Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das sich ständig verändert und anpasst. Besonders bemerkenswert sind die Veränderungen, die während der Schwangerschaft und in den ersten Lebensjahren eines Kindes stattfinden. Aktuelle Forschungsergebnisse verschiedener Universitäten und Institute, darunter das Max-Planck-Institut, geben tiefe Einblicke in die komplexen Prozesse, die hier ablaufen.
Frühe Kindheit: Die Entwicklung der Sprachverarbeitung
Das Gehirn eines Neugeborenen ist noch nicht vollständig entwickelt und arbeitet vergleichsweise langsam. Die Fähigkeit zur schnellen Verarbeitung von Signalen reift erst in den ersten Lebensjahren heran. Dies ist besonders wichtig für den Spracherwerb.
Die Herausforderung der Phonemerkennung
Menschliche Sprache besteht aus einer einzigartigen Kombination von Lauten, den sogenannten Phonemen. Diese Phoneme sind entscheidend für die Unterscheidung von Bedeutungen. Babys sind bereits im ersten Lebensjahr in der Lage, die Phoneme ihrer Muttersprache zu erkennen. Dies ist erstaunlich, da Phoneme im Sprachsignal oft sehr kurz sind und das Babygehirn eigentlich noch langsam arbeitet.
Die Lösung: Konstante Merkmale von Phonemen
Forschungen des MPI CBS, insbesondere die Arbeit von Katharina Menn und ihren Kollegen, haben gezeigt, dass Babys es schaffen, auch kurze Laute zu verarbeiten, indem sie konstante Merkmale von Phonemen erkennen. Obwohl einzelne Phoneme nur etwa 50 Millisekunden dauern, verändern sich manche Eigenschaften der Sprachlaute wesentlich langsamer. Oft treten mehrere Laute nacheinander auf, die eine Eigenschaft teilen.
EEG-Studien zeigen allmähliche Entwicklung
Mithilfe von Elektroenzephalographie-Messungen (EEG) konnte die Entwicklung der neuralen Reaktionen auf die Phoneme der Muttersprache bei Babys im Alter von 3 Monaten bis 5 Jahren verfolgt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass Babys zunächst jene Lautmerkmale erwerben, die über mehrere Phoneme hinweg konstant sind. Kurzlebigere Lautmerkmale werden nach und nach hinzugefügt, wobei die kürzesten Merkmale zuletzt erworben werden.
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Einfluss der Hirnaktivität auf den Spracherwerb
Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Entwicklung der Hirnaktivität den frühen Spracherwerb beeinflusst, indem sie die Dauer der Einheiten bestimmt, die erworben werden können. Das Babygehirn mag langsam sein, ist aber schnell genug, um den Einstieg in die Muttersprache zu ermöglichen.
Die Auswirkungen mütterlicher Erfahrungen auf die kindliche Gehirnentwicklung
Eine weitere wichtige Forschungsrichtung untersucht, wie sich die Erfahrungen, die Mütter in ihrer Kindheit gemacht haben, auf den Verlauf der Schwangerschaft und die Gehirnentwicklung des Kindes auswirken können.
Körperliche Veränderungen als Folge negativer Erfahrungen
Ziel dieser Studien ist es, herauszufinden, ob körperliche Veränderungen als Folge von (negativen) Erfahrungen, welche die Mutter in ihrer eigenen Kindheit gemacht hat, auch in der Schwangerschaft sichtbar und von Bedeutung sind. Es wird untersucht, ob die Entwicklung des Kindes durch solche körperlichen Veränderungen beeinflusst wird.
Fokus auf das Gehirn des Kindes
Von besonderem Interesse ist hier das Gehirn, da beim Menschen wichtige, grundlegende Schritte in der Gehirnentwicklung bereits im Mutterleib stattfinden und es besonders auf Umwelteinflüsse reagiert. Insbesondere sollen die Auswirkungen von Erfahrungen der Mutter von körperlichem oder sexuellem Missbrauch vor dem Alter von 12 Jahren untersucht werden.
Langzeitstudien mit MRT-Untersuchungen
Um diese Fragestellung zu untersuchen, werden Frauen über die Schwangerschaft und die ersten zwei Lebensjahre ihres Kindes hinweg begleitet. Innerhalb von zwei bis sechs Wochen nach der Geburt, mit 12 Monaten und 24 Monaten werden bei den Kindern Magnetresonanztomographie (MRT)-Aufnahmen der Struktur und Funktion ihres Gehirns gemacht. Die MRT-Untersuchung ist mit keinerlei Risiken verbunden und wird im Zustand des natürlichen Schlafs durchgeführt.
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Die vier Phasen der Hirnentwicklung
Laut einer neuen Studie entwickelt sich das menschliche Gehirn in vier Phasen.
