Mathematisches Modell simuliert erfolgreich die Entwicklung von Mittel- und Hinterhirn

Damit ist ein weiterer Schritt zum Verständnis des zeitlichen und räumlichen Ablaufs der Gehirnentwicklung auf System-Ebene gelungen. Das mathematische Modell ließe sich nach Ansicht der Wissenschaftler auch andere biologische Prozesse der Muster-Bildung einsetzen. (PLoS Computational Biology)

Wissenschaftler der Institute für Bioinformatik und Systembiologie (IBIS) sowie für Entwicklungsgenetik (IDG) am Helmholtz Zentrum München haben gemeinsam ein mathematisches Modell der Gen-Aktivitäten im Bereich der Grenze zwischen Mittel- und Hinterhirn erstellt. Es zeigt den zeitlichen und räumlichen Verlauf der Entwicklung vom achten bis zehnten Tag der Embryonalentwicklung bei der Maus. „Unser Modell kann als eines der ersten die natürlichen Abläufe der Gehirnentwicklung qualitativ korrekt simulieren“, sagt Fabian Theis.

Die Gehirnentwicklung bei Wirbeltieren beginnt schon sehr früh im Embryo über verschiedene Vorstufen. Die Grenze zwischen dem späteren Mittel- und Hinterhirn ist dabei besonders wichtig. Experimentell unterscheiden sich die beide Bereiche hinsichtlich der wichtigsten acht Gene, die dort aktiv sind – diese Daten wurden dem mathematischen Modell zugrunde gelegt und in ein qualitatives Computermodell des Regulations-Netzwerks umgesetzt. Die Forscher gingen zunächst von der vereinfachten Annahme aus, dass die Gene jeweils aktiv sind oder nicht.

Schon in diesem qualitativen Modell zeigten sich Zusammenhänge, die für die Aufrechterhaltung der Mittel-Hinterhirn-Grenze erforderlich sind. Eine der später experimentell bestätigten Erkenntnisse betrifft zwei Signalproteine: Fgf8 ist für die andauernde Expression von Wnt1 zwar notwendig, ruft diese aber nicht ursächlich hervor. Das weiterentwickelte Modell bezieht die Menge der Genexpression mit ein und simuliert die Vorgänge der Embryonalentwicklung zwischen Tag 8 und Tag 10 zeitlich und räumlich korrekt.

Nach weiteren erfolgreichen Simulationen sind die Helmholtz-Forscher nicht nur davon überzeugt, dass ihre Methode auf weitere biologische Prozesse der Muster-Bildung ausgeweitet werden kann, sondern auch, dass qualitative Versuchsergebnisse eine geeignete Grundlage für mathematische Modelle bieten.

Weitere Informationen:

Originalveröffentlichung: Wittmann DM, Blöchl F, Trümbach D, Wurst W, Prakash N, et al. (2009) Spatial Analysis of Expression Patterns Predicts Genetic Interactions at the Mid-Hindbrain Boundary. PLoS Comput Biol 5(11): e1000569. doi:10.1371/journal.pcbi.1000569, http://www.ploscompbiol.org/doi/pcbi.1000569

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