Einführung
Das Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das sich durch seine Wandlungsfähigkeit und gleichzeitig durch seine konservativen Eigenschaften auszeichnet. Jüngste Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass Nervenzellen im Gehirn ihre eigene Erregbarkeit regulieren können, um die Aktivität des gesamten Netzwerks möglichst konstant zu halten. Selbst bei starken Veränderungen, wie beispielsweise dem vollständigen Verlust von Informationen aus einem Sinnesorgan, zeigen die Nervenzellen nach kurzer Zeit wieder ein ähnliches Aktivitätsniveau wie zuvor. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Perspektiven auf die Funktionsweise des Gehirns und seine Fähigkeit zur Anpassung.
Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns
Regulation der Erregbarkeit von Nervenzellen
Nervenzellen kommunizieren miteinander in Form von elektrischen Signalen, die über spezielle Kontaktstellen, den Synapsen, an benachbarte Zellen weitergegeben werden. Um neue Informationen zu verarbeiten, können Nervenzellen neue Synapsen bilden oder bestehende Kontakte verstärken. Diese Prozesse sind reversibel, was die Grundlage für das Vergessen darstellt. Das Gehirn befindet sich somit in einem ständigen Umbauprozess, der jedoch darauf abzielt, ein gleichbleibendes Aktivitätsniveau der Nervenzellen aufrechtzuerhalten. Eine langfristige Übererregung der Nervenzellen kann nämlich zu Schäden im Gehirn führen, während zu wenig Aktivität die Fähigkeit zur Neuvernetzung beeinträchtigt.
Forschungsergebnisse des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried bei München haben in Zusammenarbeit mit Kollegen am Friedrich Miescher Institut in Basel und der Ruhr-Universität in Bochum die erstaunliche Fähigkeit des Gehirns zur Regulation der Erregbarkeit von Nervenzellen untersucht. In ihren Studien konnten sie zeigen, dass die Aktivität der Nervenzellen im visuellen Cortex nach dem Ausfall von visuellen Informationen nicht auf null sinkt, sondern lediglich auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes. Dies deutet darauf hin, dass der visuelle Cortex auch Informationen aus anderen Hirnbereichen verarbeitet.
Beobachtung der Reaktivierung von Nervenzellen
Mithilfe von Mikroskopen konnten die Wissenschaftler beobachten, wie die Nervenzellen im visuellen Cortex nach dem Ausfall von visuellen Informationen wieder aktiv wurden. Bereits nach wenigen Stunden war eine Zunahme der Größe der Kontaktstellen der betroffenen Zellen zu ihren Nachbarzellen erkennbar. Durch die Verstärkung dieser Synapsen kehrte die Aktivität des betroffenen Zellverbands innerhalb von 24 bis 48 Stunden zu ihrem Ausgangswert zurück. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Gehirn in der Lage ist, größere Ausreißer in der Nervenzellaktivität durch die gleichzeitige Verstärkung aller Synapsen der betroffenen Nervenzellen in kurzer Zeit wieder zu normalisieren.
Tagesbedingte Veränderungen im Gehirn
Metabolische Veränderungen und der Thalamus
Jüngste wissenschaftliche Untersuchungen haben sich zunehmend auf tagesbedingte zerebrale metabolische Veränderungen konzentriert. Mittels verschiedener Untersuchungsverfahren wie PET, MRT, EEG und Verhaltenstests können Wach- und Ermüdungszustände charakterisiert werden. Die phosphorbasierte Magnetresonanzspektroskopie (31P-MRS) stellt dabei eine geeignete Methode dar, um metabolische Veränderungen sogenannter High-Energy-Phosphate (HEP) wie Kreatinphosphat (PCr) und Adenosintriphosphat (ATP) zu untersuchen.
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Ergebnisse einer longitudinalen Studie
In einer longitudinalen Studie wurden gesunde Probanden morgens, spätnachmittags und während eines kurzen Mittagsschlafes untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine tageszeitbedingte Abnahme von PCr im linken Thalamus, die durch einen kurzen Mittagsschlaf fast vollständig reversibel war. Die Zunahme des Pi/PCr-Quotienten im linken Thalamus deutete zudem auf eine Lateralität der Thalamusfunktion hin.