Phase 1: "Verkabelung" und Optimierung (Geburt bis 9 Jahre)
Die erste Phase der Hirnentwicklung beginnt mit der Geburt und dauert bis etwa zum neunten Lebensjahr. In dieser Zeit wird das Gehirn zunächst intensiv "verkabelt". Doch bereits im frühen Kindesalter beginnt das Gehirn, diese Verbindungen zu optimieren. Synapsen, die nicht genutzt werden, werden wieder abgebaut. Gleichzeitig werden die Informationswege zwischen den wichtigsten Hirnregionen gestärkt.
Phase 2: Vorbereitung auf die Pubertät (ab 9 Jahren)
Mit etwa neun Jahren kündigt sich der erste Wendepunkt an. In dieser Zeit beginnt das Gehirn, sich auf die Veränderungen der Pubertät vorzubereiten. Hormonelle Umstellungen sorgen dafür, dass die weiße Hirnsubstanz, die für die schnelle Weiterleitung von Informationen verantwortlich ist, weiterwächst. Während der "Bauarbeiten" zeigen sich dann oft typische Pubertätsprobleme: Jugendliche verhalten sich aus Sicht der Erwachsenen oft unvernünftig und neigen zu riskantem Verhalten. Da das Gehirn in dieser Phase besonders empfindlich auf äußere und innere Einflüsse reagiert, treten in der Pubertät häufig auch erstmals psychische Störungen wie Depressionen oder Angststörungen auf.
Phase 3: Der Zenit und der Beginn des Abbaus (ab 32 Jahren)
Mit etwa 32 Jahren erreicht das Gehirn seinen Zenit. Intelligenz und Persönlichkeit sind vollständig ausgebildet, und die neuronalen Netzwerke arbeiten bei gesunden Menschen optimal zusammen. Doch zu diesem Zeitpunkt beginnt auch schon ein langsamer Abbauprozess. Über die kommenden Jahrzehnte verschwinden neuronale Verbindungen allmählich wieder. Es wird vermutet, dass äußere Faktoren wie Stress, familiäre Veränderungen oder berufliche Belastungen eine Rolle spielen könnten.
Phase 4: Kompensation im Alter (ab 66 Jahren)
Ab dem 66. Lebensjahr tritt das Gehirn in eine neue Phase ein. Die neuronalen Netzwerke dünnen weiter aus, was die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Hirnregionen erschwert. Bluthochdruck oder andere gesundheitliche Probleme können Blutgefäße im Gehirn schädigen und so die geistigen Fähigkeiten beeinträchtigen. Mit 83 Jahren erreicht das Gehirn den letzten Wendepunkt seiner Entwicklung. Die neuronale Vernetzung nimmt weiter ab, und das Gehirn hat zunehmend Schwierigkeiten, Störungen auszugleichen. Dennoch zeigen aktuelle Studien, dass das Gehirn auch im hohen Alter bemerkenswerte Anpassungsfähigkeiten besitzt. Tiefere Hirnregionen sind in der Lage, schwächere Nervensignale zu verstärken und so den Abbau neuronaler Netzwerke teilweise zu kompensieren.
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Veränderungen im mütterlichen Gehirn während der Schwangerschaft
Es gibt erste Forschungsergebnisse, dass eine Schwangerschaft nicht nur im Körper, sondern auch im Gehirn von Frauen langfristige Spuren hinterlässt. Wissenschaftler haben dies im Rahmen einer Studie anschaulich belegen können (Hoekzema et al., 2017).
Das Projekt "Pregnancy and the Brain"
Forscher vom Universitätsklinikum Tübingen und der Universität Uppsala (Schweden) haben gemeinsam eine Studie zum besseren Verständnis der neuronalen Veränderungen während der Schwangerschaft und deren Auswirkungen auf die Kindesentwicklung gestartet. Das Projekt „Pregnancy and the Brain“ beschäftigt sich insbesondere mit den Veränderungen in der mütterlichen Gehirnstruktur, der Emotionsregulierung, der Entspannungsfähigkeit und deren Auswirkungen auf die Kinder.
Untersuchungstermine und Methoden
Im Rahmen der Studie werden Schwangere im Alter von 19 bis 35 Jahren über einen Zeitraum von ca. anderthalb Jahren begleitet. Die werdende Mutter wird in der 21. bis 22. Schwangerschaftswoche in einem Magnetresonanztomographen untersucht, während sie eine Emotionsaufgabe durchführt. Dies wird bei einem weiteren Termin 12 Monate nach der Geburt wiederholt. In der 29. bis 33. und ab der 35. Schwangerschaftswoche wird die Auswirkung von Entspannung auf das Kind gemessen. Dafür werden Herz- und Hirnsignale des Kindes mithilfe eines fetalen Magnetenzephalographen gemessen. In der 6. Woche nach der Geburt wird bei einer Magnetresonanztomographie-Untersuchung der strukturelle Aufbau des mütterlichen Gehirns erfasst und mithilfe von Fragebögen und einer Verhaltensaufgabe deren Stimmung erfasst. Mit einem Entwicklungstagebuch werden die spannenden Schritte der Entwicklung des Kindes über die nächsten Monate mit verfolgt. Im Alter von 18 Monaten wird mit einem spielerischen Test die Entwicklung des Kindes erhoben.
