Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, dessen Entwicklung und Funktion von zahlreichen Faktoren, darunter genetische Einflüsse, abhängen. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass bestimmte Gene, wie das Plexin-A1-Gen, eine entscheidende Rolle bei der Gehirnentwicklung spielen. Darüber hinaus untersuchen Wissenschaftler die Möglichkeit, im Labor gezüchtete Hirnstrukturen, sogenannte Hirnorganoide, für die Erforschung neurologischer Erkrankungen und die Entwicklung neuer Therapien zu nutzen. Auch die Ernährung, insbesondere der Konsum von "Brainfood", kann die kognitive Leistungsfähigkeit beeinflussen.
Die Rolle des Plexin-A1-Gens bei der Gehirnentwicklung
Eine aktuelle Studie unter der Federführung des Universitätsklinikums Bonn und des Anatomischen Instituts der Universität Bonn mit mehr als 60 internationalen Partnern hat gezeigt, dass das Plexin-A1-Gen eine breitere Rolle bei der Gehirnentwicklung zu spielen scheint als bisher angenommen. Die Erbanlage war in den Fokus der Wissenschaftler geraten, als sie am Universitätsklinikum Bonn ein Mädchen mit gravierenden Fehlbildungen der Speiseröhre, des Gehirns und der Augen untersucht hatten. Bei einer genetischen Analyse entdeckten sie, dass bei ihr das Plexin-A1-Gen gegenüber Gesunden verändert war.
Genetische Grundlagen und Vererbungsmuster
Als der Augustinermönch Gregor Mendel Mitte des 19. Jahrhunderts weiß blühende mit violett blühenden Erbsenpflanzen kreuzte, machte er eine interessante Entdeckung: Die Nachkommen waren sämtlich violett. Er nannte dieses Merkmal daher dominant, die weiße Blütenfarbe dagegen rezessiv. Der Grund für dieses Phänomen: In Erbsen kommt jedes Gen doppelt vor. Eine Version stammt von der mütterlichen und die andere von der väterlichen Pflanze. Wenn nun eine Erbse von einem Elternteil die Erbanlage für violette Blütenfarbe geerbt hat, von dem anderen aber die Erbanlage für weiße Blütenfarbe, gewinnt das Violett. Nur wenn in der Tochterpflanze zwei Erbanlagen für weiße Blüten zusammenkommen, wird sie weiß.
Auch im Menschen gibt es Gene, die sich entweder dominant oder rezessiv vererben. Bei den in der Studie untersuchten Mutationen ist der Fall dagegen nicht so klar: Manche von ihnen sind dominant - es reicht also, wenn entweder das von der Mutter stammende Gen oder das vom Vater mutiert ist, damit sich die Veränderung auswirkt. Andere sind dagegen rezessiv. „Diese Beobachtung hat man zwar auch schon vereinzelt bei anderen Genen gemacht, sie kam aber dennoch unerwartet“, erklärt Dr. Inzwischen haben die Forschenden auf diese Weise insgesamt zehn Patientinnen und Patienten gefunden; sie stammen aus sieben Familien. „Bei allen Betroffenen waren unterschiedliche Teile des Plexin-A1-Gens verändert“, betont Dworschak. „Fünf dieser Mutationen vererben sich rezessiv; die restlichen drei sind dominant.“
Funktionsweise des Plexin-A1-Gens
Dank weiterer Analysen ahnen die Wissenschaftler inzwischen auch, warum das so ist: Das Plexin-A1-Gen enthält die Bauanleitung für einen Rezeptor. Er sitzt in der Membran, die die Nervenzellen wie ein dünnes Häutchen umgibt. An seiner Außenseite können bestimmte Botenmoleküle andocken. Dadurch wird dann an dem anderen Ende des Rezeptors, das in die Zelle hineinragt, eine Reaktion ausgelöst.
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„Wenn eine Mutation die Außenseite des Rezeptors betrifft, kann er keine Signale mehr empfangen“, spekuliert Dworschak. „Ist davon aber nur eine der beiden Plexin-A1-Versionen betroffen, gibt es genügend intakte Rezeptoren, die das kompensieren können.“ Mutationen auf der Außenseite sind daher vermutlich rezessiv. Ein Fehler auf der Innenseite des Rezeptors kann dagegen zu einer gravierenden Fehlsteuerung der Zelle führen. Womöglich reicht es, wenn nur eine Version des Plexin-A1-Genes auf diese Weise verändert ist, um erheblichen Schaden anzurichten.
