Das menschliche Gehirn, eine faszinierende Struktur aus rund 86 Milliarden Nervenzellen, die durch Billionen von Synapsen verbunden sind, ist die komplexeste Struktur, die wir kennen. Seine Entwicklung ist ein langwieriger Prozess, der Jahre dauert und bereits im Mutterleib beginnt.
Frühe Phasen der Gehirnentwicklung
Die Entwicklung des Gehirns beginnt bereits in der 3. Schwangerschaftswoche des Embryos. Bis zum Ende der 8. Woche sind Gehirn und Rückenmark fast vollständig angelegt. Die Gehirnentwicklung beginnt etwa am 18. Tag mit der Abschnürung des Neuralrohrs. Aus der befruchteten Eizelle entstehen zunächst die Morula und dann die Blastula, in der sich die Zellen zusammenfinden, aus denen der Embryo entsteht. Am 18. Lebenstag des Embryos bildet sich im Ektoderm eine erste Vertiefung, die sich kurz darauf abschnürt: das Neuralrohr, der Vorläufer des Rückenmarks. Am vorderen Ende des Neuralrohrs bilden sich drei Ausstülpungen, die Hirnbläschen genannt werden.
Die eigentliche Gehirnentwicklung beginnt um den 18. Tag der Embryonalentwicklung mit der Abschnürung des Neuralrohrs. In den folgenden Wochen entstehen zunächst die Hirnbläschen, um die sechste Woche dann die Anlagen zu den großen Hirnstrukturen. Etwa um die 24. Woche beginnt die Bildung der typischen Furchen des Großhirns, ein Prozess, der bis etwa zum ersten Geburtstag andauert.
Zellteilung und Differenzierung
Die Entwicklung des Organismus beginnt mit zahlreichen Zellteilungen. Etwa 24 Stunden nach der Befruchtung haben sich die mütterlichen und väterlichen Chromosomen zur Erbanlage des neuen Individuums zusammengefunden, und die erste Zellteilung beginnt. Nach 96 Stunden ist aus der befruchteten Eizelle ein Ball aus etwa 30 Zellen entstanden, die Morula. In der Morula beginnen sich die Zellen in äußere und innere zu differenzieren. Drei bis vier Tage nach der Befruchtung hat sich Flüssigkeit in der Mitte der Zellkugel gesammelt - aus der Morula ist die Blastocyste geworden. An einer Stelle dieser Hohlkugel bildet sich aus den innersten Zellen ein kleiner Haufen, Embryoblast genannt. Nur aus diesen Zellen entsteht der Embryo, aus den übrigen werden Hilfsorgane wie die kindlichen Anteile der Plazenta und die Eihäute.
Die Zellen des Embryoblast falten sich zu den drei Keimblättern Endoderm, Mesoderm und Ektoderm. Aus dem Endoderm entstehen später die inneren Organe, aus dem Mesoderm Knochen, Muskeln und Bindegewebe. Aus dem Ektoderm entstehen die Haut und das zentrale Nervensystem samt Gehirn.
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Bildung von Hirnstrukturen
In den folgenden Tagen knickt der oberste Bereich des Neuralrohrs mit den Hirnbläschen ein wenig ab, erste Ansätze der Hirnhälften werden erkennbar. Massive Zellwanderungen führen dazu, dass dieser Bereich sich stark vergrößert und immer deutlicher vom Rückenmark unterscheidet. Vier Wochen nach der Befruchtung bilden sich die Augenflecken, und das Herz beginnt zu schlagen. Nach sechs Wochen entstehen die Anlagen zu Hirnstrukturen wie Brücke und Kleinhirn, Thalamus, Basalganglien und Großhirnrinde. In der neunten Woche beginnt das Rückenmark, erste Bewegungen zu steuern. Nach drei Monaten ist der Fetus zwölf Zentimeter groß und hat gut ausgebildete Strukturen im Mittel- und Hinterhirn, aber seine Großhirnrinde ist noch glatt und undifferenziert. Erst um die 24. Woche bilden sich die ersten Furchen, wie sie für das menschliche Gehirn typisch sind. Dieser Prozess setzt sich auch nach der Geburt fort - bis etwa zum ersten Geburtstag des Kindes.
