Vergesslichkeit, nachlassende Konzentrationsfähigkeit und eine schlechtere Wahrnehmung werden oft mit dem Alter in Verbindung gebracht. Dies wird häufig auf die Ausdünnung der Hirnrinde zurückgeführt, ein typisches Merkmal des Alterns. Jüngste Forschungsergebnisse aus Tübingen und anderen Forschungseinrichtungen bieten jedoch ein differenzierteres Bild der altersbedingten Veränderungen im Gehirn und zeigen, dass das Gehirn weniger altert als bisher angenommen und dass bestimmte Bereiche sogar widerstandsfähiger gegen den Alterungsprozess sind. Darüber hinaus werden neue Erkenntnisse über die genetischen Faktoren gewonnen, die die Form subkortikaler Gehirnregionen beeinflussen, was neue Wege zur Früherkennung neurologischer und psychischer Erkrankungen eröffnen könnte.
Schichtspezifische Veränderungen in der Hirnrinde
Die Tübinger Forschenden haben mittels innovativer Bildgebungs- und Berechnungsmethoden die verschiedenen Schichten der Hirnrinde separat voneinander untersucht und die Veränderungen der Hirnrindenschichten im Laufe des Alters gemessen. Die Hirnrinde, auch Neokortex genannt, ist für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Planen und Entscheidungsfindung verantwortlich und enthält hauptsächlich die grauen Nervenzellen.
Es wurde festgestellt, dass nicht alle Schichten der Hirnrinde gleich stark altern. Während die tieferen Schichten der Hirnrinde mit dem Alter abnehmen, bleiben die mittleren und oberflächlichen Schichten weitgehend verschont. Die tieferen Schichten spielen eine wichtige Rolle bei der Filterung von Informationen, die für Konzentration und Multitasking erforderlich sind. Die mittleren Schichten verarbeiten eingehende Signale und integrieren sie zur Weiterleitung in die oberen Schichten.
Nutzungabhängige Plastizität
Die Daten deuten darauf hin, dass das Gehirn die Teile der Hirnrinde vor dem Verfall bewahrt, die es auch häufig nutzt. So zeigten die mittleren Schichten, wo hereinkommende Signale verarbeitet werden, bei einer Person, die nur mit einem Arm geboren wurde, Anzeichen einer nutzungsabhängigen Plastizität des Gehirns. Die Fähigkeit des Gehirns, sich strukturell zu verändern, wenn ein bestimmtes Gehirnareal kontinuierlich genutzt wird.
Auswirkungen auf kognitive Fähigkeiten
Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass ältere Menschen oft in der Lage sind, ihre Umgebung präzise wahrzunehmen und komplexe kognitive Aufgaben zu lösen, da große Teile der Hirnrinde von altersbedingtem Volumenverlust verschont bleiben. Andererseits fällt es älteren Menschen oft schwerer, störende Umgebungsgeräusche auszublenden oder sich auf mehrere Dinge gleichzeitig zu konzentrieren, da die tieferen Hirnschichten, die für die Signalverarbeitung und Filterfunktionen zuständig sind, im Alter dünner werden.
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Neuronale Vernetzung und Wendepunkte im Lebensverlauf
Neurowissenschaftler der Universität Cambridge haben fünf wichtige Phasen der neuronalen Vernetzung im Laufe eines Menschenlebens identifiziert. Diese Phasen sind durch vier wichtige Wendepunkte gekennzeichnet, in denen die Entwicklung rasante Kurven nimmt und das Gehirn seine Strategie ändert, um sich neu zu konfigurieren.
Die fünf Phasen der Gehirnentwicklung
- Kindheit (0-9 Jahre): Das Gehirn produziert übermäßig Synapsen, die später reduziert werden. Benachbarte Regionen vernetzen sich enger und spezialisieren sich. Das Volumen der grauen und weißen Substanz nimmt rapide zu. Die kortikale Dicke erreicht ihren höchsten Wert.
- Jugend (9-32 Jahre): Das Volumen der weißen Substanz wächst weiter, und die Organisation der Kommunikationsnetzwerke verfeinert sich zunehmend. Das Gehirn optimiert die Pfadlänge der Verbindungen, wodurch es effizienter arbeitet.
- Erwachsenenalter (32-66 Jahre): Die Gehirnarchitektur stabilisiert sich. Die Hirnregionen werden langsam stärker voneinander abgegrenzt.
- Frühe Reife (66-83 Jahre): Eine allmähliche Umstrukturierung der Hirnnetze erreicht ihren Höhepunkt. Die weiße Substanz wird zunehmend abgebaut, die topologischen Muster werden einfacher, und das Netzwerk wird ausgedünnt.
- Gehobenes Alter (83+ Jahre): Dem Netzwerk fällt es zunehmend schwer, über weite Strecken effizient zu kommunizieren.
Implikationen für neurologische Forschung
Die 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.
Genetische Einflüsse auf die Form subkortikaler Gehirnregionen
Ein Forschungsteam hat genetische Faktoren identifiziert, die die Form subkortikaler Gehirnregionen beeinflussen - weit über Volumenmessungen hinaus. Die Ergebnisse könnten neue Ansätze zur Früherkennung neurologischer und psychischer Erkrankungen eröffnen.
Die Rolle des Laplace-Beltrami-Spektrums
Um die Form detaillierter zu beschreiben, nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Laplace-Beltrami-Spektrum (LBS). Dieses beschreibt die geometrischen Eigenschaften einer Form durch eine Reihe von Zahlen - sogenannten Eigenwerten. Die Forschenden erhielten so eine Art „Fingerabdruck“ der Form jeder Gehirnregion.
Identifizierung genetischer Varianten
Für jede der 22 Gehirnstrukturen führten die Forscher eine sogenannte multivariate genomweite Assoziationsstudie (GWAS) durch. Dabei verwendeten sie ein statistisches Verfahren, das es ermöglicht, mehrere Merkmale gleichzeitig zu analysieren - in diesem Fall die ersten 49 Eigenwerte jeder Struktur. Ziel war es, genetische Varianten zu identifizieren, die mit der Form dieser Strukturen in Zusammenhang stehen.
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Verbindungen zu Gesundheitsrisiken
Einige der identifizierten genetischen Varianten wurden bereits in früheren Studien mit Erkrankungen wie Bluthochdruck, neurodegenerativen Erkrankungen, Alkoholkonsum und psychischen Störungen assoziiert. Dies deutet darauf hin, dass Veränderungen in der Hirnform potenziell frühe Biomarker für diese Erkrankungen sein könnten.
Bedeutung für die Früherkennung
Die Ergebnisse legen nahe, dass die Form von Hirnstrukturen ein wichtiger Indikator für die Anfälligkeit gegenüber bestimmten Gesundheitsrisiken sein könnte. Langfristig könnten sie dazu beitragen, frühzeitige Diagnosemethoden für neurodegenerative und psychische Erkrankungen zu entwickeln.
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