Das menschliche Gehirn und das Zentralnervensystem (ZNS) sind von unschätzbarer Komplexität. Ihre Entwicklung ist ein faszinierender Prozess, der von der frühen Embryonalphase bis in die späte Adoleszenz reicht. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Stadien der Entwicklung des menschlichen Gehirns und ZNS, von den ersten Zellteilungen bis zur Optimierung der neuronalen Verbindungen im Jugendalter. Dabei werden sowohl normale Entwicklungsprozesse als auch mögliche Störungen und Einflüsse auf diese Prozesse betrachtet.
Das Nervensystem: Eine Einführung
Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk von Nervenzellen, das den gesamten menschlichen Körper durchzieht. Es ermöglicht die Kommunikation mit der Umwelt und steuert gleichzeitig vielfältige Mechanismen im Körperinneren. Es nimmt Sinnesreize auf, verarbeitet diese und löst Reaktionen aus, wie Muskelbewegungen oder Schmerzempfindungen.
Das Nervensystem besteht aus vielen Milliarden Nervenzellen, den sogenannten Neuronen. Allein im Gehirn befinden sich etwa 100 Milliarden Neuronen. Jede Nervenzelle besteht aus einem Zellkörper und verschiedenen Fortsätzen. Die kürzeren Fortsätze, die Dendriten, wirken wie Antennen und empfangen Signale von anderen Nervenzellen.
Je nach Lage der Nervenbahnen im Körper wird zwischen dem zentralen und dem peripheren Nervensystem unterschieden. Das zentrale Nervensystem (ZNS) umfasst die Nervenbahnen in Gehirn und Rückenmark und ist sicher im Schädel und im Wirbelkanal der Wirbelsäule eingebettet.
Das Nervensystem lässt sich weiter unterteilen in:
Lesen Sie auch: Die Phasen der Gehirnentwicklung im Kindesalter
- Willkürliches Nervensystem (somatisches Nervensystem): Steuert alle bewussten und willentlich beeinflussbaren Vorgänge, wie gezielte Bewegungen von Muskeln.
- Vegetatives Nervensystem (autonomes Nervensystem): Regelt unwillkürliche Abläufe im Körper, wie Atmung, Herzschlag und Stoffwechsel. Es empfängt Signale aus dem Gehirn und sendet sie an den Körper, und umgekehrt. Es kann die Körperfunktionen sehr rasch an veränderte Bedingungen anpassen.
Sowohl das zentrale als auch das periphere Nervensystem enthalten willkürliche und unwillkürliche Anteile. Das vegetative Nervensystem besteht aus drei Teilen:
- Sympathisches Nervensystem (Sympathikus): Bereitet den Körper auf körperliche und geistige Leistungen vor, indem es beispielsweise den Herzschlag beschleunigt und die Atemwege erweitert.
- Parasympathisches Nervensystem (Parasympathikus): Kümmert sich um die Körperfunktionen in Ruhe, indem es beispielsweise die Verdauung aktiviert und Stoffwechselvorgänge ankurbelt.
- Eingeweide-Nervensystem (enterisches Nervensystem): Steuert die Funktion des Magen-Darm-Trakts.
Sympathikus und Parasympathikus wirken im Körper meist als Gegenspieler.
Frühe Entwicklung: Embryogenese und Fetalperiode
Die Entwicklung des menschlichen Gehirns und Nervensystems beginnt bereits in der Embryonalzeit, genauer gesagt mit der 3. Schwangerschaftswoche. Bis zum Ende der 8. Woche sind Gehirn und Rückenmark fast vollständig angelegt. In den folgenden Wochen und Monaten werden im Gehirn unzählige Nervenzellen durch Zellteilung gebildet. Ein Teil dieser Zellen wird jedoch vor der Geburt wieder abgebaut.
Die Entwicklung des Menschen von der befruchteten Eizelle bis zum ausgereiften Organismus wird als Ontogenese bezeichnet. Sie wird durch Prozesse der Determinierung und Differenzierung bestimmt. Die einzigartige genetische Ausstattung eines jeden Menschen hängt von der Ausstattung der Eizelle und des Spermiums ab, aber auch von dem Prozess der Vereinigung und Verteilung des genetischen Materials, dem Arrangement der DNA-Stränge und der Aktivierung bzw. Deaktivierung bestimmter Genabschnitte, was lokalen, intrauterinen und epigenetischen Einflüssen unterliegt.
