Das Gehirn, das komplexe Organ in unserem Kopf, ist die Schaltzentrale unseres Lebens. Es ermöglicht uns, Probleme zu lösen, uns an Vergangenes zu erinnern, unser Handeln zu planen und Neues in unser bestehendes Wissen einzuordnen. Doch das Gehirn ist keine statische Struktur. Es verändert sich ständig, ein Leben lang. Diese Fähigkeit zur Veränderung und Anpassung, die sogenannte Neuroplastizität, ermöglicht es uns, auf neue Situationen zu reagieren und uns kontinuierlich weiterzuentwickeln.
Neuroplastizität: Die Formbarkeit des Gehirns
Lange Zeit ging man davon aus, dass das Gehirn im Erwachsenenalter "ausgelernt" hat. Heute wissen Forschende jedoch, dass unser Gehirn ein Leben lang formbar bleibt. Diese Fähigkeit, sich an neue Situationen anzupassen, nennt man Neuroplastizität. Neuroplastizität beschreibt die Fähigkeit des Gehirns, seine Struktur und Arbeitsweise zu verändern. Nervenzellen können neue Verbindungen aufbauen, bestehende stärken oder schwächen und so neue Wege für Informationen schaffen.
Die Neuroplastizität spielt eine entscheidende Rolle bei der Rehabilitation nach einem Schlaganfall. Nach einem Schlaganfall verliert das Gehirn oft bestimmte Funktionen, zum Beispiel für Sprache oder Bewegung. Doch durch gezieltes Training kann es erstaunliche Ausgleichsleistungen erbringen. Das ist ein langsamer, aber wirkungsvoller Prozess: Physiotherapie, Ergotherapie oder Sprachtraining aktivieren die Selbstheilungskräfte des Gehirns.
Auch im höheren Lebensalter kann das Gehirn neue Verbindungen bilden. Entscheidend ist, es regelmäßig zu fordern. Angebote wie Präventionskurse zu Bewegung und Entspannung oder Reha-Nachsorge nach Schlaganfällen können die geistige und körperliche Gesundheit fördern und die Neuroplastizität unterstützen.
Die Organisation des Gehirns: Ein Kompass für Neurowissenschaftler
Um die komplexen Abläufe im Gehirn besser zu verstehen, untersuchen Forscher, wie Lernen und Erinnern ablaufen, inwiefern diese Vorgänge die Gestalt von Neuronen und Hirnarealen beeinflussen und wo sie im Hirn verortet werden könnten. Was wird wo im Gehirn gedacht? Zusammen mit einem internationalen Forscherteam haben die deutschen Neurowissenschaftler zwei Achsen identifiziert, entlang derer die evolutionäre Entwicklung unseres Gehirns verlief - nämlich einmal von "hinten" nach "vorn" und einmal von "oben" nach "unten".
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Das Wissen, warum bestimmte Hirnareale an einem bestimmten Ort und in konkreter Nachbarschaft zu anderen Netzwerken angeordnet sind, vergleichen die Forscher mit einem Kompass, mit dessen Hilfe sie sich besser im Gehirn zurecht finden können. So hätten frühere Studien gezeigt, dass sich die Organisationsachsen von Personen mit Autismus-Spektrum-Störung von denen Gesunder unterscheiden. Grundlage für die Erkenntnisse der Wissenschaftler sind Daten von eineiigen und zweieiigen Zwillingen sowie nicht verwandten Personen. Dabei zeigte sich, dass es vor allem genetische Faktoren sind, die die Lage der Hirnregionen beeinflussen. Zugleich scheint das Prinzip evolutionär sehr stabil zu sein.
Die Entwicklung des Gehirns im Laufe des Lebens: Fünf wichtige Phasen
Neurowissenschaftler der Universität Cambridge haben nun fünf wichtige Phasen der neuronalen Vernetzung im Laufe eines Menschenlebens identifiziert. Ende einer Phase und Beginn einer neuen Phase sind gekennzeichnet durch vier wichtige Wendepunkte, in denen die Entwicklung rasante Kurven nimmt und das Gehirn seine Strategie ändert, um sich neu zu konfigurieren.
"Rückblickend haben viele von uns das Gefühl, dass unser Leben von verschiedenen Phasen geprägt war. Es stellt sich heraus, dass auch das Gehirn diese Phasen durchläuft", sagt der leitende Autor Duncan Astle, Professor für Neuroinformatik. Für seine Untersuchung verglich das Forschungsteam die Gehirne von 3802 Menschen im Alter zwischen null und 90 Jahren. Grundlage waren MRT-Diffusionsscans: Sie bilden die neuronalen Verbindungen ab, indem sie die Bewegung von Wassermolekülen durch das Gehirngewebe verfolgen.
