Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das sich von der frühesten Kindheit bis ins hohe Alter ständig verändert und weiterentwickelt. Es ist die Grundlage für unsere Kognition, unser Verhalten und unsere Persönlichkeit. Die Forschung hat gezeigt, dass das Gehirn im Laufe des Lebens bemerkenswerte Anpassungsfähigkeiten besitzt und dass bestimmte Lebensphasen besonders prägend für seine Entwicklung sind.
Frühe Kindheit: Netzwerk-Konsolidierung und Spezialisierung
Die erste Phase der Hirnentwicklung erstreckt sich von der Geburt bis zum Alter von etwa neun Jahren. In dieser Zeit kommt es zu einem rasanten Wachstum der grauen und weißen Substanz im Gehirn. Es findet eine Überproduktion von Synapsen statt, die später durch einen Ausleseprozess reduziert werden. Dieser Abschnitt wird als Phase der "Netzwerkkonsolidierung" bezeichnet.
Eine Studie der Universität Amsterdam (UvA), des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie, des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat gezeigt, wie wichtig eine vielfältige und hochwertige Ernährung für die Gehirnentwicklung ist. Die Forscher begleiteten ein Jahr lang 27 Kinder einer modernen Sammlergesellschaft in der Republik Kongo, die BaYaka. Sie beobachteten, dass die Kinder bereits im Alter von fünf Jahren selbstständig in Gruppen von Gleichaltrigen nach Nahrung suchen. Die Ergebnisse zeigten eine früh einsetzende Spezialisierung bei der Nahrungssuche. Gruppen mit mehr Jungen ernährten sich eher von Früchten und Samen, was oft riskante Kletterkünste erfordert, während Gruppen mit mehr Mädchen eher Knollen sammelten. Diese frühe Spezialisierung ermöglicht der menschlichen Spezies wahrscheinlich eine stabilere Energie- und Nährstoffversorgung, was es uns letztlich ermöglicht hat, uns ein wesentlich größeres Gehirn zu leisten als andere Primaten.
Jugend: Verfeinerung der neuronalen Netzwerke
Die zweite Epoche, die Phase der Jugend, erstreckt sich bis in die frühen Dreißiger. In dieser Zeit nimmt die Effizienz der Gehirnnetzwerke zu, sowohl innerhalb einzelner Regionen als auch über weite Distanzen. Das Gehirn verfeinert seine Nervenverbindungen immer weiter, wodurch unsere Denkfähigkeit zunimmt.
Erwachsenenalter: Stabilität und funktionelle Aufteilung
Mit etwa 32 Jahren tritt die Gehirnstruktur in ihre längste stabile Phase ein: das Erwachsenenalter. Auf topologischer Ebene zeigt sich eine langsame Zunahme der funktionellen Aufteilung - die Netzwerke werden etwas stärker in Teilbereiche gegliedert.
Lesen Sie auch: Die Phasen der Gehirnentwicklung im Kindesalter
Frühe Reife: Allmähliche Reorganisation
Der Einschnitt mit 66 Jahren ist ausgeprägter als zunächst sichtbar. Zwar verändern sich die Kennzahlen nicht abrupt, doch die Forscher erkennen eine deutliche Verschiebung in den globalen Mustern. In diesem Alter beginnt die weiße Substanz messbar abzubauen. Es findet eine allmähliche Reorganisation der Hirnnetzwerke statt, womöglich, um sich an den Alterungsprozess und den zunehmenden Verlust an Nervenzellverbindungen anzupassen. Hinzu kommen in diesem Alter häufig Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems, die sich ebenfalls auf das Gehirn auswirken können.
Gehobenes Alter: Abnehmende Vernetzung
Mit etwa 83 Jahren erreicht das Gehirn sein "gehobenes Alter". Die Aktivität beschränkt sich zunehmend auf einzelne Hirnregionen, während globale Verknüpfungen zwischen Arealen immer weiter abnehmen.
Die Evolution des menschlichen Gehirns
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.
Vor etwa sechs Millionen Jahren entwickelte sich innerhalb der Linie der Homininen eine für Primaten ungewöhnliche Art der Fortbewegung: der aufrechte Gang. Die Evolution des aufrechten Gangs ging der dramatischen evolutionären Expansion des Gehirnvolumens um bis zu vier Millionen Jahre voraus. Im Laufe der Evolution der aufrecht gehenden Homininen musste also bei der Geburt ein Baby mit immer größerem Kopf durch den bereits verengten knöchernen Geburtskanal.
Bereits bei der Geburt hat das Gehirn eines menschlichen Babys mit circa 400 ml etwa die Größe eines erwachsenen Schimpansengehirns. Bei Menschen verdreifacht sich das Volumen des Gehirns in den ersten Lebensjahren. Im Vergleich zu Menschenaffen nimmt das Gehirn des Menschen im Laufe der Kindesentwicklung also deutlich schneller an Volumen zu und wächst über einen etwas längeren Zeitraum. Bei Menschen sind zum Zeitpunkt der Geburt zwar alle Nervenzellen bereits angelegt, aber noch kaum miteinander verknüpft. Die ersten Lebensjahre sind entscheidend für die Vernetzung des Gehirns.