Neuronale Entwicklung und Migration
Die jungen Neuronen entstehen aus Stammzellen in einer Gewebeschicht des Neuralrohrs. Um sich eine grobe Vorstellung von diesem Prozess zu machen, kann man die Anzahl der Neuronen im Gehirn durch die Monate der Schwangerschaft teilen: dann erhält man einen durchschnittlichen Wert von 250.000 neuen Neuronen pro Minute. Von dort wandern sie an ihre Zielorte im Gehirn und beginnen bereits während dieser Wanderung, sich für ihre Aufgabe zu spezialisieren: in Sehzellen etwa oder Riechzellen. Was ihre Aufgabe sein wird, hängt von ihrer Entstehungszeit und von chemischen Faktoren in ihrer Umgebung ab. Zuerst entstehen die inneren Schichten des Großhirns, die jüngeren Zellen wandern an den älteren vorbei und bilden die weiter außenliegende Schicht. Dabei nutzen sie radiale Gliazellen, eine Art der Gliazellen, deren lange Fortsätze quer zur Schichtung des Gehirns nach außen wachsen, als eine Art Geländer, an dem sie sich entlanghangeln.
Ist ein Neuron an seinem Platz angekommen, muss es sich mit seiner Zielregion verbinden. Dazu streckt es einen „Arm“ aus, einen Neuriten, an dessen Spitze ein Wachstumskegel sitzt. Er bahnt dem Neuriten den Weg durch das dichte Gewebe, manchmal sogar bis in die andere Hälfte des Gehirns. Wohin dieser Wachstumskegel wächst, bestimmen zum einen anziehende und abstoßende Stoffe auf den Oberflächen der umgebenden Zellen. Zum anderen beeinflussen Wachstumsfaktoren, wohin der Neurit sich reckt. Das sind kleine Proteine, die von den Zielregionen der Neuriten ausgesandt werden und die der Wachstumskegel mit Rezeptoren auf seinen zahlreichen Tentakeln wahrnehmen kann. Der Neurit wächst dann dorthin, wo die Konzentration des Wachstumsfaktors am höchsten ist.
Hat der Wachstumskegel sein Ziel erreicht, ist das Neuron noch längst nicht fertig. Erst muss der Zellkern davon erfahren, dass der Neurit angekommen ist. Dazu muss der Wachstumsfaktor rückwärts durch den Neuriten in den Zellkörper befördert werden. Dort angekommen, löst er eine Signalkaskade aus, die im Zellkern dazu führt, dass Gene für den Fortbestand des Neurons aktiviert werden. Bleibt dieses Signal aus, weil der Neurit sein Ziel nicht gefunden hat, fällt das Neuron in Apoptose, das heißt es begeht Selbstmord.
Einfluss von Umweltfaktoren
Der Aufbau des menschlichen Gehirns ist nur in groben Zügen genetisch vorgegeben. Seine Feinstruktur ist das Ergebnis eines komplexen Organisationsprozesses, bei dem auch Umweltfaktoren eine Rolle spielen. Dazu gehören die Ernährung der Mutter und eventuelle Erkrankungen oder Kontakte mit Giftstoffen. Wie die Schwangere, so die Kinder.
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Während der gesamten Schwangerschaft sind die neuronalen Strukturen äußerst empfindlich und damit anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Alkoholkonsum, Rauchen, Strahlung, Jodmangel und bestimmte Erkrankungen der Mutter, wie beispielsweise Infektionskrankheiten, können zu einer Schädigung des sich entwickelnden Nervensystems führen. Auch Medikamente sollten nur nach Absprache mit dem Arzt eingenommen werden, um eventuelle negative Auswirkungen auf den Embryo zu verhindern.