"Wir wissen, dass die Verdrahtung des Gehirns für unsere Entwicklung entscheidend ist, aber uns fehlt ein Gesamtbild davon, wie sie sich im Laufe unseres Lebens verändert und warum", sagt die Forscherin Alexa Mousley.
Phase 1: Netzwerkkonsolidierung (Geburt bis ca. 9 Jahre)
Die (Hirn-)Entwicklung vom Säugling bis zum Kind ist für Außenstehende am verblüffendsten. Das Gehirn lernt so viele neue Dinge wie nie im weiteren Leben. Das Gehirn eines Babys produziert übermäßig Synapsen, also Verbindungen zwischen den Neuronen. In der Kindheit wird diese Fülle reduziert, und nur die aktiveren Synapsen bleiben übrig. Benachbarte Regionen vernetzen sich enger und spezialisieren sich. Vereinfacht gesagt, bildet die graue Substanz das "Rechenzentrum", während die weiße Substanz die "Verbindungskabel" stellt. Die kortikale Dicke, also der Abstand zwischen der äußeren grauen und der inneren weißen Substanz, erreicht ihren höchsten Wert.
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Phase 2: Effizienzsteigerung (ca. 9 bis ca. 32 Jahre)
Der erste Wendepunkt im Alter von neun Jahren fällt nicht zufällig mit dem Beginn der Pubertät zusammen. Diese zweite Phase der Hirnentwicklung erstreckt sich bis kurz nach dem 30. Geburtstag, also bis weit ins frühe Erwachsenenalter. Ein erstaunlich später Zeitpunkt. "Während die Pubertät einen klaren Anfang darstellt, ist das Ende der Adoleszenz wissenschaftlich viel schwieriger zu bestimmen. Rein auf der Grundlage der neuronalen Architektur haben wir festgestellt, dass jugendliche Veränderungen in der Gehirnstruktur mit etwa Anfang 30 enden," sagt Mousley. Das Volumen der weißen Substanz wächst weiter, und die Organisation der Kommunikationsnetzwerke verfeinert sich zunehmend. Neu in dieser Phase ist, dass das Gehirn die Pfadlänge der Verbindungen optimiert. Dadurch arbeitet das Gehirn in dieser Phase insgesamt zunehmend effizienter. Nun verbessert sich auch wieder die Kommunikation über weite Teile des Gehirns.
Phase 3: Stabilität (ca. 32 bis ca. 66 Jahre)
Mit etwa 32 Jahren schaltet die neuronale Verdrahtung des Gehirns in den Erwachsenenmodus um. Dies ist die längste Phase, die über drei Jahrzehnte andauert. Das Erwachsenenalter des Gehirns beginnt mit dem "stärksten topologischen Wendepunkt" der gesamten Lebensspanne. Im Vergleich zu früheren Phasen stabilisiert sich die Gehirnarchitektur. Das Gehirn arbeitet zwar effizient, die komplexen, schnellen Veränderungen der Jugend sind jedoch vorbei. Ganz starr bleibt das Gehirn in dieser langen Phase jedoch nicht. Die Forschenden konnten beobachten, wie die Hirnregionen langsam stärker voneinander abgegrenzt werden.
Phase 4: Umstrukturierung (ca. 66 bis ca. 83 Jahre)
Der Wendepunkt im Alter von 66 Jahren ist weitaus milder. "Die Daten deuten darauf hin, dass eine allmähliche Umstrukturierung der Hirnnetze Mitte der Sechziger ihren Höhepunkt erreicht", sagte Mousley. Die weiße Substanz wird zunehmend abgebaut, die topologischen Muster werden einfacher, und das Netzwerk wird ausgedünnt. Zugleich beobachteten die Forschenden eine weitere Zunahme der Trennung und Spezialisierung der einzelnen Regionen - das Gehirn arbeitet modularer.
Phase 5: Abbau (ab ca. 83 Jahre)
Der letzte Wendepunkt wird im Alter von etwa 83 Jahren erreicht, die letzte Epoche der Gehirnstruktur beginnt. Dem Netzwerk fällt es zunehmend schwer, über weite Strecken effizient zu kommunizieren. In dieser Phase konnten die Forschenden das Lebensalter der Probanden am schlechtesten an der Gehirnentwicklung festmachen.
