektenfresser zeigen ähnliche saisonale Reduktionen des Gehirnvolumens. Diese Arten teilen häufig Merkmale wie sehr hohe Stoffwechselraten, einen kontinuierlichen Aktivitätsrhythmus ohne echten Winterschlaf und eine Lebensweise mit hohem Energiebedarf, was sie zu Kandidaten für extreme Anpassungsstrategien macht, wenn das Nahrungsangebot im Winter knapp wird.
Aus praktischer Sicht senkt eine Verringerung von Gehirn- und Körpergröße die täglichen Energieanforderungen deutlich, weil weniger Gewebe versorgt werden muss und damit der Gesamtenergieverbrauch sinkt. Biologisch stellt die reversible Schrumpfung jedoch ein Rätsel dar: Wie können Tiere bis zu einem Drittel ihres Hirnvolumens verlieren, ohne dauerhaften Neuronenverlust, Funktionsausfälle oder kognitive Beeinträchtigungen zu erleiden? Die Antwort deutet auf eine Kombination aus reversiblen Veränderungen des Wasserhaushalts, dynamischer Regulierung der Blut‑Hirn‑Schranke, strukturellen Anpassungen an Zellen und Gewebe sowie einem streng kontrollierten genetischen Programm hin, das Zellen schützt und gleichzeitig Gewebevolumina reduziert.
Wissenschaftlich hat das Dehnel‑Phänomen Bedeutung auf mehreren Ebenen: als Modell für extreme physiologische Plastizität, als Beispiel für adaptive Energiesparstrategien bei Kleinsäugern und als potenzieller Fundus für molekulare Mechanismen, die bei Stressresistenz, DNA‑Reparatur und Zellschutz eine Rolle spielen. Für Forschungen zu neurodegenerativen Erkrankungen, bei denen neuronaler Tod und irreversible Volumenverluste typisch sind, ist das Phänomen besonders interessant, weil es zeigt, dass Gehirngewebe unter bestimmten Bedingungen reversible Größenänderungen ohne dauerhaften Schaden tolerieren kann.
Genetische Hinweise aus einem vollständigen Spitzmaus‑Genom
Um die Gene aufzuspüren, die diese saisonale Plastizität steuern, hat ein Team unter der Leitung des Ökologen William Thomas (Stony Brook University) ein vollständiges Genom der Waldspitzmaus zusammengesetzt und dieses mit Genomen anderer Arten verglichen, die das Dehnel‑Phänomen zeigen. Die Arbeit baut auf vorangegangenen Studien auf, die saisonale Veränderungen der Genexpression in verschiedenen Hirnregionen profiliert hatten (z. B. mittels RNA‑Sequencing), und ergänzt diese Analysen durch vergleichende Genomik, Signalpfad‑Analysen und Funktionsannotation.
Die genomische Analyse zielte darauf ab, evolutiv konservierte Signaturen zu finden — Gene und Regulationsnetzwerke, die wiederholt in Arten mit reversibler Gehirnschrumpfung aktiviert werden. Solche konservierten Muster deuten auf funktionelle Relevanz hin und liefern Hypothesen darüber, welche molekularen Prozesse zur Volumenreduktion beitragen, wie Zellen vor Schäden geschützt werden und wie das Gehirn seine Funktionen über den saisonalen Zyklus hinweg wiederherstellt.
Welche Gene stechen hervor?
- Gene, die mit Neurogenese und neuronaler Plastizität verbunden sind, zeigten über mehrere Arten hinweg eine hochregulierte Expression. Das spricht für ein konserviertes genetisches Programm, das die reversible Remodellierung von Hirnstrukturen unterstützt, einschließlich gesteuerter Neubildung oder Reorganisation synaptischer Verbindungen.
- Das VEGFA‑Gen, bekannt für seine Rolle in der Gefäßentwicklung und der Regulierung der Durchlässigkeit der Blut‑Hirn‑Schranke, war bei Spitzmäusen besonders aktiv. Modulationen in der Barrierepermeabilität könnten eine sensorische und nutritive Umschichtung erlauben: die gezielte Zufuhr oder Umverteilung von Flüssigkeit und Nährstoffen, wenn das Volumen ab- oder zunimmt.
- Gene, die an DNA‑Reparatur, Zellzykluskontrolle und Langlebigkeitsprozessen beteiligt sind, waren in der Annotation angereichert. Diese Signaturen deuten auf protektive Mechanismen hin, die wiederholte saisonale Schrumpf‑ und Wachstumszyklen ohne akkumulativen Schaden ermöglichen — ein Aspekt, der direkt für das Verständnis von Mechanismen zur Prävention von Neurodegeneration relevant ist.
Auch Gene, die den Wasserhaushalt und osmotische Regulation steuern (z. B. Aquaporine, Ionenkanäle und Osmolyten‑Transporter), wurden identifiziert. Dies stützt die 2025 publizierte Erkenntnis, wonach ein großer Teil der Reduktion des Gehirnvolumens auf reversiblen Wasserverlust zurückzuführen ist statt auf massiven Neuronenuntergang.
