Das Gehirn, ein komplexes Organ, besteht aus zwei Haupttypen von Gewebe: grauer und weißer Substanz. Neurowissenschaftler betrachten das Gehirn als ein Gebilde, das aus diesen beiden grundlegenden Gewebetypen zusammengesetzt ist. Die graue Substanz, die sich hauptsächlich an der Oberfläche des Gehirns befindet, enthält Milliarden von Neuronen. Diese neuronalen Zellen sind durch millionenfache Verbindungen, die gebündelt tiefer im Gehirn verlaufen und die weiße Substanz bilden, in einem verschachtelten Netzwerk zusammengeschaltet. Diese beiden Substanzen unterscheiden sich in ihrer Struktur, Zusammensetzung und Funktion und spielen jeweils eine entscheidende Rolle für die Gesamtfunktion des Gehirns.
Zusammensetzung und Struktur
Graue Substanz (Substantia grisea)
Die graue Substanz besteht hauptsächlich aus Nervenzellkörpern (Perikaryen), Neuropilem, Gliazellen und Kapillaren. Die Nervenzellkörper sind für die Biosyntheseleistungen des Neurons verantwortlich. Das Neuropilem, ein Nervenfilz zwischen Nerven- und Gliazellen, sorgt für die Verknüpfung aller Zellen. Gliazellen unterstützen die Nervenzellen, sind aber nicht an der Erregungsleitung beteiligt. Die Kapillaren versorgen das Gewebe mit Sauerstoff und Nährstoffen. Im Sagitalschnitt des Gehirns ist die graue Substanz im äußeren Bereich des Gehirns zu finden.
Weiße Substanz (Substantia alba)
Die weiße Substanz besteht überwiegend aus myelinisierten Axonen, die von einer Myelinscheide umgeben sind. Diese Scheide besteht aus Lipiden und Proteinen und dient der elektrischen Isolation. Myelinisierte Axone ermöglichen eine schnelle Weiterleitung von Nervenimpulsen. Die weiße Substanz liegt größtenteils unterhalb der Großhirnrinde und umgibt im Rückenmark die zentrale, schmetterlingsförmige graue Substanz.
Funktionelle Unterschiede
Graue Substanz: Informationsverarbeitung
Die graue Substanz ist hauptsächlich für die Verarbeitung und Integration von Informationen zuständig. Hier finden die eigentlichen Denkprozesse statt. Die Nervenzellkörper in der grauen Substanz sind über ihre Axone miteinander verknüpft. Agatha Christies berühmter Detektiv Hercule Poirot bemühte regelmäßig seine "kleinen grauen Zellen", um seine Fälle zu lösen.
Weiße Substanz: Signalübertragung
Die Hauptfunktion der weißen Substanz ist die schnelle und effiziente Weiterleitung von Nervenimpulsen zwischen verschiedenen Hirnregionen sowie zwischen Gehirn und Rückenmark. Die Myelinscheiden um die Axone ermöglichen eine hohe Geschwindigkeit der Signalübertragung. Die weiße Substanz sorgt dafür, dass Informationen schnell von der langsamen Informationsverarbeitung zu einer schnellen Reaktion gelangen.
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Die Rolle der oberflächlichen weißen Substanz (OWS)
Eine besondere Rolle spielt die oberflächliche weiße Substanz (OWS), eine dünne Schicht unterhalb des Kortex. Diese Schicht enthält die U-Fasern, die kürzesten Nervenfasern, die über 90 Prozent aller Verbindungen in der weißen Substanz bilden. Die OWS unterscheidet sich in ihrer Entwicklung und Physiologie sowohl von der grauen als auch von der weißen Substanz. Die U-Fasern werden erst in einem späten Entwicklungsstadium mit Myelin umhüllt, und in manchen Gehirnregionen geschieht dies sogar bis ins Erwachsenenalter hinein. Dies deutet auf eine besondere Rolle der U-Fasern für die Gehirnplastizität hin.
Eisenkonzentration in der OWS
Die oberflächliche weiße Substanz enthält unerwartet hohe Mengen an Eisen. Die höchste Eisenkonzentration findet sich in den myelinbildenden Zellen, den sogenannten Oligodendrozyten. Eisen ist für den Prozess der Myelinisierung notwendig. Die größte Eisenkonzentration in der oberflächlichen weißen Substanz findet sich in Regionen des frontalen Kortex, der sich im gesamten Prozess der Hirnreifung am langsamsten entwickelt.
Bedeutung für die Hirnentwicklung
Die Organisation der Grenzfläche zwischen weißer und grauer Substanz spielt eine wichtige Rolle in der Entwicklung des Gehirns. Die neu entwickelte Bildgebungsmethode erlaubt bisher verborgene Einblicke in die Organisation der Grenzfläche zwischen weißer und grauer Substanz und ihre Rolle in der Entwicklung des Gehirns.