"Viele neurologische Entwicklungsstörungen, psychische Erkrankungen und neurologische Erkrankungen hängen mit der Verdrahtung des Gehirns zusammen. Die Studie liefert die bislang klarste Einteilung der Gehirnentwicklung in verschiedene Phasen. In zukünftigen Studien wird es interessant sein, die Veränderungen im Gehirn mit Veränderungen der Persönlichkeit, der kognitiven Fähigkeiten und von Krankheitsrisiken genauer in Verbindung zu bringen. "Diese Phasen liefern einen wichtigen Kontext dafür, worin unser Gehirn in verschiedenen Lebensphasen am besten ist oder wofür es anfälliger ist", sagt Mousley.
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Genomische Instabilität und neurodegenerative Erkrankungen
Warum funktioniert das Gehirn bei manchen Menschen nicht mehr richtig? Eine Antwort auf diese Frage sucht Ahmad Aziz, Wissenschaftler am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) in Bonn. Für seine herausragende Forschung erhielt er einen ERC Starting Grant. Seine Forschung konzentriert sich auf die Auswirkungen von „Tandem Repeats“ und „genomischer Instabilität“ auf das Gehirn.
Genomische Instabilität bedeutet einfach, dass unser Erbgut nicht konstant ist. Es kann sich im Laufe des Lebens ändern. Mutationen treten dabei nicht nur während der Zellteilung auf, sondern auch in somatischen Zellen also in solchen, die schon erwachsen sind. Also zum Beispiel in Nervenzellen, den Neuronen. Seine Hypothese ist: Die Änderungen in der DNA, die sich im Laufe des Lebens aufbauen, können letztendlich zu neuronaler Dysfunktion und Degeneration führen.
Hier kommen die Tandem Repeats ins Spiel. So nennen wir Wiederholungen von bestimmten Mustern in der DNA. Folgen zum Beispiel die drei Basen Cytosin, Adenin und Guanin vier Mal aufeinander, wäre der Tandem Repeat CAG, CAG, CAG, CAG. Je öfter sich die Gruppen wiederholen, umso instabiler wird das Genom im Vergleich zu anderen Bereichen der DNA. Es gibt zum Beispiel ein Gen, das ursachlich mit der Huntigton-Erkrankung in Verbindung steht. Bei dieser werden Bereiche im Gehirn zerstört, die sowohl für die Muskelsteuerung als auch für das Gedächtnis eine wichtige Rolle spielen. Treten Tandem Repeats mit einer Länge von 36 oder mehr Wiederholungen in diesem Gen auf, steigt die Wahrscheinlichkeit für die Erkrankung.
Ein wichtiger Punkt seines Projektes ist es nun, in Daten aus der Allgemeinbevölkerung und verschiedenen Patientenkohorten nach Anhaltspunkten für seine Hypothese zu suchen. Er kombiniert epidemiologische, klinische und Grundlagenforschung. Im ersten Teil bestimmt er die genomische Instabilität in der DNA von Blutzellen. Dazu nutzt er Blutproben, die für die Rheinland Studie des DZNE gesammelt wurden. Parallel zur Untersuchung der Blutzellen bestimmen wir auch die genomische Instabilität in der DNA von Neuronen. Das ist deshalb möglich, weil Nervenzellen wie viele andere Zellen auch extrazelluläre Vesikel ins Blut abgeben. Das sind winzige Bläschen, die Proteine, RNA und auch DNA der Zelle enthalten. Wir bekommen also mit der Blutprobe direkten Zugriff auf das Erbgut der Nervenzellen. Kennen wir die genomische Instabilität der Probanden, vergleichen wir sie mit dem Grad der Schädigung ihrer Nervenzellen. Diesen können wir ebenfalls aus den Blutproben ablesen, nämlich anhand der NfL-Konzentration. Das steht für Neurofilament light chain und ist ein Protein, dessen Konzentration im Blut bei Nervenschäden ansteigt. Zudem werden wir MRT-Scans des Gehirns nutzen, um die Auswirkungen der genomischen Instabilität auf die Hirnsubstanz zu erforschen. Dazu kommen als zweiter Teil die klinischen Studien. Hier nutzen wir die Daten von Patienten mit Erkrankungen, die von langen Tandem Repeats ausgelöst werden. Das betrifft z.B. die Huntigton-Erkrankung und verschiedene spinozerebelläre Ataxien. Hier wird neben Blutproben und MRT-Scans des Gehirns auch die Krankengeschichte über das Fortschreiten des Leidens in Betracht gezogen.
