Einführung
Das menschliche Gehirn ist ein komplexes und dynamisches Organ, dessen Struktur und Funktion sich ständig verändern. Diese Veränderungen sind nicht linear, sondern folgen einem bestimmten Zeitplan, der durch verschiedene Lebensphasen und Wendepunkte gekennzeichnet ist. Die globale und lokale Effizienz des Gehirns, also wie gut es Informationen über verschiedene Regionen hinweg verarbeitet und wie gut einzelne Regionen ihre spezifischen Aufgaben erfüllen, spielt dabei eine entscheidende Rolle. Dieser Artikel beleuchtet die Entwicklung des Gehirns über die Lebensspanne, die damit verbundenen Veränderungen in der neuronalen Vernetzung und die Auswirkungen auf die globale und lokale Effizienz.
Die Entwicklung des Gehirns in fünf Phasen
Eine umfassende Analyse der Universität Cambridge, die mehr als 4.200 MRT-Datensätze von 3.802 Menschen im Alter zwischen null und 90 Jahren umfasste, zeigt, dass die Entwicklung des Gehirns in fünf großen "Epochen" verläuft:
Netzwerkkonsolidierung (Geburt bis ca. 9 Jahre): Diese Phase ist durch ein rasches Wachstum der grauen und weißen Substanz gekennzeichnet. Es kommt zu einer Überproduktion von Synapsen, von denen später viele wieder abgebaut werden. Aktive Verbindungen bleiben bestehen und stärken die Netzwerke.
Adoleszenz (ca. 9 bis 32 Jahre): Mit etwa neun Jahren kommt es zum ersten Wendepunkt. Das Gehirn wechselt in die "adoleszente Phase", in der Denkfähigkeit und Lernverhalten sprunghaft zunehmen. Volumen und Dichte der weißen Substanz wachsen weiter, wodurch sich die Kommunikationswege zwischen Hirnregionen verbessern. Die neuronale Effizienz nimmt in der Jugend stetig zu - die einzige Phase, in der diese Zunahme messbar ist.
Erwachsenenalter (ca. 32 bis 66 Jahre): Ab Anfang 30 beginnt die längste und stabilste Epoche: das Erwachsenenhirn. Seine Grundarchitektur bleibt über drei Jahrzehnte weitgehend konstant. Diese Phase kennzeichnet ein Gleichgewicht zwischen Integration (enge Zusammenarbeit der Regionen) und Segregation (Spezialisierung auf bestimmte Aufgaben). Die Forschungsgruppe spricht hier von einem "Plateau der Stabilität".
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Frühes Altern (ca. 66 bis 83 Jahre): Mit etwa 66 Jahren verändert sich die Architektur erneut. Die weiße Substanz beginnt zu degenerieren, die Informationsübertragung wird langsamer. Diese Umstrukturierung erreicht Mitte 60 ihren Höhepunkt.
Spätes Altern (ab ca. 83 Jahre): Der letzte Wendepunkt tritt mit rund 83 Jahren ein. Das Gehirn verlässt sich nun stärker auf lokale Schaltkreise. Einzelne Knoten im Netzwerk gewinnen an Bedeutung für die Konnektivität auf lokaler Ebene, während globale Vernetzungsstrukturen an Bedeutung verlieren.
Globale und Lokale Effizienz im Kontext der Hirnentwicklung
Die globale Effizienz des Gehirns bezieht sich auf die Fähigkeit, Informationen schnell und effizient über das gesamte Netzwerk zu integrieren. Eine hohe globale Effizienz ermöglicht es dem Gehirn, komplexe Aufgaben zu bewältigen, die die Koordination verschiedener Hirnregionen erfordern. Die lokale Effizienz hingegen bezieht sich auf die Fähigkeit einzelner Hirnregionen, ihre spezifischen Aufgaben effizient zu erfüllen. Eine hohe lokale Effizienz ermöglicht es diesen Regionen, spezialisierte Funktionen wie sensorische Verarbeitung, motorische Kontrolle oder Sprachverarbeitung optimal auszuführen.
Während der Entwicklung des Gehirns verändern sich sowohl die globale als auch die lokale Effizienz. In der Kindheit und Jugend nimmt die globale Effizienz zu, da sich die Verbindungen zwischen den Hirnregionen stärken und die Kommunikation verbessert wird. Gleichzeitig spezialisieren sich einzelne Regionen auf bestimmte Aufgaben, was zu einer Zunahme der lokalen Effizienz führt. Im Erwachsenenalter erreicht das Gehirn ein Gleichgewicht zwischen globaler Integration und lokaler Spezialisierung. Im Alter nimmt die globale Effizienz tendenziell ab, da die Verbindungen zwischen den Hirnregionen schwächer werden. Das Gehirn verlässt sich stärker auf lokale Schaltkreise, um Aufgaben zu bewältigen.
