Das Gehirn, ein komplexes Organ, das uns ermöglicht, die Welt zu erfahren, zu lernen und uns anzupassen, ist bis ins hohe Alter bemerkenswert wandlungsfähig. Diese Fähigkeit, sich an neue Erfahrungen anzupassen und sich im Laufe der Zeit zu verändern, wird als Plastizität bezeichnet. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte der Plastizität des Gehirns, von den grundlegenden Mechanismen auf zellulärer Ebene bis hin zu den Auswirkungen auf Lernen, Gedächtnis und die potenzielle Reparatur von Hirnschäden.
Was ist Plastizität?
Der Begriff "Plastizität" leitet sich vom griechischen Wort "plastike" ab, was "das Geformte" bedeutet. Im Allgemeinen bezieht sich Plastizität auf die Formbarkeit, die zu dauerhaften Veränderungen führt. Im biologischen Kontext bezieht sich Plastizität auf die Fähigkeit von Organismen, sich an ihre Umwelt anzupassen, sowohl während der Entwicklung als auch als Reaktion auf neue Bedingungen.
Im Bereich der Neurowissenschaften bezieht sich Neuroplastizität auf die erfahrungsbedingte Veränderung des Gehirns. Diese Veränderungen können auf verschiedenen Ebenen des Nervensystems stattfinden, einschließlich synaptischer und intrazellulärer Prozesse, der Neurogenese (der Bildung neuer Nervenzellen), der Modifikation von Neuronennetzwerken und kortikalen Regionen. Neuroplastizität wird durch neurobehaviorale Anforderungen im Kontext von Organismus-Umwelt-Interaktionen ausgelöst, kann aber auch als Reaktion auf zerebrale oder periphere Schädigungen des Nervensystems auftreten.
Man unterscheidet zwischen struktureller und funktioneller Neuroplastizität.
- Strukturelle Neuroplastizität: Hierbei verändert sich das Hirngewebe, also die Hirnanatomie. Dies kann sich in Vergrößerungen des Volumens, der Oberfläche und der Dicke der Hirnrinde äußern. Auch anatomische Veränderungen der Kabelsysteme (Assoziationsbahnen und Kommissuren) können eintreten. Grundlage der strukturellen Neuroplastizität sind anatomische Veränderungen an den Synapsen (Zunahme von Synapsen, Vergrößerung der Synapsenoberfläche), Neuronen (Vergrößerung der Oberfläche), der Myelinisierung und der Ausbildung von Dendriten.
- Funktionelle Neuroplastizität: Hierbei verändert sich die neurophysiologische Aktivierung einzelner Neurone oder ganzer Neuronengruppen. Man unterscheidet eine Zunahme der neurophysiologischen Effizienz (weniger Aktivität führt zum gleichen oder besseren Ergebnis) und eine Veränderung der kohärenten Netzwerkaktivierung.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
Synaptische Plastizität bezieht sich auf die Fähigkeit von Synapsen, den Verbindungen zwischen Nervenzellen, ihre Stärke im Laufe der Zeit zu verändern. Diese Veränderung der synaptischen Stärke ist entscheidend für das Lernen und das Gedächtnis. Wenn wir etwas Neues lernen, werden bestimmte Synapsen in unserem Gehirn gestärkt, während andere geschwächt werden. Dieser Prozess ermöglicht es uns, Informationen zu speichern und abzurufen.
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Die Max-Planck-Gesellschaft hat bedeutende Beiträge zur Erforschung der synaptischen Plastizität geleistet. Der renommierte Plastizitätsforscher Tobias Bonhoeffer, Direktor am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in München, untersucht die lernbedingten Veränderungen in Mäusegehirnen. Seine Forschung hat gezeigt, dass die Verstärkung von Nervenverbindungen mit dem Wachstum von Dornenfortsätzen einhergeht.
Lernen und Erinnerung: Wie unser Gehirn Informationen speichert
Unser Gehirn verarbeitet Sinneswahrnehmungen, koordiniert Bewegungen und Verhaltensweisen und speichert komplexe Informationen. Allerdings bleibt nicht alles, was wir erleben, dauerhaft im Gedächtnis. Lern- und Erinnerungsprozesse basieren auf der spezifischen Verstärkung bestimmter Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichtert wird. Stichworte hierbei sind Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität.
Wie gut wir lernen und uns etwas merken können, hängt von Faktoren wie Aufmerksamkeit, Motivation und Belohnung ab. Im Gehirn gibt es keinen zentralen Ort, an dem Informationen gespeichert werden, aber der Hippocampus ist eine zentrale Schaltstelle für viele Gedächtnisinhalte.