Die Phase der Organdeterminierung liegt in der Embryonalzeit, die vom 16. bis zum 60. Gestationstag andauert. Hier erfolgt, durch Entwicklungsgene gesteuert, die Bildung der Organanlagen sowie die Festlegung des Geschlechts. Im weiteren Verlauf folgt die Organdifferenzierung, die sich in der Fetalzeit ab dem 3. Schwangerschaftsmonat bis zum Ende der körperlichen Entwicklung erstreckt.
Lesen Sie auch: Die Bedeutung der Gehirnentwicklung im Kindesalter
Während der Embryonalzeit entwickelt sich aus den ektodermalen Zellen die Neuralplatte, die sich zur Neuralrinne und dann zum Neuralrohr auffaltet. Im Kopfbereich differenzieren sich aus diesem Gewebe der Hirnstamm, das Kleinhirn, das Mittelgehirn und schließlich das Großhirn. Im Körperbereich bilden sich neben dem Neuralrohr die Spinalganglien und das weit verzweigte periphere Nervensystem.
Viele angeborene, gravierende Fehlbildungen der Körperorgane und -systeme entstehen durch primäre Störungen oder das Fehlen von Entwicklungsgenen oder durch sekundäre Schädigungen der Entwicklungsgene bereits sehr früh in der Embryonalzeit. Häufig also zu einem Zeitpunkt, bei dem die Schwangerschaft noch nicht bekannt ist. Während der Fetalzeit differenzieren sich die angelegten Organe.
Die Differenzierung der einzelnen Organsysteme verläuft in der embryonalen und fetalen Entwicklung in einem sehr unterschiedlichen Tempo. Die meisten Organsysteme sind nach der Neugeborenenperiode jedoch weitgehend funktionsfähig. Das jedoch im Vergleich zu anderen Säugetieren außerordentlich unreife Organ ist das Gehirn. Bezogen auf die neurobiologische Entwicklung ist das Kind auch zum typischen Geburtstermin in der 40. Schwangerschaftswoche ein frühgeborenes Wesen.
Die Rolle der Synaptogenese
Die neuronale Entwicklung endet nicht mit der Geburt, sondern reicht bis in die späte Adoleszenz hinein. Im Verlauf der Gehirnentwicklung kommt es zur Verbindung der Milliarden Nervenzellen (Neurone) über Synapsen, die sich weiter nach der Art der dort tätigen Botenstoffe (Neurotransmitter) differenzieren. Jedes Neuron kann mit Tausenden anderen Neuronen verbunden werden.
Die Synaptogenese ist ein lebenslanger Prozess. Forschungen aus Tierstudien deuten darauf hin, dass die Synapsendichte einen Höhepunkt im 1. Lebensjahr erreicht. Dabei ist die Apoptose, der programmierte Zelltod, von Bedeutung.
Lesen Sie auch: Entwicklung des Kleinhirns
Externe Einflüsse und Störungen der Entwicklung
Während der gesamten Schwangerschaft sind die neuronalen Strukturen äußerst empfindlich und damit anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Bereits in dieser Phase spielt die Ökologie der intrauterinen Umwelt eine große Rolle. Eine direkte Schädigung und damit Veränderung des Erbgutes kommt insbesondere bei erhöhter Strahlenbelastung und toxisch-chemischen Einflüssen vor.
Auch durch chemische Substanzen kann das Erbgut intrauterin geschädigt oder verändert werden, in der Regel ist der Nachweis einer Verursachung jenseits von schweren Unfällen mit massiver Freisetzung der toxischen Substanzen schwierig.
Mütterliche körperliche Erkrankungen während der Schwangerschaft, wie Diabetes mellitus, Epilepsie und andere chronische Erkrankungen, können entweder den Embryo oder Fetus durch eine Veränderung des intrauterinen Milieus oder Übertragung von Medikamenten direkt schädigen, oder über eine Beeinträchtigung der Funktion der Plazenta die Nahrungszufuhr zum Ungeborenen verändern. Bei viralen Erkrankungen ist auch ein Übergang der Viren auf das Kind selbst möglich, sodass es zu einer intrauterinen pränatalen Infektion kommt.