Bedeutung des Thalamus für den Energieverbrauch
Die Studie bestätigte die Rolle des Thalamus als eine Region mit hohem Energieverbrauch, die den Informationsfluss moduliert und weiterleitet. Im Gegensatz zu den dynamischen Veränderungen im linken Thalamus zeigten andere Regionen eine über alle Messzeiten konstante Lateralität. Die Befunde unterstreichen, dass die Steigerung der Müdigkeit im Laufe des Tages auch an die zerebrale Energieversorgung gekoppelt ist. Die Wiederherstellung der PCr-Konzentration nach einem vergleichsweise kurzen Mittagsschlaf verdeutlicht den Erholungswert eines solchen Schlafs.
Epigenetische Mechanismen und Gedächtnis
Die Rolle der DNA-Methylierung
Es wird allgemein angenommen, dass eine schnelle und reversible DNA-Methylierung im Gehirn für die Stabilität des Langzeitgedächtnisses wesentlich ist. Eine neue Studie der Gruppe von Michael R. Kreutz am Leibniz-Institut für Neurobiologie Magdeburg (LIN) hat einen Mechanismus aufgedeckt, wie die Aktivität von Synapsen die Stabilität und Menge an DNA-methylierendem Enzym kontrolliert.
Synaptische Kontrolle der DNMT3A1-Spiegel
Die Autoren der Studie haben einen Mechanismus entdeckt, der die synaptische Kontrolle der DNMT3A1-Spiegel in Neuronen ermöglicht. Dadurch entsteht ein aktivitätsabhängiges Zeitfenster für eine reduzierte DNA-Neu-Methylierung an einer Gruppe von Zielgenen. Um das Enzym zielgerichtet abzubauen, wird es mit einem Marker, einer sogenannten Neddylierung, biochemisch gekennzeichnet. Dieser Prozess ist beispielsweise wichtig, wenn Mäuse lernen, sich an die exakte Platzierung von Objekten in einer Arena zu erinnern. Wenn dieser Neddylierungs-Prozess blockiert wird, sind Synapsen weniger plastisch und die Mäuse haben ein deutlich schlechteres Erinnerungsvermögen.
Bedeutung für neuropsychiatrische Erkrankungen
Die Forscher fanden heraus, dass eines der Target-Gene der Plastizitätsfaktor BDNF ist, der speziell für räumliche Lern- und Gedächtnisprozesse eine zentrale Rolle spielt. Störungen in der DNA-Methylierung sind auch eine Begleiterscheinung neuropsychiatrischer Erkrankungen wie Schizophrenie oder Depression, und das BDNF-Genprodukt ist auch bei diesen Krankheiten stark reduziert.
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Auswirkungen frühkindlicher Erfahrungen auf die Gehirnstruktur
Irreversible Veränderungen durch Blindheit
Eine durch einschneidende frühkindliche Erfahrungen veränderte Gehirnstruktur regeneriert sich nicht vollständig. Zu diesem Schluss kommt die Studie eines Forschungsteams der Universität Hamburg unter der Leitung der Psychologin und Neurowissenschaftlerin Prof. Brigitte Röder. Frühere neurowissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass ungünstige Erfahrungen in den ersten Lebensmonaten und -jahren, wie Blindheit oder Armut, die strukturelle Entwicklung des menschlichen Gehirns beeinträchtigen können. Die neue Forschungsarbeit kommt zu dem Ergebnis, dass die Gehirnstruktur, zumindest in Bezug auf die Entwicklung der visuellen Areale des Gehirns, nachhaltig beeinträchtigt bleibt.
Untersuchung von Menschen mit wiederhergestelltem Augenlicht
Für die Studie wurden Menschen untersucht, die aufgrund von beidseitigem Grauen Star teilweise mehrere Jahre nach der Geburt blind waren und deren Augenlicht dann durch eine Operation wiederhergestellt werden konnte. Mithilfe eines Kernspintomographen wurden Bilder des Gehirns aufgenommen und daraus für jede Person ein 3D-Modell des Gehirns rekonstruiert. In diesem Modell konnten die Forschenden messen, wie dick und wie groß die Oberfläche der Hirnrinde in den visuellen Arealen des Gehirns war.
Veränderungen der Sehrinde
Das Forschungsteam fand heraus, dass bei den vormals blinden Menschen die Sehrinde sowohl eine kleinere Oberfläche besaß als auch dicker war. Ihre Sehrinde ähnelte mehr der von Menschen, die seit ihrer Geburt dauerhaft blind waren, als der von Menschen, die von Geburt an sehen konnten. Das Ausmaß der Veränderungen in der Sehrinde sagte vorher, wie gut die Menschen nach der Entfernung des Grauen Stars sehen lernten.