Plastizität und Stabilität: EinBalanceakt
Ein dauerhaft plastisches Gehirn, das konstant Neues lernt und neue Verbindungen auf- und abbaut, ist nicht notwendigerweise nur vorteilhaft. Nur eine gewisse Konstanz und Dauerhaftigkeit neuronaler Antworten ermöglicht ein reproduzierbares Verhalten. Aus diesem Grund gibt es in der Hirnentwicklung der meisten Säugetiere eine sogenannte "kritische Phase" in der frühen Entwicklung, während der das Gehirn besonders plastisch ist. Im erwachsenen Gehirn ist die Plastizität dagegen wesentlich geringer.
Wissenschaftler fragen sich daher, wie das Gehirn seine Verbindungen kontinuierlich verändern kann, ohne die bestehende, stabile Berechnung der Umwelt zu gefährden. Forschungen haben gezeigt, dass Nervenzellen, die auf Veränderungen reagieren, einzelne besonders stabile Verbindungen haben. Solche Verbindungen würden dafür sorgen, dass die Nervenzellen nach plastischen Veränderungen ihren ursprünglichen Zustand wiederfinden. Das erwachsene Gehirn könnte sich so an veränderte Umweltbedingungen anpassen, ohne dass sich die "Grundverdrahtung" komplett verändert.
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Neue Nervenzellen fürs Gehirn: Ein Paradigmenwechsel
Noch vor wenigen Jahren galt es als Tatsache, dass im erwachsenen Gehirn praktisch keine neuen Nervenzellen entstehen können. Arbeiten der letzten Jahre haben dieses Dogma in Frage gestellt und gezeigt, dass neue Nervenzellen im Gehirn gebildet und in neuronale Schaltkreise integriert werden können.
Neurobiologen haben embryonale Nervenzellen in die Sehhirnrinde erwachsener Mäuse transplantiert, um zu untersuchen, ob diese neuen, "naiven" Nervenzellen spezifische Synapsen mit den umgebenden Zellen bilden, oder ob die Verbindungen eher zufällig erfolgen. Erstaunlicherweise verknüpften sich die transplantierten Nervenzellen mit exakt den richtigen Nervenzellen im gesamten Netzwerk des Gehirns. Obwohl diese neuen Zellen alle Nervenverbindungen von Grund auf neu schließen mussten, erhielten und verarbeiteten sie am Ende die gleichen Informationen wie die anderen Zellen des Nervennetzwerks.
Diese Ergebnisse zeigen, dass zumindest im Prinzip geschädigte Gehirnstrukturen repariert werden können. Voraussetzung dafür wäre das Erzeugen neuer Nervenzellen des richtigen Typs und ihre erfolgreiche Transplantation in das geschädigte Gewebe.
Ein unerwarteter Ort des Lernens: Der Thalamus
Lange Zeit ging man davon aus, dass Plastizität im erwachsenen visuellen System auf die Großhirnrinde beschränkt ist und tiefer im Gehirn liegende Strukturen wie der Thalamus keine Rolle spielen. Neue bildgebende Verfahren haben jedoch gezeigt, dass bereits im Thalamus ein Teil der Zellen Signale beider Augen miteinander verrechnet und dass ein zeitweiliger Verschluss eines Auges zu Veränderungen in der Stärke der Antwort auf visuelle Stimulation der beiden Augen führt. Entgegen der Annahme, dass der Thalamus eine stabile "Relaisstation" ist, fanden die Wissenschaftler, dass einzelne Zellen plötzlich anfingen, auf beide Augen zu reagieren - oder sogar ihre Ansprechbarkeit komplett auf das andere Auge verlagerten.
Die Rolle stiller Synapsen bei der Plastizität
Neurowissenschaftler der Universität und Universitätsmedizin Göttingen (UMG) haben entdeckt, dass Neuronen im Gehirn erwachsener Tiere im primären visuellen Kortex mit einer erhöhten Anzahl „stiller Synapsen“ strukturelle Veränderungen aufweisen, die bisher nur bei jungen Mäusen beobachtet wurden. Stille Synapsen sind neu gebildete Synapsen, die inaktiviert sind und denen ein bestimmtes Protein (PSD-95) fehlt.
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Die Forscher fanden heraus, dass Neuronen im Gehirn erwachsener Tiere, denen PSD-95 fehlt, einen verstärkten erfahrungsabhängigen Dornenabbau aufweisen - ein Effekt, der bisher nur bei jungen Tieren beobachtet wurde. Dies deutet darauf hin, dass diese Neuronen eine „jugendliche Fähigkeit“ haben, die Nervenzellverschaltungen bis ins Erwachsenenalter umzustrukturieren.
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