Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ. Es besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die durch ein Vielfaches an Kontaktpunkten miteinander verbunden sind. Diese Verbindungen ermöglichen es uns zu lernen, uns zu erinnern, zu denken und zu fühlen. Bis vor Kurzem ging man davon aus, dass sich das Gehirn eines Erwachsenen nicht mehr verändert. Heute wissen wir jedoch, dass es sich bis ins hohe Alter ständig umbaut und anpasst. Einige Neurowissenschaftler vergleichen es sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann.
Die lebenslange Lernfähigkeit des Gehirns
Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist wissenschaftlich unbestritten. Anders wäre es dem Menschen nicht möglich, die vielfältigen Herausforderungen zu bewältigen, denen er im Laufe seines Lebens begegnet. Wir können bis ins hohe Alter eine Fremdsprache lernen, Yoga praktizieren, uns das Gesicht und die Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria finden.
Synaptische Plastizität als Grundlage des Lernens
Lernen findet an den Synapsen statt, den Kontaktstellen, an denen elektrische Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Dieses Phänomen wird als synaptische Plastizität bezeichnet. Durch Prozesse wie die Langzeitpotenzierung (LTP) können Synapsen verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoffe ausschütten oder mehr Botenstoffrezeptoren bilden. Neurowissenschaftler wissen heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen, wie zum Beispiel im Riechsystem, können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Daher ist es nicht übertrieben zu sagen, dass unser Gehirn zeitlebens einer Baustelle gleicht.
Die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Vereinfacht ausgedrückt, könnte man sich vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert, und abgeschwächt wird, wenn es vergisst. Ohne die Plastizität würde dem Gehirn etwas Fundamentales fehlen: seine Lernfähigkeit.
Trainingseffekt und seine Grenzen
Viele Wissenschaftler bezweifeln jedoch, dass Gehirnjogging-Übungen die generelle Leistungsfähigkeit des Gehirns steigern. Sie gehen davon aus, dass sich der Trainingseffekt nur auf die unmittelbar trainierte Aufgabe auswirkt.
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Auswirkungen von Training auf die Hirnstruktur
Mit dem Lernen verhält es sich wie mit dem Sport: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie erledigt. Wer beispielsweise Taxi fährt, muss sich gut orientieren und Routen merken können. Durch die tägliche Arbeit wird so das Ortsgedächtnis immer besser. Das hinterlässt auch Spuren im Gehirn, zum Beispiel im Gehirn Londoner Taxifahrer: Forscher haben herausgefunden, dass in ihrem Gehirn der Hippocampus - eine für das Ortsgedächtnis zentrale Region im Gehirn - über die Jahre größer wird. Offenbar braucht ein derart trainiertes Orientierungsvermögen auch mehr Raum! Ob die Taxifahrer auch generell ein besseres Gedächtnis besitzen, ist noch unbekannt.
Reparaturmechanismen des Gehirns
Seine Plastizität hilft dem Gehirn zudem, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben Forscher herausgefunden, dass das Gehirn so die Schäden nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann. Wissenschaftler erforschen an verschiedenen Max-Planck-Instituten, wie das Gehirn und seine Nervenzellen plastisch bleiben.
Die Verschaltung des Gehirns: Ein komplexes Netzwerk
Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich beispielsweise besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet. Anatomisch fallen besonders die Bereiche ins Auge, die als Groß-, Zwischen- und Kleinhirn (Cerebellum) bezeichnet werden, sowie der Hirnstamm.
Die Großhirnrinde als Sitz höherer geistiger Fähigkeiten
Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende sogenannte Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen.
Untersuchung der Gehirnverbindungen mittels MRT
Welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind, untersuchen Wissenschaftler mithilfe der sogenannten Magnetresonanztomografie (MRT). Mit dieser Technik können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden. Auf diese Weise haben Sprachforscher beispielsweise eine für das Sprachvermögen zentrale Gehirnregion entdeckt: den sogenannten Fasciculus Articuatus. Ohne dieses Nervenfaserbündel können Kleinkinder keine komplexen Sätze bilden und verstehen. Dies gelingt erst, wenn diese Verbindung genug entwickelt ist.