Auswirkungen von Mutationen im Plexin-A1-Gen
Insgesamt zeigen die Betroffenen ein breites Spektrum an Symptomen. Allen gemeinsam ist jedoch, dass bei ihnen die Hirnentwicklung in einem unterschiedlichen Ausmaß gestört ist. Auch Augen und Haut weisen bei vielen von ihnen Fehlbildungen auf. „Es war bekannt, dass das Plexin-A1-Gen beim Wachstum der Nervenzell-Ausläufer wichtig ist“, erklärt Reutter. „Für die Entwicklung vieler Organe spielt die Aussprossung von Nerven eine wesentliche Rolle. Die beobachteten Fehlbildungen bei den betroffenen Personen könnten daher durch die gestörte Entwicklung bestimmter Nervenfasern bedingt sein.“ Eine Folgestudie am Institut für Anatomie widmet sich derzeit dieser Fragestellung.
Tiermodelle zur Erforschung der Gehirnentwicklung
Das Plexin-A1-Gen übernimmt nicht nur bei uns eine wichtige Funktion, wie Untersuchungen an einer ganz anderen Art zeigen. Die Forschenden nutzten dazu die Expertise der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Benjamin Odermatt vom Institut für Neuroanatomie. Als Modellorganismus dient hier der Zebrafisch - nicht nur, weil er sich einfach artgerecht halten und schnell vermehren lässt: Viele seiner Gene kommen in ähnlicher Form auch beim Menschen vor. Dazu zählt auch das Plexin-A1-Gen. „Wenn wir diese Erbanlage im Zebrafisch ausschalten, zeigen sich ähnliche Störungen der Gehirnentwicklung wie beim Menschen“, erklärt Dworschak.
Hirnorganoide: Mini-Gehirne aus dem Labor
Forscher haben aus Stammzellen ein winziges Gehirn gezüchtet. Für Arzneimitteltests könnte es eine große Hilfe sein. Eine perfekte Nachbildung ist es allerdings nicht. Aus Stammzellen haben Wissenschaftler menschliche Miniatur-Gehirne wachsen lassen. Die "cerebralen Organoide" sind etwa vier Millimeter groß und bilden die frühe Entwicklung des menschlichen Gehirns nach.
Herstellung und Eigenschaften von Hirnorganoiden
In Wien waren embryonale Stammzellen. Diese sind in der Lage, sich in viele verschiedene Gewebetypen zu entwickeln. Sie besitzen dabei eine enorme Fähigkeit zur Selbstorganisation. Die Forscher nutzten diese Fähigkeit und ließen die Stammzellen in einem sich drehenden Bioreaktor heranwachsen. Durch die Rotation wird die Nährstoffversorgung der Zellen verbessert. Untersuchungen der Organoide zeigten, dass diese in verschiedene Bereiche unterteilt waren wie Vorder-, Mittel- und Hinterhirn. Die Experten betonen, dass mithilfe der Organkultur auch Entwicklungsstörungen oder Erkrankungen erforscht werden können, die im Tierversuch aufgrund bestimmter Unterschiede in der Gehirnentwicklung nicht untersucht werden können.
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Potenziale und Limitationen von Hirnorganoiden
Hirnorganoide erlaubten „neue Einblicke in die frühe Gehirnentwicklung und in die Entstehung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen“, schreiben die Fachleute in einer am Dienstag erschienenen Stellungnahme. Sie ermöglichen zudem die Untersuchung der Effekte von Medikamenten, Giftstoffen, Keimen oder Viren auf menschliche Gehirnzellen und auf die Gehirnentwicklung.“ Auch das Einsetzen solcher Hirnstrukturen in Gehirne lebender Tiere lehnt die Leopoldina in der Stellungnahme nicht grundsätzlich ab.
Allerdings sei es in der Regel weder möglich noch ethisch vertretbar, am lebenden Gehirn eines Menschen zu forschen. Organoide böten da eine Alternative. In Fachkreisen werde diskutiert, „ob und in welchem Maß menschliche Hirnorganoide moralischen Schutzpflichten unterliegen“, schreibt die Leopoldina. Das sei nach vorherrschender Meinung erst dann der Fall, wenn ein Organoid zumindest ein Minimum an Bewusstsein und/oder Empfindungsfähigkeit besitzt - „eine gegenwärtig nach allgemeinem Dafürhalten eindeutig nicht erfüllte Voraussetzung“.
