Die Phasen der Gehirnentwicklung: Eine Lebenslange Reise

Das menschliche Gehirn ist ein bemerkenswertes Organ, das sich ständig verändert und anpasst. Während die dramatischsten Veränderungen in der Kindheit stattfinden, bleibt das Gehirn bis ins hohe Alter formbar. Neueste Forschungen haben fünf wichtige Phasen oder "Epochen" der Gehirnentwicklung identifiziert, die durch bedeutende Wendepunkte gekennzeichnet sind. Diese Erkenntnisse bieten wertvolle Einblicke in die Art und Weise, wie wir geistig reifen und altern, und könnten unser Verständnis von Lernschwierigkeiten und neurologischen Erkrankungen verbessern.

Fünf Wendepunkte im Lebenslauf des Gehirns

Eine umfassende Studie der University of Cambridge analysierte Hirnscans von über 3800 Personen im Alter von der Geburt bis zum 90. Lebensjahr. Die Forscher identifizierten vier wichtige Wendepunkte in der neuronalen Vernetzung, die im Durchschnitt im Alter von 9, 32, 66 und 83 Jahren auftreten. Diese Wendepunkte markieren den Beginn neuer Entwicklungsabschnitte, die mit charakteristischen altersbedingten Veränderungen in der Struktur des Gehirns einhergehen.

• Kindheit (Geburt bis ca. 9 Jahre): Diese Phase ist durch eine rasche Zunahme der grauen und weißen Substanz sowie eine Überproduktion von Synapsen gekennzeichnet. Das Gehirn reduziert die Fülle an Synapsen, den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Nervenzellen, auf jene, die wirklich benötigt werden. Über das gesamte Gehirn hinweg entstehen neue Verknüpfungen, während das Volumen an grauer Substanz (die vornehmlich Nervenzellkörper enthält) und weißer Substanz (die vor allem aus den Fortsätzen der Nevenzellen, also den Nervenfasern, besteht) stark zunimmt. Gleichzeitig nimmt auch die Dicke der Großhirnrinde zu und die Faltung stabilisiert sich. Die Forscher bezeichnen diese Phase als "Netzwerkkonsolidierung".
• Jugend (ca. 9 bis 32 Jahre): In dieser Phase wächst vor allem das Volumen der weißen Substanz, also der Nervenfasern, weiter an, während das Gehirn seine Nervenverbindungen immer weiter verfeinert. Dadurch, dass Nervenzellen innerhalb einzelner Hirnareale und Areale miteinander immer effizienter kommunizieren, nimmt unsere Denkfähigkeit zu. Die Organisation der Kommunikationsnetzwerke des Gehirns werde zunehmend verfeinert. Kennzeichnend sei eine schnelle Kommunikation im gesamten Gehirn, verbunden mit einer verbesserten kognitiven Leistungsfähigkeit. Das Gehirn optimiert die Pfadlänge der Verbindungen. Dadurch arbeitet das Gehirn in dieser Phase insgesamt zunehmend effizienter. Nun verbessert sich auch wieder die Kommunikation über weite Teile des Gehirns. Die Forscher fanden heraus, dass jugendliche Veränderungen in der Gehirnstruktur mit etwa Anfang 30 enden.
• Erwachsenenalter (ca. 32 bis 66 Jahre): Mit Anfang 30 sieht das Forschungsteam die maximale Leistungsfähigkeit des Gehirns erreicht, der stärkste Wendepunkt der gesamten Lebensspanne stehe an. Der genaue Zeitpunkt sei recht variabel und hänge unter anderem auch von kulturellen, historischen und sozialen Faktoren ab. Im Vergleich zu früheren Phasen stabilisiert sich die Gehirnarchitektur. Die einzelnen Areale teilen sich stärker auf, sonst bleiben Intelligenz und auch Persönlichkeit in dieser Phase relativ stabil. Die Gehirnarchitektur stabilisiert sich verglichen mit früheren Phasen - und das gleich für rund drei Jahrzehnte. Obwohl das Gehirn in dieser Phase effizient arbeitet, sind die komplexen, schnellen Veränderungen der Jugend vorbei. Die Forschenden konnten beobachten, wie die Hirnregionen langsam stärker voneinander abgegrenzt werden.
• Frühe Reife (ca. 66 bis 83 Jahre): Mit etwa 66 Jahren stehe dann der am wenigsten ausgeprägte Wendepunkt ohne größere strukturelle Veränderungen an: Mitte der Sechziger erreiche eine allmähliche Umstrukturierung der Hirnnetzwerke ihren Höhepunkt. Es organisiert sich allmählich wieder um, 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. 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.
• Gehobenes Alter (ab ca. 83 Jahre): Der letzte Wendepunkt erfolgt der Analyse zufolge im Alter von etwa 83 Jahren: Das menschliche Gehirn trete in die Phase des späten Alterns ein. Die Vernetzung nehme weiter ab. Da es keine Studienteilnehmer über 90 Jahren gab, ging der Untersuchungszeitraum nur bis zu diesem Lebensalter. Die Aktivität beschränkt sich zunehmend auf einzelne Hirnregionen, während globale Verknüpfungen zwischen Arealen immer weiter abnehmen. 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.

Die Bedeutung der frühen Gehirnentwicklung

Die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem beginnt bereits beim Embryo in 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. 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.

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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.

Die Bedeutung der Gehirnverdrahtung für die Entwicklung

Die Art und Weise, wie unser Gehirn verdrahtet ist, spielt eine entscheidende Rolle für unsere Entwicklung. Viele neurologische Entwicklungsstörungen, psychische Erkrankungen und neurologische Erkrankungen hängen mit der Verdrahtung des Gehirns zusammen. Die aktuelle 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.