Bildgebungstechniken
7-Tesla-MRT-Scanner
Moderne Bildgebungstechniken ermöglichen es, die graue und weiße Substanz im lebenden Gehirn sichtbar zu machen. Mit einem 7-Tesla-Magnetresonanz-Scanner (MR) konnte die vollständige Grenze zwischen weißer und grauer Substanz mit hoher Auflösung kartografiert werden. Die Genauigkeit dieser Submillimeterkarten wurde im Vergleich zu traditionellen und fortgeschrittenen histologischen Methoden beurteilt, die eine physische Untersuchung und Analyse von postmortalen Gehirnen beinhalten.
Innovationen in der Bildgebungsmethode
Der Schlüssel zu diesem Durchbruch liegt in der Kombination dreier Innovationen in der bildgebenden Methode. Zum einen wurden die Probandenbewegungen während der MRT-Untersuchung mit Hilfe eines holografischen Sensors verfolgt und vom Scanner in Echtzeit kompensiert, um die notwendige Submillimeter-Auflösung zu erreichen. Zum anderen wurde multiparametrische quantitative MR-Kartografie anstelle konventioneller gewichteter MR-Bildgebung benutzt. Die so gewonnenen quantitativen MR-Parameter wie Protonendichte und Spinrelaxationszeiten liefern mikrostrukturelle Informationen über die Gewebezusammensetzung. Ein biophysikalisches Modell verbindet quantitative MR-Parameter und Gewebeeigenschaften.
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Geschlechtsunterschiede
Bei gleichen Ergebnissen in Intelligenztests sind die Anteile damit verknüpfter grauer beziehungsweise weißer Substanz bei Frauen und Männern unterschiedlich. Männer weisen mehr Intelligenz-korrelierter grauer Substanz auf als Frauen. Frauen besitzen dafür bei identischem IQ die zehnfache Menge an weißer Substanz. Dies könnte erklären, warum Männer in vielen Studien mit Aufgaben besser zurechtkommen, die eine lokale Verarbeitung erfordern, während Frauen häufig brillieren, wenn die Integration von Informationen verschiedener Zentren gefragt ist.
Klinische Relevanz
Veränderungen oder Schädigungen der weißen Substanz können gravierende neurologische Erkrankungen zur Folge haben:
- Multiple Sklerose (MS): Bei dieser Autoimmunerkrankung greift das Immunsystem die Myelinscheiden der weißen Substanz an, was zu Entzündungen, Vernarbungen (Plaques) und Funktionsausfällen führt.
- Leukoenzephalopathien: Diese Gruppe seltener Erkrankungen betrifft die weiße Substanz und kann genetisch bedingt oder erworben sein.
- Altersbedingte Degeneration: Mit zunehmendem Alter nimmt das Volumen in bestimmten Regionen der weißen Substanz ab, was unter anderem mit einer Abnahme der kognitiven Leistungsfähigkeit in Verbindung gebracht wird.
- Frühere Untersuchungen deuten darauf hin, dass Erkrankungen wie Alzheimer und Autismus mit der sogenannten oberflächlichen weißen Substanz verknüpft sind.
Plastizität der weißen Substanz
Die weiße Substanz ist nicht statisch, sondern kann sich strukturell verändern. Myelinisierung kann sich durch Lernen und Training verbessern. Intensives Klavierspielen oder das Erlernen einer neuen Sprache kann die Dichte und Organisation der weißen Substanz positiv beeinflussen.
Weitere farbige Substanzen im Gehirn
Das Gehirn hat nicht nur eine Farbe, es überwiegen jedoch Grau und Weiß. Im Mittelhirn liegt die so genannte schwarze Substanz (Substantia nigra). Diese Neurone sind durch das Pigment Neuromelanin schwarz gefärbt. Besonders bei der Parkinson-Erkrankung sterben gerade diese Neurone ab und verursachen dadurch die bekannten Symptome. Im blauen Kern (Locus caeruleus), einer Region im Hirnstamm, sind die Zellen ebenfalls reich an Neuromelanin, jedoch nicht ganz so sehr, wie in der schwarzen Substanz. Dadurch schimmert der leicht schwarze Farbton dieses Bereichs etwas bläulich. Zudem gibt es noch einen roten Kern (Nucleus ruber), welcher sich in der Nähe der schwarzen Substanz befindet und leicht rötlich oder rosa erscheint. Man vermutet, dass die Farbe durch eine dichte Anordnung von Blutgefäßen und einen starken Eisengehalt zustande kommt.
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