Schon im Mutterleib nimmt das Gehirn des Ungeborenen Informationen auf. So geht man davon aus, dass durch das Wahrnehmen der Sprache der Eltern das Erlernen der Muttersprache schon vor der Geburt geprägt wird.
Gehirnentwicklung nach der Geburt
Das Gehirn ist mit der Geburt keineswegs fertig, vielmehr beginnt nach der Geburt ein enormes Wachstum. Mit der Geburt ist die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem noch lange nicht abgeschlossen. Zwar sind zu diesem Zeitpunkt bereits die große Mehrheit der Neuronen, etwa 100 Milliarden, im Gehirn vorhanden, sein Gewicht beträgt dennoch nur etwa ein Viertel von dem eines Erwachsenen. Die Gewichts- und Größenzunahme des Gehirns im Laufe der Zeit beruht auf der enormen Zunahme der Verbindungen zwischen den Nervenzellen und darauf, dass die Dicke eines Teils der Nervenfasern zunimmt. Das Dickenwachstum ist auf eine Ummantelung der Fasern zurückzuführen. Dadurch erhalten sie die Fähigkeit, Nervensignale mit hoher Geschwindigkeit fortzuleiten.
Radiale Gliazellen bilden den Ursprung vieler Neuronen. Ihr Anteil im Vergleich zu den Neuronen liegt bei etwas über 50 Prozent.
Reflexe und frühe Entwicklungsschritte
Beim Säugling stehen zunächst Reflexe im Vordergrund. Dabei werden körpereigene Signale und Umweltreize bereits auf der Ebene des Rückenmarks und des Nachhirns in Äußerungen und Reaktionen umgesetzt. In dieser Phase dient der ganze Körper des Säuglings dazu, grundlegende Bedürfnisse und Empfindungen wie Hunger, Angst und Unwohlsein zum Ausdruck zu bringen. Nach 6 Monaten hat sich das Gehirn soweit entwickelt, dass Babys lernen, Oberkörper und Gliedmaßen zu kontrollieren.
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Myelinisierung und Synapsenbildung
Im Alter von 2 Jahren haben die meisten Nervenfasern von Rückenmark, Nachhirn und Kleinhirn ihre endgültige Dicke erreicht und damit ihre Ummantelung abgeschlossen. Sie können nun Nervensignale mit hoher Geschwindigkeit hin und her schicken. Im Gehirn nimmt die Anzahl der Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, in den ersten 3 Lebensjahren rasant zu. In dieser Zeit entsteht das hochkomplexe neuronale Netz, in dem jede Nervenzelle mit Tausenden anderer Neurone verbunden ist. Mit 2 Jahren haben Kleinkinder so viele Synapsen wie Erwachsene und mit 3 Jahren sogar doppelt so viele. Diese Zahl bleibt dann etwa bis zum zehnten Lebensjahr konstant. In den darauffolgenden Jahren verringert sich die Zahl der Synapsen wieder um die Hälfte. Ab dem Jugendalter treten bei der Zahl der Synapsen keine größeren Veränderungen mehr auf. Die große Zahl der Synapsen bei 2 bis 10-Jährigen ist ein Zeichen für die enorme Anpassungs- und Lernfähigkeit der Kinder in diesem Alter. Art und Anzahl der sich formenden und bestehen bleibenden Synapsen hängen mit speziellen erlernten Fertigkeiten zusammen.
Lernen und Gedächtnis
Bereits Babys besitzen die Fähigkeit, sich zu erinnern. Allerdings bleiben Erlebnisse bei 6 Monate alten Säuglingen lediglich 24 Stunden im Gedächtnis. Sind sie 9 Monate alt, steigt das Erinnerungsvermögen auf 1 Monat an. In den nächsten Monaten und Jahren nehmen diese Erinnerungszeiträume weiter zu. Die Entwicklung eines Langzeitgedächtnisses, das uns erlaubt, Erlebnisse und Erfahrungen, die Jahre zurückliegen, zu erinnern, dauert aber noch einige Zeit. Deshalb gibt es an die ersten drei bis vier Lebensjahre keine Erinnerung und meist nur wenige an das 5. und 6. Lebensjahr.