Mögliche Auswirkungen von Armut und Vernachlässigung
Die Studie zeigt, dass frühkindliche Erfahrungen die Hirnstruktur langanhaltend und offenbar nicht reversibel verändern können. Es wird vermutet, dass auch andere extreme frühkindliche Erfahrungen, wie sie zum Beispiel bei Armut oder Vernachlässigung auftreten können, die Hirnstruktur irreversibel schädigen können.
Veränderungen des Gehirnvolumens bei Fibromyalgie
Schmerzverarbeitende Regionen betroffen
Patientinnen mit Fibromyalgie leiden unter anderem an chronischen Schmerzen. Ein Team der LWL-Klinik für Psychosomatische Medizin und Psychotherapie der Ruhr-Universität Bochum hat untersucht, welche Veränderungen die Krankheit im Gehirn mit sich bringt. Anhand von Kernspindaten konnten die Forscher belegen, dass die Gehirnbereiche, die mit der Verarbeitung und emotionalen Bewertung von Schmerz zu tun haben, bei Patientinnen verändert sind. Das betrifft sowohl das Volumen der grauen Substanz als auch der weißen Substanz.
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Verringerung der grauen Substanz
Veränderungen des Volumens der grauen Substanz fanden die Forscher vor allem im Schmerznetzwerk des Gehirns, also in den Regionen, die für die Verarbeitung und Bewertung von Schmerz zuständig sind. In bestimmten Regionen, die für die Hemmung von Schmerz zuständig sind, wurde bei den Patientinnen im Vergleich zu den gesunden Personen eine Verringerung der grauen Substanz festgestellt.
Veränderungen im Thalamus
Im Thalamus, einem wichtigen Knotenpunkt der neuronalen Schmerzverarbeitung, wurden Veränderungen in der Weiterleitung von Signalen gefunden. Das Volumen einer Reihe relevanter Gehirnregionen war geringer, je stärker die Patientinnen ihre Schmerzen wahrnahmen.
Zusammenhang mit Depressivität und Aktivität
Das Volumen der Gehirnregion des Putamens korrelierte negativ mit der Ausprägung depressiver Symptome und positiv mit dem Aktivitätsniveau der Teilnehmerinnen.
Hirnatrophie bei Magersucht
Auswirkungen von Untergewicht auf das Gehirn
Wenn der Körper hungert, hungert auch das Gehirn, und das bleibt bei einem Drittel der Patienten nicht ohne Folgen. Bei magersüchtigen Patienten treten Konzentrationsprobleme auf, und in einer akuten Phase des Untergewichts liegt der Intelligenzquotient etwa zehn Punkte niedriger als bei Normalgewicht. Bei vielen Patienten lässt sich beobachten, dass nicht nur die kognitive Leistungsfähigkeit sinkt, sondern auch das Gehirn schrumpft. Mediziner sprechen von einer Hirnatrophie. Betroffen ist davon vor allem die graue Substanz in der Hirnrinde. Im Gegenzug erweitern sich die mit Liquor gefüllten Bereiche des Gehirns.
Ursachen für den Hirnschwund
Wissenschaftler der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus an der TU Dresden haben den reversiblen Prozess untersucht und mithilfe von Biomarkern nach möglichen Ursachen für die Veränderungen in der Hirnrinde gesucht. Sie fanden im Blut der Anorexie-Patientinnen jeweils erhöhte Konzentrationen von Tau-Protein und Neurofilament light (NF-L), zwei Bestandteile von Neuronen, die hauptsächlich in den Axonen vorkommen. Diese Ergebnisse weisen auf mögliche Schädigungen der Neuronen im akuten Stadium der Anorexie hin. Eine Mangelernährung über längere Zeit wirkt sich vermutlich auch auf die Astrozyten aus. Werden diese Gliazellen, die an vielen wichtigen Hirnfunktionen beteiligt sind, beschädigt, lässt sich im Serum eine erhöhte Konzentration des GFA-Proteins nachweisen.
Erholung des Gehirns im Therapieverlauf
Im Therapieverlauf mit Gewichtszunahme scheint sich das Gehirn zu erholen. Der Volumenverlust schwindet und die NF-L- sowie GFA-Proteinkonzentrationen sinken wieder ab. Sie gleichen sich den Werten der normalgewichtigen Kontrollgruppe an.
Insulinresistenz im Gehirn
Die Rolle von Insulin im Gehirn
Insulin wirkt nicht nur im Stoffwechsel des Körpers, sondern spielt auch im Gehirn eine zentrale Rolle für kognitive Funktionen, die Appetitregulation und den Energiehaushalt. Bisher war der Nachweis einer Insulinresistenz im Gehirn kosten- und zeitintensiv, da derzeit keine Biomarker verfügbar sind.