Neurologische Erkrankungen und die Effizienz des Gehirns
Neurologische Erkrankungen wie Schizophrenie, Demenz, Parkinson oder Schlaganfall gehen mit Netzwerkstörungen einher, die sowohl Ursache als auch Ergebnis der Krankheit sein können. Dicht vernetzte Gehirnareale mit vielen untereinander verknüpften Knotenpunkten sind besonders häufig betroffen. Meist handelt es sich dabei um Bereiche, in denen Informationen aus unterschiedlichen Quellen verarbeitet und in höheren kognitiven Prozessen integriert werden. Sowohl zu viel als auch zu wenig Netzwerkaktivität kann zu neurologischen Problemen führen.
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Bei Schizophrenie ist die funktionelle Kopplung von Hirnarealen bei kognitiven Herausforderungen im Vergleich zu Kontrollgruppen vermindert, im Ruhenetzwerk aber verstärkt. Bei Demenzerkrankungen führen Zellschäden und das Absterben von Neuronen zu einer Schwächung von Netzwerken, insbesondere in den zentralen Knotenpunkten stark verknüpfter Gehirnregionen. Bei Multipler Sklerose greift das Immunsystem die isolierende Myelinschicht entlang der Axone an und vermindert die Geschwindigkeit, mit der elektrische Impulse über die neuronalen Bahnen transportiert werden. Entsprechend leidet vor allem die Effizienz der Verbindungen zwischen den Knotenpunkten der Hirnnetzwerke.
ADHS und die Konnektivität des Gehirns
Auch bei ADHS (Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätssyndrom) wurden Netzwerkstörungen festgestellt. Studien zeigen eine abweichende Konnektivität zwischen dem Default Mode Network (DMN) und dem Exekutivnetzwerk. Erwachsene mit ADHS zeigten bei n-back-Aufgaben eine verminderte funktionelle Konnektivität in Netzwerken, die frontoparietale, temporale, okzipitale, zerebelläre und subkortikale Hirnregionen umfassten.
FMRI-Untersuchungen des DMN zeigen eine Dysfunktion des DMN bei Kindern wie bei Erwachsenen mit ADHS. ADHS beeinträchtigt die Fähigkeit, schnell das DMN abzuschalten und die taskpositiven Netzwerke "einzuschalten". In der Folge verharren ADHS-Betroffene länger in einem bestimmten Geisteszustand. Die Deaktivierbarkeit des DMN bei ADHS konnte durch hohe Belohnungen (die intrinsisches Interesse bewirken) so erhöht werden, dass diese der Deaktivierbarkeit bei Nichtbetroffenen entsprach.
Therapeutische Ansätze zur Verbesserung der Netzwerkeffizienz
Mit Methoden wie der Tiefenhirnstimulation oder der nicht-invasiven transkraniellen Magnet- oder Elektrostimulation können gestörte Netzwerke beeinflusst und teilweise wieder ins Gleichgewicht gebracht werden. Bei Parkinson wird die Tiefenhirnstimulation seit einigen Jahren angewandt. Ein anderer Ansatz ist die repetitive transkranielle Magnetstimulation. Friedhelm Hummel vom Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf hofft ebenfalls darauf, neue Erkenntnisse über Netzwerke zur Therapieverbesserung nutzen zu können, und zwar bei der Regeneration nach einem Schlaganfall. Auch bei Schizophrenie-Erkrankungen könnte geschickte Netzwerkstimulation Symptome lindern.
Die Rolle des Kleinhirns (Cerebellum)
Früher wurde das Cerebellum (Kleinhirn) ausschließlich mit motorischer Kontrolle in Verbindung gebracht. Inzwischen ist jedoch bekannt, dass das Kleinhirn auch eine wichtige Rolle bei kognitiven und sozialen Funktionen spielt. Funktionsstörungen des hinteren Kleinhirns können soziale und kognitive Funktionen beeinträchtigen.
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Die Auswirkungen von Lernen auf die visuelle Verarbeitung
Eine Studie der Universität Leipzig und der Vrije Universität Amsterdam hat mithilfe von Gehirnstrommessungen (EEG) herausgefunden, dass sich frühe visuelle Verarbeitungsprozesse des Menschen durch wiederholte Erfahrung verändern. Die Analyse der Hirnaktivität ergab, dass das Gehirn mit der Zeit Positionen, an denen häufig ablenkende Reize auftreten, bereits in den ersten Momenten der visuellen Verarbeitung abschwächt. Zudem waren die Testpersonen deutlich besser bei der Suche nach dem Zielobjekt, wenn der Störreiz an der erlernten Position erschien, als wenn dieser an anderer Stelle auftauchte. Diese Erkenntnisse verdeutlichen, dass unser Gehirn durch Erfahrung lernt, ablenkende Reize effizient auszublenden.