Lesen Sie auch: Die Bedeutung der Gehirnentwicklung im Kindesalter
Unterschiede zwischen Neandertalern und modernen Menschen
Ob es zwischen Neandertalern und modernen Menschen Unterschiede in geistigen und sozialen Fähigkeiten gab, ist eines der großen Streitthemen in der Anthropologie und Archäologie. Manche archäologischen Befunde deuten allerdings auf Unterschiede im Verhalten zwischen modernen Menschen und Neandertalern hin. So konnten Wissenschaftler nachweisen, dass sich das Muster der endocranialen Gestaltveränderung direkt nach der Geburt zwischen Neandertalern und modernen Menschen unterscheidet. Moderne Menschen unterscheiden sich von Neandertalern in einer frühen Phase der Gehirnentwicklung. Sobald die Milchzähne durchgebrochen sind, unterscheiden sich die Wachstumsmuster dieser beiden Menschengruppen allerdings nicht mehr. Diese Entwicklungsunterschiede direkt nach der Geburt könnten Auswirkungen auf die neuronale und synaptische Organisation des Gehirns haben.
Neuronenzahl und Geistesgaben
Bedeutet das Mehr an Neuronen im Menschen auch mehr unterschiedliche Eigenschaften, was erklären könnte, weshalb wir so viele Geistesgaben vom Lesen bis zum vorausschauenden Handeln haben? Ich denke schon, dass mehr Neurone in der Großhirnrinde, wenn sie denn richtig verschaltet sind, die kognitiven Fähigkeiten potentiell erhöhen. Aber es könnte außerdem sein, dass das menschliche Neuron etwas macht, was das Schimpansenneuron so nicht kann.
Die Rolle der Zellteilung
2016 haben wir einen ganz spezifischen Unterschied in der Zellteilung der so genannten apikalen Stammzellen an im Labor erzeugten Minigehirnen von Schimpansen und Menschen gefunden: eine Verlängerung der Metaphase der Mitose. Das ist eine wichtige Phase in der Zellkernteilung, bevor die Chromosomen in die beiden Tochterzellen gezogen werden. Da lässt sich der Mensch fünfzig Prozent mehr Zeit. Wir wissen noch nicht genau, was das bedeutet. Das ist ein hochspezifischer Effekt.
Eine wilde Spekulation: Wer langsamer ist, ist manchmal gründlicher. Vielleicht ist das bei der cortikalen Stammzellteilung auch so. Sprich: Die Fehlerrate bei der Verteilung des Erbmaterials könnte sinken. Bedeutet das letztlich auch, dass der Faktor Zeit das menschliche Gehirn zu dem macht, was es ist? So kann man es sagen.
Die Dauer der Neurogenese
Wir haben mathematisch modelliert, also am Computer nachgestellt, wie Neurone in verschiedenen Spezies entstehen. Das Muster der Stammzellteilungen in der Hirnrinde, die bei uns zu den 16 Milliarden Neuronen führt, würde auch zur geringeren Zahl an Neuronen in der Hirnrinde von Gorilla und Orang-Utan führen. Der Unterschied ist, dass bei uns die Entstehung von Nervenzellen ein paar Tage länger läuft. Das sorgt für die zwei bis dreifache Neuronenzahl in der menschlichen Großhirnrinde. Mit anderen Worten: Neben der Mutation in ARGHAP11B ist es die Verlängerung der Neurogenese, die das menschliche Gehirn hat größer werden lassen.
Lesen Sie auch: Entwicklung des Kleinhirns
Die Dauer der Neurogenese geht übrigens interessanter Weise mit der Dauer der Schwangerschaft einher. Die dauert bei uns 280 Tage und damit länger als beim Schimpansen mit 237 Tagen. Das bedeutet eine längere Phase der Entstehung von Neuronen in der menschlichen Hirnrinde.
Faltung der Hirnrinde
Wir haben uns die Faltung, wir sagen: Gyrifikation, von 102 Säugetieren einschließlich des Menschen angeschaut. Diese Säugetiere untergliedern sich in zwei wesentliche Gruppen, eine mit gar nicht oder nur gering gefalteten Gehirnen, wozu Mäuse und Koboldmakis (sehr kleine Primaten) zählen, und eine mit stark gefalteten Gehirnen wie etwa Delfine und Menschen.
Bei den Spezies in der Gruppe mit stark gefalteten Gehirnen entsteht pro Schwangerschaftstag vierzehn Mal mehr Hirnmasse im Föten als in der anderen Gruppe. Das ist beträchtlich. Und wir haben gefunden, dass diese Arten darüber hinaus oft eine verlängerte Phase der Bildung von Nervenzellen haben.
Die Großhirnrinde ist praktisch wie ein dickes Blatt Papier. Damit sie in den Schädel hineinpasst, wenn sie viele Neurone umfasst, ist es günstiger, wenn sie gefaltet ist.
Einflüsse während der Schwangerschaft
Die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem beginnt beim Embryo mit der 3. Schwangerschaftswoche. Bis zum Ende der 8. Woche sind Gehirn und Rückenmark fast vollständig angelegt. In den folgenden Wochen und Monaten wird im Gehirn eine Unmenge von Nervenzellen durch Zellteilung gebildet. Von diesen wird ein Teil vor der Geburt wieder abgebaut. 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.
Entwicklung nach der Geburt
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.
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. 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.
Bei der weiteren Entwicklung des Gehirns treten dann andere Dinge in den Vordergrund. Die wenig benutzten und offenbar nicht benötigten Verbindungsstellen werden abgebaut, die anderen Nervenfasern zwischen den Neuronen dagegen intensiver genutzt. Das ist der Grund für den Abbau der Synapsen ab dem 10. Lebensjahr um die Hälfte.
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.
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. 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.
tags: #entwicklung #des #menschlichen #gehirns #spitzer