Epigenetische Signaturen als Biomarker
Eine neue Studie zeigt, dass aus dem Blut epigenetische Signaturen extrahiert werden können, die sehr präzise anzeigen, ob das Gehirn noch auf Insulin reagiert oder nicht mehr. Um diese epigenetischen Marker zu identifizieren, nutzte das Forschungsteam ein maschinelles Lernverfahren zur Analyse von kleinen chemischen Veränderungen an der DNA, sogenannte DNA-Methylierungsmuster.
Ergebnisse der Studie
Die Ergebnisse zeigten, dass viele dieser Methylierungsstellen mit einem erhöhten Risiko für Typ-2-Diabetes verbunden waren. Viele der zugehörigen Gene sind an der neuronalen Entwicklung, Synapsenbildung und Signalübertragung beteiligt. Die identifizierten epigenetischen Marker könnten künftig als Screening-Instrument dienen, um Risikopatienten frühzeitig zu erkennen und gezielt zu behandeln.
Auswirkungen von Überstunden auf die Gehirnstruktur
Strukturelle Anpassungen im Gehirn
Wer regelmäßig mehr als 52 Stunden pro Woche arbeitet, riskiert nicht nur Erschöpfung und Stress, sondern auch strukturelle Veränderungen im Gehirn. Eine aktuelle Pilotstudie aus Südkorea zeigt erstmals direkte Zusammenhänge zwischen Überarbeitung und messbaren Veränderungen der Hirnstruktur auf.
Vergrößerung des Stirnhirns und der Inselrinde
Besonders auffällig war die Vergrößerung des linken mittleren Stirnhirns, des "Gyrus frontalis medius", um rund 19 Prozent. Diese Region ist maßgeblich für Planungsfähigkeit, Entscheidungsfindung und die Kontrolle von Impulsen verantwortlich. Auch die Inselrinde, die bei der Emotionsverarbeitung eine zentrale Rolle spielt, wies bei den Überarbeiteten ein erhöhtes Volumen auf.
Mögliche neuroadaptive Reaktion
Die Interpretation dieser Befunde ist jedoch komplex. Die Volumenzunahme könnte eine Art Trainingseffekt darstellen, aber die strukturellen Veränderungen könnten auch frühe Anzeichen einer Überlastung sein, die langfristig negative Folgen haben.
Gesundheitliche Risiken durch Überarbeitung
Zahlreiche Studien haben bereits gezeigt, dass Menschen, die dauerhaft mehr als 55 Stunden pro Woche arbeiten, ein erhöhtes Risiko für Herzinfarkte, Schlaganfälle und psychische Erkrankungen haben. Die Internationale Arbeitsorganisation (ILO) schätzt, dass jährlich über 700.000 Menschen an den Folgen überlanger Arbeitszeiten sterben.
Auswirkungen auf kognitive und emotionale Funktionen
Veränderungen im mittleren Stirnhirn könnten die Fähigkeit beeinträchtigen, Aufgaben effizient zu bewältigen, Entscheidungen zu treffen und die Konzentration aufrechtzuerhalten. Alterationen in anderen Bereichen könnten sich auf die Emotionsregulation auswirken und zu verminderter emotionaler Stabilität, erhöhter Angst und Problemen bei der Interpretation emotionaler Signale führen.
Notwendigkeit weiterer Forschung
Längsschnittstudien sind unerlässlich, um zu verstehen, ob diese strukturellen Gehirnveränderungen reversibel sind oder langfristig bestehen bleiben.
Verantwortung der Arbeitgeber
Unternehmen sollten übermäßige Arbeitszeiten begrenzen, Ressourcen für Stressmanagement bereitstellen und eine ausgewogene Work-Life-Balance fördern, um die langfristige Gehirngesundheit und Produktivität ihrer Mitarbeiter zu schützen.
Beeinträchtigungen des Tastsinns durch Nichtgebrauch
Negative Konsequenzen für Gehirnorganisation und sensomotorische Leitungsfähigkeit
Schon wenige Wochen Nichtgebrauch von Hand und Fingern haben messbare, negative Konsequenzen für Gehirnorganisation und sensomotorische Leitungsfähigkeit des Menschen, die allerdings reversibel sind. Nicht-Benutzung wird demnach vom Gehirn genauso beantwortet wie intensivere Benutzung.
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