2025 fanden Forscher heraus, dass die saisonale Gehirnschrumpfung der Spitzmaus primär durch Wasserverlust verursacht wird, während Hirnzellen überleben.
Was bedeutet das für die menschliche Gesundheit und künftige Forschung?
Die Entdeckung eines koordinierten genetischen Programms, das reversible Gehirnschrumpfung ohne Neurodegeneration erlaubt, eröffnet spannende Perspektiven für die Humanmedizin. Forscher mahnen jedoch zur Vorsicht: Säugetiere mit dem Dehnel‑Phänomen haben eine spezifische Ökologie und Physiologie, die nicht direkt auf den Menschen übertragbar ist. Dennoch legen die Funde nahe, dass DNA‑Reparaturmechanismen, Energiestoffwechselpfade und Barriere‑Regulatoren als potenzielle Biomarker oder sogar therapeutische Ansatzpunkte für Erkrankungen mit neuronalem Verlust oder metabolischem Stress in Betracht gezogen werden könnten.
Aurora Ruiz‑Herrera, Zellbiologin an der Autonomen Universität Barcelona, betont, dass Gene, die Energiehaushalt und Blut‑Hirn‑Schranke steuern, "mögliche Biomarker und therapeutische Targets für neurodegenerative Krankheiten" darstellen könnten, weist aber gleichzeitig darauf hin, dass eine Übertragung auf humane Therapien sorgfältige Validierung und zusätzliche Modelle erfordert. Dazu gehören experimentelle Nachweise in kontrollierten Tiermodellen, Studien zur Sicherheit und zur Langzeitfolgenabschätzung sowie die Identifikation konservierter Signalwege beim Menschen.
Methodisch zeigt die Kombination von Ganzgenomsequenzierung und saisonalen Expressionsdaten, wie Forscher von bloßer Beschreibung zu Mechanismen gelangen können: Durch die Integration von Genomik, Transkriptomik, Proteomik und bildgebenden Verfahren (z. B. MRT zur Volumenmessung) lassen sich Ursache‑Wirkungs‑Beziehungen zwischen Genregulation, zellulären Veränderungen und Gewebephysik herstellen. Solche integrativen Ansätze erlauben es, ein fein abgestimmtes System zu rekonstruieren, das Spitzmäusen das Schrumpfen und Wiederherstellen von Hirngewebe über Jahreszeiten hinweg ermöglicht, ohne die dauerhaften Schäden, die üblicherweise mit neurodegenerativen Prozessen verbunden sind.
Für die translational orientierte Forschung bietet das Modell mehrere konkrete Ansatzpunkte: 1) Identifikation von molekularen Effektorgenen (z. B. VEGFA, Aquaporine, Reparaturfaktoren), 2) Verständnis der zelltypspezifischen Reaktionen (Neurone vs. Gliazellen vs. Endothelzellen), 3) Erforschung der Rolle von zellulärem Wasser‑ und Ionenhaushalt in der Volumenregulation und 4) Analyse von Signalwegen, die Energiehomeostase mit Zellschutz verbinden. Besonders wichtig ist die Untersuchung, wie Astrozyten, Mikrogliа und Endothelzellen zur reversiblen Anpassung beitragen, da diese Zelltypen die metabolische Unterstützung, Barrierefunktion und osmotische Balance wesentlich steuern.
Langfristig könnten Erkenntnisse aus dem Dehnel‑Modell helfen, therapeutische Strategien zu entwickeln, die zellulären Schutz und Regeneration fördern — etwa durch Aktivierung von DNA‑Reparaturwegen, Modulation von Gefäßfunktionen oder gezielte Anpassung des zellulären Wasserhaushalts. Solche Interventionen wären in der Neurologie relevant für Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder ischämische Hirnschädigungen, in denen Volumenverlust, Energiekrisen und gestörte Proteostase zentrale Probleme sind. Dennoch bleibt die Herausforderung groß: die evolutionär adaptiven Lösungen von kurzlebigen Wildtieren in sichere, wirksame Therapien für den Menschen zu überführen.
Schließlich öffnet die Arbeit neue Forschungsfragen und experimentelle Wege: Welche regulatorischen Elemente (Enhancer, nichtkodierende RNAs, epigenetische Marker) kontrollieren die saisonalen Schaltkreise? Welche Rolle spielen circadiane und jahreszeitliche Signale (Photoperiodik, Temperatur) bei der Initiierung des Schrumpfungsprogramms? Und wie hat sich dieses Programm evolutionär bei verschiedenen Linien unabhängig entwickelt? Antworten auf diese Fragen erfordern transdisziplinäre Forschung — von Feldökologie und Verhaltensbiologie über Molekularbiologie bis hin zu Systembiologie und biomedizinischer Translation — und könnten langfristig unser Verständnis von Gehirnresilienz und Neuroprotektion erweitern.
Quelle: sciencealert
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