Die Leopoldina betont, dass die Hirnorganoide vermutlich niemals die Dichte und Komplexität eines menschlichen Gehirns erreichen werden. Ein Grund für solche Limitierungen sei die mangelnde Versorgung von Organoiden mit Nährstoffen im Labor. Das kann verbessert werden, indem die Organoide in das Gehirn eines Nagers eingesetzt werden. Für solche Mensch-Tier-Chimären werde insbesondere geraten, entsprechende Forschungsvorhaben durch spezialisierte, interdisziplinär besetzte Ethik-Kommissionen bewerten zu lassen, schreibt die Leopoldina.
Ethische Aspekte der Hirnorganoid-Forschung
Die Forschung an Hirnorganoiden wirft ethische Fragen auf, insbesondere im Hinblick auf den moralischen Status dieser Strukturen und die Möglichkeit, sie in Tiere zu transplantieren. Die Leopoldina betont, dass Hirnorganoide nach vorherrschender Meinung erst dann moralischen Schutzpflichten unterliegen, wenn sie ein Minimum an Bewusstsein oder Empfindungsfähigkeit besitzen. Sie empfiehlt jedoch, Forschungsvorhaben, die das Einsetzen von Hirnorganoiden in Tiergehirne beinhalten, durch Ethik-Kommissionen bewerten zu lassen.
Gehirntransplantation: Science-Fiction oder Realität?
Im Film „Poor Things“ wurde ein Gehirn transplantiert und ein Neurochirurg kündigte bereits 2016 an, bald Köpfe transplantieren zu können. In der Welt von Medizin und Wissenschaft werden ständig Grenzen verschoben, um das Unmögliche möglich zu machen. Ein Beispiel, das fasziniert und Fragen aufwirft, ist die Gehirntransplantation.
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Technische Herausforderungen und anatomische Aspekte
Die Idee, ein Gehirn von einem Körper in einen anderen zu verpflanzen, wirft eine Reihe technischer Herausforderungen auf. Das menschliche Gehirn, geschützt durch den festen Schädel, ist nur mit speziellen neurochirurgischen Instrumenten zugänglich. Mit Kraniotomie-Sägen können Teile des Schädels präzise entfernt werden, um Zugang zum Gehirn zu erhalten. Dabei ist höchste Präzision erforderlich, um das empfindliche Organ nicht zu beschädigen.
Sobald das Gehirn freigelegt ist, besteht die Herausforderung darin, es zu entnehmen, ohne es zu beschädigen. Die Konsistenz des Gehirns ähnelt der eines Puddings, was seine Handhabung außerordentlich schwierig macht. Nach dem Durchtrennen des Schädelknochens trifft man jedoch nicht direkt auf das Gehirn, sondern auf drei Schutzmembrane bzw. die Hirnhäute. Die erste, die Dura, ist hart. Die zweite, die treffend benannte Arachnoidea, ist wie ein Spinnennetz, während die dritte, die Pia, zart und unsichtbar dünn ist.
Um das Gehirn zu entfernen, mussten die 12 Hirnnervenpaare und das Rückenmark durchtrennt werden. Diese müssten dann wieder alle korrekt angeschlossen werden. Doch die Forschung zur Nervenregeneration und -verbindung steckt noch in den Kinderschuhen. Innovative Ansätze wie biologische Klebstoffe und die Stimulation von Nervenzellen werden erprobt, bieten aber noch keine Erfolgsgarantie.
Ethische Implikationen und offene Fragen
Die potenziellen Nachwirkungen einer Gehirntransplantation sind unbekannt und spekulativ. Fragen der Identität, des Bewusstseins und der körperlichen Funktionen nach der Operation bleiben unbeantwortet. So faszinierend die Idee der Gehirntransplantation auch ist, die anatomischen, physiologischen und ethischen Hürden sind nach wie vor enorm.
Das Thema wirft auch wichtige ethische Fragen auf. Wenn Gehirntransplantationen machbar wären, welche Auswirkungen hätte dies auf unsere Vorstellungen von Identität und Menschlichkeit? Forschung auf diesem Gebiet erfordert nicht nur technisches Know-how, sondern auch eine sorgfältige ethische Reflexion.
Brainfood: Ernährung für das Gehirn
Als „Steuerzentrale“ vollbringt unser Gehirn jeden Tag Höchstleistungen. Es ist unermüdlich im Einsatz - selbst wenn wir schlafen. Daher ist es wichtig, für eine regelmäßige Energiezufuhr zu sorgen. Bestimmte Lebensmittel können die kognitive Leistungsfähigkeit des Gehirns steigern und werden daher als „Brainfood“ bezeichnet. Neben Proteinen, Kohlenhydraten und gesunden Fetten enthält Brainfood spezielle Vitamine wie beispielsweise Vitamin C, Mineralstoffe wie Kalium und Spurenelemente wie Selen.