Er will aber nicht nur untersuchen, ob es zwischen Tandem Repeats und neurodegenerativen Erkrankungen einen Zusammenhang gibt, sondern auch wie genau die Instabilität zu Nervenschäden führt. Deshalb geht er im dritten Teil des Projektes in die Tiefe.
Das "Ich" im Gehirn: Eine Illusion oder Realität?
Zu jeder Empfindung von der Welt, von uns selbst, unseren Gefühlen und Wahrnehmungen gibt es Muster von Aktivitäten der Nervenzellen im Gehirn, die genau diesem jeweiligen Zustand entsprechen. Das jedenfalls legen die Forschungen der Neurowissenschaftler nahe. In unserer alltäglichen Erfahrung ist ein Gefühl von "Ich" fast immer anwesend. Dieses "Ich" ist permanent in Bewegung und scheint unsere Handlungen zu steuern. Selbst unseren Körper können wir nicht unmittelbar wahrnehmen. Ein bekanntes Beispiel für die fehlerhafte Repräsentation des Körpers sind die sogenannten Phantomschmerzen: Menschen, denen Gliedmaßen amputiert wurden, empfinden manchmal Schmerzen in eben den Körperteilen, die sie gar nicht mehr haben. Auch der umgekehrte Fall ist in der Neurologie bekannt: Es gibt Patienten, die bestimmte Körperteile nicht als Teil ihrer selbst wahrnehmen. Den eigenen Arm oder das eigene Bein empfinden sie als störenden Fremdkörper. Doch neurologische Defekte wie die beschriebenen zeigen, wie wenig stabil selbst dieser scheinbar noch greifbare und klare Bezug von Körper und "Ich" ist. Eindrucksvoll zeigen unsere Träume, wie groß die schöpferischen Fähigkeiten des Gehirns sind, auch in Hinblick auf die Identität. In Träumen können wir uns selbst als andere Personen erleben - entweder ohne Körper oder ausgestattet mit Merkmalen, die gänzlich verschieden sind vom eigenen Körper. Ob die starke Überzeugung unserer Identität nun zwangsläufig mit dem Körper verbunden ist oder nicht: Auf jeden Fall scheint sich der Körper auf Grund seiner Ausdrucksmöglichkeiten mit dem Ich-Empfinden zu verknüpfen. Er ist das wichtigste und unmittelbarste Instrument unserer Handlungen. Doch selbst in dieser Funktion lässt sich das Verhältnis von Körper und "Ich" verschieben.
Auch psychologisch lässt sich der Begriff des "Ich" nicht eindeutig klären. Einig sind sich die meisten Wissenschaftler, dass das "Ich" keine konstante Größe ist, sondern aus verschiedenen Faktoren besteht, die sich in ihrer Zusammensetzung und Gewichtung auch verändern und unterscheiden können. Eine allgemeine Definition des Begriffs aber gibt es nicht. Die meisten psychisch gesunden Menschen erleben das "Ich" als die Steuerzentrale der eigenen Person. Doch die Hirnforschung hat eine solche Stelle in den Hirnarealen nicht ausmachen können und es gilt als höchstwahrscheinlich, dass es keinen fixen Ich-Punkt im Gehirn gibt. Vielmehr sind es viele verschiedene Hirnregionen, die miteinander kommunizieren und so das Ich-Bewusstsein entstehen lassen. Besonders wichtig unter diesen Regionen ist das sogenannte "Default Mode Netzwerk" (DMN). Die Untersuchungen der Hirnforschung zeigen auch, dass es kein Indiz dafür gibt, dass das "Ich" anderen Hirnfunktionen vorgeschaltet ist.
Die Physik des Nein: Wahrnehmung und Wirklichkeit
Wahrnehmung ist immer selektiv: Das Gehirn entscheidet ständig, welche Informationen wichtig genug sind, um ins Bewusstsein vorgelassen zu werden. Ein internationales Forschungsteam hat nun untersucht, welche Gehirnaktivitäten mit Änderungen in der subjektiven Wahrnehmung einhergehen, und dabei charakteristische Muster von Gehirnwellen im präfrontalen Cortex gefunden.