Entwicklung höherer kognitiver Funktionen
Mit etwa 6 Jahren setzen weitere wichtige Prozesse ein. Im vorderen Bereich der Großhirnrinde entwickelt sich zunehmend die Fähigkeit zu logischem Denken, Rechnen und „vernünftigem“ bzw. sozialem Verhalten, das sich an Erfahrungen orientiert. Auch die sprachlichen Fähigkeiten und das räumliche Vorstellungsvermögen, für die der hintere Bereich der Großhirnrinde zuständig ist, werden besser. Ab dem 10. Lebensjahr wird das Gehirn dann optimiert. Nur die Nervenverbindungen bleiben erhalten, die häufig gebraucht werden, die übrigen verschwinden.
Plastizität und Umstrukturierung im Erwachsenenalter
Im weiteren Verlauf des Lebens kann die komplexe Struktur des fertig entwickelten Gehirns in gewissen Grenzen umgebaut und umfunktioniert werden. Sterben Nervenzellen durch Alterungsprozesse, Erkrankungen oder andere Einflüsse ab oder sind sie in ihrer Funktion gestört, können häufig andere Bereiche des Gehirns ihre Aufgabe zumindest teilweise übernehmen.
Rolle von Gliazellen
Tatsächlich führt die massenhafte Produktion von Neuronen im Gehirn des Embryos dazu, dass es zeitweise viel zu viele Neurone gibt. Sie konkurrieren miteinander: Nur die mit den stabilsten Verbindungen bleiben bestehen. Bis zu 80 Prozent der Neurone werden wieder abgebaut. Ein Großteil der erfolgreichen Axone wird später von Oligodendrozyten, einer Art der Gliazellen, isoliert. Gliazellen stellen neben den Neuronen die zweite große Gruppe von Zellen im Gehirn dar. Sie erfüllen klar definierte Aufgaben im Nervensystem, wie die Reaktion auf Krankheitserreger, die Ernährung der Nervenzellen oder die Isolierung von Nervenfasern. Bei der Entwicklung des Gehirns spielt eine besondere Art von Gliazellen eine wichtige Rolle, die radialen Gliazellen. Radiale Gliazellen entstehen zu Beginn der Neurogenese aus den Epithelzellen des Neuralrohrs. Als „Progenitorzellen“ stehen sie zwischen den Stammzellen und den ausdifferenzierten Zellen: Sie können einige, aber nicht alle Zellarten hervorbringen. Ein Teil der radialen Gliazellen erzeugt andere Arten von Gliazellen, darunter die Oligodendrozyten, die Isolierhüllen der Axone, und die Astrozyten, die erst als Wegweiser und später unter anderem als Ernährer der Neurone wirken. Ein anderer Teil aber generiert bei der Teilung die Neuronen selbst. Im späten Entwicklungsstadium des Embryos und nach der Geburt haben sich die meisten radialen Gliazellen zu anderen Zellformen ausdifferenziert. Aus den verbleibenden können bis ins hohe Alter weiter Neuronen entstehen.
Evolutionäre Perspektive
Die Evolution der menschlichen Linie ist untrennbar mit der Evolution des Gehirns verknüpft. Das Gehirnvolumen heute lebender Menschen ist etwa dreimal so groß wie das von Schimpansen. Vor allem in den letzten zwei Millionen Jahren kam es zu einer dramatischen Größenzunahme des menschlichen Gehirns. Für die kognitiven Fähigkeiten ist die innere Struktur des Gehirns wichtiger als dessen Größe. Diese Vernetzung des Gehirns wird in den ersten Lebensjahren angelegt. Um das menschliche Gehirn besser zu verstehen, muss man sechs Millionen Jahre zurückblicken, zu dem Zeitpunkt, als die Schimpansenlinie sich von der Linie der menschlichen Vorfahren, der sogenannten Homininen, trennte.