Wichtige Nährstoffe für die Gehirnfunktion
- Komplexe Kohlenhydrate: Sie werden äußerst langsam aufgespalten und versorgen das Gehirn daher über einen langen Zeitraum mit Energie (Glucose).
- Eiweiß (Proteine): Die enthaltenen Aminosäuren tragen zur Bildung von Hormonen und Neurotransmittern bei und erhöhen zum Beispiel die Konzentration und Lernfähigkeit. Die wichtigsten Neurotransmitter sind Serotonin, Dopamin und Acetylcholin.
- Fette: Sie können nicht nur die Kommunikationsfähigkeit zwischen den Nervenzellen unterstützen, sondern tragen auch zu einer besseren Durchblutung bei.
- Vitamine, Mineralstoffe und Spurenelemente:
- Vitamin C: Trägt zu einer normalen Funktion des Nervensystems und normalen psychischen Funktion bei.
- B-Vitamine: Fördern die mentale Gesundheit.
- Kalium: Hilft dabei, den Blutdruck zu regulieren und spielt bei der Reizweiterleitung in Nerven- und Muskelzellen eine wichtige Rolle.
- Magnesium: Unterstützt die Energieproduktion des Körpers und kann Müdigkeit verringern.
- Selen: Trägt zu einer optimalen Funktion der Schilddrüse und des Immunsystems bei.
Weitere Faktoren für eine optimale Gehirnfunktion
Auch Wasser ist ein Brainfood. Es sorgt dafür, dass Ihr Blut dünnflüssig ist und somit besser zirkulieren kann. So wird Ihr Gehirn optimal mit Nährstoffen versorgt. Achten Sie darauf, täglich ausreichend Wasser zu trinken - am besten in Form von stillem Mineralwasser oder ungesüßten Kräutertees.
Kaffee sollten Sie nach Möglichkeit meiden, da ein zu hoher Konsum die Ausschüttung von Adrenalin begünstigt. Das kann Ihre Konzentration beeinträchtigen. Besser ist grüner Tee. Einen ähnlich negativen Effekt wie Kaffee hat Zucker. Der Konsum kann bestimmte Rezeptoren im Gehirn aktivieren, die das Suchtverhalten fördern und ein ständiges Verlangen begünstigen. Daher sollten Sie den Zucker in Ihrer Ernährung reduzieren. Insbesondere Soft-Getränke enthalten viel Zucker. Wenn Sie Lust auf Schokolade haben, greifen Sie lieber zu dunkler Schokolade mit hohem Kakaoanteil. Diese hat nicht nur weniger Zucker, sondern enthält auch Tryptophan.
Fazit zum Thema Brainfood
Brainfood wird als Nahrung für das Gehirn häufig unterschätzt. Sofern diese Lebensmittel regelmäßig auf Ihrem Speiseplan stehen, können sie durchaus positive Auswirkungen auf Ihre kognitive Leistungsfähigkeit haben. Neben frischem Obst und Gemüse spielen Lebensmittel mit Omega-3-Fettsäuren, Proteinen und komplexen Kohlenhydraten eine wichtige Rolle.
Die Hirnanhangdrüse: Eine erbsengroße Schaltzentrale
Die Hirnanhangdrüse (Fachbegriff: Hypophyse) ist eine etwa erbsen- bis kirschgroße Ausstülpung an der Unterseite des Gehirns. Sie steuert verschiedene Körperfunktionen und die Produktion vieler Hormone im Körper.
Aufbau und Funktion der Hirnanhangdrüse
Dazu bildet die Hypophyse eine Reihe von Hormonen, die auf die meisten Hormondrüsen im Körper oder direkt auf bestimmte Organe wirken. Zudem hat sie die Aufgabe, das unwillkürliche (vegetative) Nervensystem zu steuern. Dieses überwacht und reguliert den Energie-, Wärme- und Wasserhaushalt - und damit die Körpertemperatur, den Herzschlag und die Urinausscheidung, ebenso Schlaf, Hunger und Durst. Bei der Erfüllung beider Aufgaben spielt auch der Hypothalamus, ein Teil des Zwischenhirns, eine Rolle.