Implikationen für Lernen und psychische Gesundheit

Das Verständnis der verschiedenen Phasen der Gehirnentwicklung kann uns helfen zu verstehen, warum Menschen in bestimmten Lebensphasen besser in der Lage sind, bestimmte Dinge zu lernen oder warum sie anfälliger für bestimmte Erkrankungen sind.

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• Kindheit und Jugend: Die raschen Veränderungen im Gehirn während der Kindheit und Jugend machen diese Phasen besonders wichtig für die Entwicklung von kognitiven Fähigkeiten und sozialem Verhalten. Lernschwierigkeiten oder psychische Probleme, die in diesen Phasen auftreten, können langfristige Auswirkungen haben. 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," sagte Mousley.
• Erwachsenenalter und frühe Reife: In diesen Phasen ist das Gehirn relativ stabil, aber es gibt immer noch Veränderungen, die sich auf unsere kognitiven Fähigkeiten und unsere psychische Gesundheit auswirken können. Stress, familiäre Veränderungen oder berufliche Belastungen können eine Rolle spielen. Mit etwa 66 Jahren stehe dann der am wenigsten ausgeprägte Wendepunkt ohne größere strukturelle Veränderungen an: Mitte der Sechziger erreiche eine allmähliche Umstrukturierung der Hirnnetzwerke ihren Höhepunkt. Dies sei ein Alter, in dem Menschen einer Vielzahl von Gesundheitsproblemen ausgesetzt seien.
• Gehobenes Alter: Im Alter nimmt die neuronale Vernetzung ab, was die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Hirnregionen erschwert. Bluthochdruck oder andere gesundheitliche Probleme können Blutgefäße im Gehirn schädigen und so die geistigen Fähigkeiten beeinträchtigen. Dennoch zeigen aktuelle Studien, dass das Gehirn auch im hohen Alter bemerkenswerte Anpassungsfähigkeiten besitzt. Diese Studie belegt auch, dass tiefere Hirnregionen in der Lage sind, schwächere Nervensignale zu verstärken und so den Abbau neuronaler Netzwerke teilweise zu kompensieren.

Die Evolution des 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. Jüngste Forschungsergebnisse betonen daher die Bedeutung des Wachstumsmusters im Laufe der Kindesentwicklung.

Vor etwa sechs Millionen Jahren entwickelte sich innerhalb der Linie der Homininen eine für Primaten ungewöhnliche Art der Fortbewegung: der aufrechte Gang. Unter anderem wurde das Becken schmaler und dadurch der Geburtskanal des knöchernen Beckens kleiner. 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. Die Geburt wurde zu einem immer größeren Risiko für Mutter und Kind und damit auch zu einem evolutionären Risiko für die gesamte Art.

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. Auch bei Schimpansen und anderen Menschenaffen wächst das Gehirn noch nach der Geburt, aber bei Menschen findet ein größerer Anteil des Gehirnwachstums und der Gehirnentwicklung nach der Geburt statt. 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. Relativ gesehen bedeutet das aber eine Verlangsamung der Gehirnentwicklung bei Menschen. 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. Klinische Studien haben gezeigt, dass in der frühen Kindheit selbst geringfügige Abweichungen im Muster der Gehirnentwicklung die Struktur des Gehirns und damit Kognition und Verhalten beeinflussen. Dieses dynamische Netzwerk ist das Substrat für Kognition und entwickelt sich besonders beim Menschen unter dem Eindruck der Stimuli außerhalb des Mutterleibes.

Unterschiede in der Gehirnentwicklung zwischen Menschenarten

Ob es zwischen Neandertalern und modernen Menschen Unterschiede in geistigen und sozialen Fähigkeiten gab, ist eines der großen Streitthemen in der Anthropologie und Archäologie. So konnten Wissenschaftler nachweisen, dass sich das Muster der endocranialen Gestaltveränderung direkt nach der Geburt zwischen Neandertalern und modernen Menschen unterscheidet. Zur Zeit der Geburt ist das Gesicht eines Neandertalers bereits größer als das eines modernen Menschenbabys. Die gut dokumentierten Unterschiede in der Gehirngestalt zwischen erwachsenen modernen Menschen und Neandertalern entwickeln sich aber erst nach der Geburt.

Sowohl Neandertaler als auch Homo sapiens haben bei der Geburt längliche Schädel mit etwa gleich großen Gehirnen. Erst im Laufe des ersten Lebensjahres entwickelt sich bei modernen Menschen die charakteristisch runde Schädelform. Da sich die knöcherne Gehirnkapsel an das expandierende Gehirn anpasst, bedeutet das, dass die Gehirne von modernen Menschen und Neandertalern von der Geburt bis etwa zum Durchbrechen der ersten Milchzähne unterschiedlich wachsen. 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. Erst kürzlich ergaben genetische Studien, dass sich der moderne Mensch vom Neandertaler durch einige Gene unterscheidet, die wichtig für die Gehirnentwicklung sind.

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Das Gehirn im Alter: Abbau und Anpassung

Im Alter treten im Gehirn unweigerlich Abbauprozesse auf. Die neuronale Vernetzung nimmt ab, und die Kommunikation zwischen den verschiedenen Hirnregionen wird erschwert. Allerdings besitzt das Gehirn auch im hohen Alter bemerkenswerte Anpassungsfähigkeiten. Tiefere Hirnregionen sind in der Lage, schwächere Nervensignale zu verstärken und so den Abbau neuronaler Netzwerke teilweise zu kompensieren. Ein aktiver Lebensstil, vor allem aber Neugier und lustvolles Lernen bewahren die menschliche Geisteskraft.

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