Entwicklung des Gehirns und soziale Fähigkeiten
Ob es zwischen Neandertalern und modernen Menschen Unterschiede in geistigen und sozialen Fähigkeiten gab, ist eines der großen Streitthemen in der Anthropologie und Archäologie. Moderne Menschen unterscheiden sich von Neandertalern in einer frühen Phase der Gehirnentwicklung. Diese Entwicklungsunterschiede direkt nach der Geburt könnten Auswirkungen auf die neuronale und synaptische Organisation des Gehirns haben. Erst kürzlich ergaben genetische Studien, dass sich der moderne Mensch vom Neandertaler durch einige Gene unterscheidet, die wichtig für die Gehirnentwicklung sind.
Ernährung und Gehirnentwicklung
Wie die Immunabwehr und Energiestoffwechselprozesse gehört auch das Gehirn zu den wichtigen Organsystemen. Die Gehirnentwicklung kann ebenfalls über eine gesunde Ernährung im ersten Lebensjahr positiv beeinflusst werden. Langkettige, mehrfach ungesättigte Fettsäuren (LCP) sowie Eisen und Cholin spielen bei der Entwicklung des Hirns eine wichtige Rolle. Nicht nur in der Schwangerschaft, sondern auch in der Stillzeit kann der Genuss von fettreichem Meeresfisch wie zum Beispiel Lachs, Hering oder Makrele die Gehirnentwicklung Ihres Kindes positiv beeinflussen. Denn in diesen Lebensmitteln ist viel DHA (Docosahexaensäure) enthalten, ein wichtiger Baustein für die optimale Entwicklung von Gehirn und Sehvermögen.
Bedeutung der frühen Kindheit
Das Gehirn Ihres Babys wird in seinem gesamten späteren Leben nie wieder so aktiv sein, wie im ersten Lebensjahr. Und pro Sekunde werden in den ersten beiden Jahren bis zu 700 neue Nervenverbindungen gebildet. Die Gehirnstrukturen vernetzen, verstärken und verändern sich. Denn das kindliche Gehirn reagiert in dieser Phase seiner Entwicklung hochsensibel auf Erfahrungen. Die Vielzahl an Nervenverbindungen ermöglicht Ihrem Kind das rasante Lernen in den ersten Lebensjahren.
Frontallappen und Persönlichkeitsentwicklung
Besonders groß ist im Entwicklungsprozess die Veränderung der Großhirnrinde (Cortex). An seiner Stirnseite sitzt der Frontallappen (präfrontaler Cortex); er gilt als die oberste Leitzentrale des Gehirns. Von hier aus werden die motorische Funktionen Ihres Babys gesteuert und kontrolliert. Zudem ist der präfrontale Cortex der Sitz der Persönlichkeit, des Charakters, der Empathie und des Sozialverhaltens - also all dessen, was einen Menschen ausmacht.
Das Gehirn im Jugend- und Erwachsenenalter
Nicht nur der Körper, auch das Gehirn wächst in der Adoleszenz, also dem Übergang zum Erwachsenwerden. Das Hirn beinhaltet weiße und graue Substanz, darin enthalten sind über 3000 Hirnzellentypen. Durch Magnetresonanztomografie weiß man, dass die graue Substanz bis zum Alter von ungefähr 25 Jahren und die weiße Substanz bis zum Alter von 30 Jahren zunimmt. Bis zum sechsten Lebensjahr nimmt die graue Substanz deutlich an Volumen zu. Danach stagniert dieses Wachstum. In der Pubertät schrumpft die graue Masse sogar leicht. Besonders interessant bei der Frage danach, wann das Gehirn erwachsen ist, ist der präfrontale Kortex. Dieser entwickelt sich in der Pubertät bis zum Alter von ungefähr 25 Jahren weiter und hat unter anderem Auswirkungen auf Planen, Denken und das Verarbeiten komplexer Informationen sowie dem Erwarten von Konsequenzen.