Veränderungen in Arealen der sozialen Kognition
Eine Langzeitstudie in Nature Neuroscience (2016; doi: 10.1038/nn.4458) ergab, dass es während der Schwangerschaft zu Veränderungen in Hirnarealen der sozialen Kognition kommt, die möglicherweise die spätere Fürsorge der Mutter für das Kind beeinflussen. Bei den Vätern wurden keine entsprechenden Veränderungen entdeckt.
Hormonelle Umstellung und Hirnvolumen
Die Schwangerschaft ist mit einer erheblichen Umstellung des Hormonhaushalts verbunden. Der Progesteronspiegel steigt um das 10- bis 15-fache und der Körper der Frau wird mit Östrogenen in einer Menge überflutet, die die gesamte Produktion während des restlichen Lebens übersteigt. Eine computerbasierte Analyse zeigte, dass es während der Schwangerschaft zu einer leichten Volumenabnahme in Arealen des präfrontalen und des temporalen Cortex gekommen war, die für soziale kognitive Leistungen zuständig sind.
"Pruning" und mütterliche Bindung
Der Rückgang des Hirnvolumens bedeutet laut Hoekzema jedoch nicht, dass die Schwangerschaft mit dem Verlust von Hirnzellen verbunden ist. Wahrscheinlicher sei, dass die Hormone eine Reorganisation der Nervenverbindungen bewirkt haben. Die Forscherin zieht einen Vergleich zur Pubertät. In dieser Lebensphase, die ebenfalls durch eine Veränderung im Hormonhaushalt ausgelöst wird, kommt es zu einem Abbau von Synapsen, den die Hirnforscher mit dem Beschneiden von Bäumen vergleichen und als „Pruning“ bezeichnen. Die Hirnveränderungen führen nicht zu einem Verlust kognitiver Fähigkeiten, sondern könnten die mütterliche Bindung an das Kind gefördert haben. Die Ergebnisse der jungen Mütter in einem Fragebogen (Maternal Postnatal Attachment Scale) korrelierten mit dem Volumenrückgang in den sozialen kognitiven Hirnzentren.
Stammzellen und Neubildung von Nervenzellen im Riechkolben
Ein Forschungsteam der Universität Basel hat durch Versuche mit Mäusen herausgefunden, dass bestimmte Pools von Stammzellen im Gehirn während der Schwangerschaft aktiviert werden. In der Folge bilden sich spezifische Neuronen im Riechkolben und bereiten die Tiere auf die Mutterschaft vor. Während der frühen Mutterschaft sensibilisieren diese den Geruchssinn der Mutter, so dass diese ihrer Jungen am Geruch erkennt.
Die erste "Karte des menschlichen Gehirns im Verlauf der Schwangerschaft"
Die Forschungsgruppe der Universität Kalifornien in Santa Barbara (USA) hat die "erste Karte des menschlichen Gehirns im Verlauf der Schwangerschaft" erstellt. In einem Zeitraum von kurz vor Beginn der Schwangerschaft bis zwei Jahre nach der Geburt wurden bei einer Erstgebärenden im Rhythmus von wenigen Wochen aufwändige Gehirnuntersuchungen vorgenommen. Die gewonnenen Daten zeigen Veränderungen im Gehirn während der Schwangerschaft, die darauf hindeuten, dass das Gehirn nicht nur in der Pubertät, sondern auch noch im Erwachsenenalter zu einer erstaunlichen Neuroplastizität fähig ist. Die deutlichsten Veränderungen waren eine Abnahme des Volumens der kortikalen grauen Substanz, des faltigen äußeren Teils des Gehirns. Das Volumen der grauen Substanz nimmt ab, wenn die Hormonproduktion während der Schwangerschaft ansteigt. Diese Veränderung könnte auf eine "Feinabstimmung" der Gehirnschaltkreise hindeuten.
Forschung am Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung
Am Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung gibt es eine neue Forschungsgruppe, die sich mit den Veränderungen im Gehirn während der Zeit nach der Geburt beschäftigt. Die Forschenden werden eine Kombination aus Beobachtung des Verhaltens, Elektrophysiologie und Hormonanalyse einsetzen, um die neuronalen Schaltkreise zu untersuchen, die in der postpartalen Phase eine Rolle spielen.