Die Hirnanhangdrüse liegt gut geschützt in einer Vertiefung des Schädelknochens, etwa in der Mitte des Kopfes auf Höhe der Augen.
Hormone der Hirnanhangdrüse
Die Hirnanhangdrüse besteht aus drei Teilen:
- Vorderlappen
- Hinterlappen
- Bereich zwischen beiden Lappen (Zwischenteil oder Pars intermedia)
- Hypophysenstiel: Er verbindet die Hirnanhangdrüse mit dem Zwischenhirn.
Der Vorderlappen macht etwa drei Viertel der Hirnanhangdrüse aus. Er produziert folgende Hormone:
- Thyreoidea-stimulierendes Hormon (TSH): beeinflusst die Schilddrüse.
- adrenokortikotropes Hormon (ACTH): regt die Nebennieren an
- Follikel-stimulierendes Hormon (FSH) und luteinisierendes Hormon (LH): wirken auf die Eierstöcke und Hoden.
Die Produktion dieser Hormone wird gesteuert:
- über den Hypothalamus, der anregende Hormone (Releasing-Hormone) oder hemmende Hormone (Inhibiting-Hormone) bildet
- über den Hormonspiegel im Blut: So bringt beispielsweise TSH die Schilddrüse dazu, je nach Bedarf mehr oder weniger Schilddrüsenhormone zu bilden. Enthält das Blut genug Schilddrüsenhormone, hört die Hirnanhangdrüse auf, TSH zu produzieren. Ist der Hormonspiegel zu niedrig, kurbelt die Hirnanhangdrüse die Produktion von TSH an. Die Schilddrüse produziert dann mehr Schilddrüsenhormone.
Der Hinterlappen der Hirnanhangdrüse besteht hauptsächlich aus einem Geflecht von Nervenfasern, die dem Hypothalamus entstammen. Er speichert und gibt folgende Hormone ab, die im Hypothalamus gebildet werden:
- Oxytocin: wirkt auf die Gebärmutter und die Brustdrüse und löst zum Beispiel die Wehen aus
- antidiuretisches Hormon (ADH): steuert die Wasseraufnahme in der Niere und verengt die Blutgefäße. Dadurch kann sich der Blutdruck erhöhen.
Zwischen Vorder- und Hinterlappen befindet sich ebenfalls hormonbildendes Gewebe. In diesem Zwischenteil werden Melanozyten-stimulierende Hormone (MSH) gebildet. Sie fördern unter anderem in der Haut die Bildung von Melanin, einem Farbstoff, der vor schädlichen UV-Strahlen schützt.
Die Erbse als Nutzpflanze und ihre Bedeutung für die Gesundheit
Die Erbse ist eine der ältesten Nutzpflanzen der Welt und hat ihren Ursprung in China. Etwa im 16. Jahrhundert kam sie dann zu uns nach Europa. Es gibt verschiedene Sorten von Erbsen:
- Ackererbse: Sie wird auch Futtererbse genannt und wird als Körnerfutter angebaut, denn die geschroteten Samen dienen als Kraftfutter für Milchkühe und Geflügel. Man kann sie auch als Grünfutter bzw. Gründünger anbauen.
- Palerbsen: Als trockenes Korn werden diese Erbsen meist zum Kochen verwendet.
- Markerbsen: Diese Sorte wird oft mit der Zuckererbse verwechselt, da sie süßlich schmeckt. Sie wird meist in konservierter oder tiefgekühlter Form genutzt.
- Zuckererbse: Diese wird auch Zuckerschote genannt und gehört zur beliebtesten Erbsensorte.
Erbsen enthalten viel Eiweiß, wertvolle Mineralstoffe und Spurenelemente. Auch der Gehalt an Eisen, Zink, Kupfer, Kalium und Kalzium ist hoch. Die Vitamine B1 und B2 wirken sich vorteilhaft auf Nerven und Gehirnfunktion aus. Der Fettgehalt in Erbsen ist niedrig. Frisch geerntete Erbsen enthalten zudem Carotinoide, Vitamin C und E.
Sehr beliebt in Europa ist die sogenannte Erbsensuppe, aber auch viele verschiedene Salate und Pürees kann man aus diesen kleinen Hülsenfrüchten zubereiten. Selten findet man frische Erbsen, denn diese sind nicht besonders lange haltbar und verlieren schnell Geschmack. Zusätzlich werden Erbsen als nachwachsende Rohstoffe für die Gewinnung von Stärke eingesetzt, z. B. zur Herstellung biologisch abbaubarer Folien.