Durch angeborene Störungen des Gerinnungssystems, Erkrankungen der Mutter oder Unfälle während der Schwangerschaft können bereits beim ungeborenen Kind Infarkte oder Blutungen des Gehirns zu einer intrazerebralen Schädigung führen. Unverträglichkeiten zwischen dem mütterlichen und dem kindlichen Blutsystem (z. B. Rhesus-Inkompatibilität) können zu schwerer Blutarmut und Herzinsuffizienz führen.
Neben diesen direkten Einwirkungen werden auch durch Veränderungen des intrauterinen Milieus die Expression von Genen und damit die Regulation von Wachstum und Entwicklungsprozessen beeinflusst. Das wichtigste Beispiel dafür ist der Einfluss des Nikotinabusus auf die Gefäßausstattung der Plazenta und damit die Ernährung des ungeborenen Kindes.
Weit größere Folgen als die intrauterine Exposition von Nikotin hat die mit Alkohol, der zum Teil direkt zur Schädigung von Entwicklungsgenen und damit angeborenen Fehlbildungen und angeborenen Entwicklungsstörungen des Gehirns führt, wie auch durch toxische Prozesse eine normale Differenzierung der Gewebe, insbesondere des zentralen Nervensystems hemmt.
Auch psychische Erkrankungen der Mütter oder toxischer Stress, insbesondere durch Gewalterfahrungen während der Schwangerschaft, können sich über die veränderte Regulation von Stresshormonen bereits pränatal auf die Genexpression und -regulation des ungeborenen Kindes auswirken.
Entwicklung nach der Geburt: Kindheit und Jugend
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.
Beim Säugling stehen zunächst Reflexe im Vordergrund. Nach 6 Monaten hat sich das Gehirn soweit entwickelt, dass Babys lernen Oberkörper und Gliedmaßen zu kontrollieren. Im Alter von 2 Jahren haben die meisten Nervenfasern von Rückenmark, Nachhirn und Kleinhirn ihre endgültige Dicke erreicht und damit ihre Ummantelung abgeschlossen. Im Gehirn nimmt die Anzahl der Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, in den ersten 3 Lebensjahren rasant zu. Mit 2 Jahren haben Kleinkinder so viele Synapsen wie Erwachsene und mit 3 Jahren sogar doppelt so viele.
Ab dem 10. Lebensjahr wird das Gehirn dann optimiert. Nur die Nervenverbindungen bleiben erhalten, die häufig gebraucht werden, die übrigen verschwinden. Im weiteren Verlauf des Lebens kann die komplexe Struktur des fertig entwickelten Gehirns in gewissen Grenzen umgebaut und umfunktioniert werden.
Bereits Babys besitzen die Fähigkeit sich zu erinnern. Die Entwicklung eines Langzeitgedächtnisses, das uns erlaubt, Erlebnisse und Erfahrungen, die Jahre zurückliegen, zu erinnern, dauert aber noch einige Zeit. 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.
Aktuelle Forschung und Zukunftsperspektiven
Aktuell werden Konzepte der Wirksamkeit von genetischer Ausstattung, Regulierung von Genen aufgrund äußerer Einflüsse, Umwelteinflüssen, wie Ernährung, Bewegung, Klima, traumatischen Lebensereignissen und sozialer Interaktion auf die Lebensspanne, und die Interaktionen all dieser Einflussfaktoren, verstärkt diskutiert.
Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen, aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen neuronale Netzwerke mit komplexen Funktionen des menschlichen Gehirns herzustellen. Diese so genannten Bioengineered Neuronal Organoids (BENOs), eignen sich somit zur genaueren Erforschung des Verlusts von Lernfähigkeit und Gedächtnis bei neurodegenerativen Erkrankungen.
Erste Anwendungen finden BENOs bereits in der Simulation von Erkrankungen des zentralen Nervensystems, zum Beispiel von Epilepsie Syndromen, und in der Testung von Arzneistoffen. Von besonderer Bedeutung ist zudem, dass sich BENOs durch die breite Verfügbarkeit von induzierten pluripotenten Stammzellen aus prinzipiell jedem Menschen, mit oder ohne Erkrankung, herstellen lassen.
tags: #die #entwicklung #des #menschlichen #gehirns #und