Sehen und Wahrnehmen sind zwei verschiedene Dinge: Ein Großteil der Informationen, die permanent von den Sinnesorganes ins Gehirn strömen, wird nicht bewusst verarbeitet. Komplexe Mechanismen filtern die eingehende Sinnesinformation und gestalten das Bild der Welt, das in unseren Köpfen entsteht. Ein gutes Beispiel dafür ist das Phänomen der binokularen Rivalität: Wenn dem rechten Auge ein Apfel und gleichzeitig dem linken Auge eine Rose gezeigt wird - was beispielsweise mit Hilfe einer Spiegelkonstruktion möglich ist -, können wir niemals beide Objekte gleichzeitig wahrnehmen. Vielmehr sehen wir manchmal bewusst die Rose, dann wieder den Apfel. Die Wahrnehmung wechselt spontan, ohne Einfluss äußerer Reize, vom einen zum anderen Objekt. Das wirft die Frage auf, welche Mechanismen am Werk sind, wenn das Bewusstsein umschaltet.
Max-Planck-Forscher haben nun zur Aufklärung dieser Frage beigetragen: Anhand der Gehirnwellen im präfrontalen Cortex, einem Bereich der Großhirnrinde, der für komplexe Verhaltensweisen wie Entscheidungsfindung und Problemlösung wichtig ist, lassen sich die Wechsel in der Wahrnehmung vorhersagen. Gehirnwellen sind im gesunden Gehirn immer präsent; sie entstehen dadurch, dass Gruppen von Neuronen ihre Aktivität synchronisieren. Betawellen beispielsweise werden üblicherweise mit aktivem Nachdenken und Konzentration in Verbindung gebracht, während gewisse langsamere Wellen eine wichtige Rolle für Schlaf und Erholung spielen.
"Wir haben typische Muster gefunden, wie sich die Aktivität im Bereich von niedrigfrequenten (1 bis 9 Hertz) und Betawellen (20 bis 40 Hertz) unmittelbar vor einem Wahrnehmungswechsel ändert", sagt Abhilash Dwarakanath, der vormals in der Abteilung Physiologie kognitiver Prozesse am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen arbeitete und nun am Institut NeuroSpin in Paris arbeitet. Gemeinsam mit Vishal Kapoor, der ebenfalls in Logothetis’ Team war und nun Projektleiter am International Center for Primate Brain Research in Shanghai ist, war Dwarakanath federführend bei der Interpretation der Daten, die aus elektrophysiologischen Messungen an Makakenaffen stammen.
Die Ergebnisse stellen eine weitverbreitete neurowissenschaftliche Auffassung in Frage. Im primären visuellen Cortex, wo die visuellen Rohdaten zuerst ankommen, sind manche Neuronen ausschließlich für Informationen aus einem der beiden Augen zuständig. Bislang führten Forschende die Wahrnehmungswechsel darauf zurück, dass diese Neuronen miteinander im Wettstreit liegen und um Aufmerksamkeit konkurrieren. „Man glaubte lange, dass die Impulse einzelner Neuronen ausschlaggebend für bewusste Wahrnehmung seien“, sagt Dwarakanath. „Doch nun stellt sich heraus, dass die langsamen Schwingungen größerer Gehirnregionen die eigentliche Arbeit erledigen; sie entscheiden als Türhüter, welche Sinnesinformation Zugang zu unserem Bewusstsein bekommt.“
Dwarakanath betont, es sei unmöglich, Bewusstseinsinhalte aus den Gehirnwellen abzulesen: „Wir können nur sagen, dass das ein bestimmtes Muster der Wellen verlässlich von einem Wechsel in der Wahrnehmung gefolgt wird; Bewusstseinsinhalte können wir aus den Wellen nicht dekodieren.“ Weiter gibt er zu bedenken, es sei unmöglich, aus den Daten abzuleiten, ob die Gehirnwellenmuster den Wechsel verursachen oder ob sie ihm lediglich vorangehen.
Die Ergebnisse berührt eine tiefergreifende Frage, über die in Philosophie und Neurowissenschaft gleichermaßen gestritten wird: Wie können bewusste Erfahrungen im Gehirn entstehen? Theofanis Panagiotaropoulos, der das Projekt konzipierte und leitete, nennt die neuen Ergebnisse eine „Verfeinerung der Globalen Arbeitsraumtheorie“, einer Bewusstseinstheorie, die dem präfrontalen Cortex eine zentrale Rolle zuschreibt. Panagiotaropoulos ist an einem großangelegten Kollaborationsprojekt beteiligt, das die beiden konkurrierenden Haupttheorien des Bewusstseins gegeneinander testet.