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Auch bei Schimpansen haben Forschende den Fasciculus Articuatus entdeckt. Bei diesen ist er aber schwächer ausgebildet als beim Menschen. Folglich schaffen die Tiere es trotz jahrelangen Trainings nicht, selbst einfachste Sätze zu bilden - und das, obwohl andere erforderliche Hirnareale sowie anatomische Voraussetzungen zum Sprechen durchaus vorhanden sind.
Funktionelle MRT zur Unterscheidung aktiver und inaktiver Gehirnregionen
Mit einer Variante dieser Technik, der sogenannten funktionellen Magnetresonanztomografie, können Wissenschaftler zwischen aktiven und nicht aktiven Gehirnregionen unterscheiden. Damit haben sie viel über den Aufbau und die Funktionsweise des Gehirns gelernt. So haben Max-Planck-Forscher aus Leipzig herausgefunden, warum bei Menschen, die stottern, ein Ungleichgewicht zwischen der Hirnaktivität von linker und rechter Großhirnhälfte auftritt: Innerhalb des überaktiven rechten Netzwerkes haben sie eine Faserbahn entdeckt, die bei den Betroffenen deutlich stärker ausgebildet ist, als bei Menschen ohne Sprechprobleme. Je stärker der sogenannte Frontale Aslant Trakt ist, desto stärker stottert ein Mensch.
Die Herausforderung der Konnektom-Entschlüsselung
Einen exakten Schaltplan des Gehirns lässt sich jedoch mit der MRT-Technik nicht erstellen, dafür ist die Genauigkeit der Methode nicht hoch genug. Schließlich sitzen bis zu 10.000 Synapsen auf einer Nervenzelle, 100 Billionen sind es insgesamt. Dies zeigt, wie dicht das Kommunikationsnetz im Gehirn ist. In diesem Netz können einerseits benachbarte Nervenzellen miteinander verknüpft sein, andererseits auch Zellen, die weit voneinander entfernt sind. Die Wissenschaftler entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln können. Als Modellfälle dienen ihnen dafür Mäuse: Sie haben zum Beispiel die Verschaltung von Bereichen der Netzhaut des Auges sowie der Großhirnrinde aufgeklärt und herausgefunden, dass Nervenzellen im sogenannten entorhinalen Kortex der Großhirnrinde wie ein Transistor organisiert sind: Bevor eine Nervenzelle eine andere Zelle aktivieren kann, kontaktiert sie eine hemmende Zelle und wird so in ihrer eigenen Aktivität behindert. Anhand solcher Schaltpläne wollen Wissenschaftler lernen, wie das Gehirn funktioniert. An Max-Planck-Instituten arbeiten sie bereits heute daran, die Prinzipien der Informationsverarbeitung aufzuklären. Derzeit konzentrieren sie sich auf einfacher aufgebaute Gehirne, die weniger Nervenzellen und -fasern besitzen als das Gehirn des Menschen. Mäuse sind ein solcher Modellfall für Neurowissenschaftler. Sie besitzen als Säugetiere ein ähnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch. Trotz aller Ähnlichkeit zum Gehirn des Menschen gibt es natürlich auch Unterschiede. So haben Forschende des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung entdeckt, dass der Mensch ein dichtes Netz aus hemmenden Interneuronen besitzt, die mit anderen Interneuronen in Verbindung stehen. Mäuse haben dies in dieser Form nicht.
Modellorganismen zur Erforschung des Gehirns
Die Forschenden wollen nun die Funktion dieses Netzwerks herausfinden. Eine Möglichkeit ist, dass ein solches hemmendes Netzwerk hilft, Sinneseindrücke länger im Arbeitsgedächtnis zu halten.
Noch einfacher aufgebaut und leichter zu untersuchen ist das Gehirn von Zebrafischen und ihrer Larven. So besitzt das Gehirn einer Fischlarve nicht nur lediglich 100.000 Nervenzellen und damit eine Million Mal weniger als das des Menschen, es ist auch noch nahezu völlig transparent. Wissenschaftler können deshalb ohne operativen Eingriff mit ihren Mikroskopen ins Gehirninnere blicken.
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An diesem vergleichsweise einfach aufgebauten Gehirn können Forschende viel über die Arbeitsweise des Fischgehirns lernen und dabei Rückschlüsse auf die Abläufe im menschlichen Gehirn ziehen. Auch Wirbellose können ein Modell für Neurowissenschaftler sein. Ihre Nervenzellen sind zwar sehr klein, dadurch kann ihre Aktivität nicht so leicht gemessen werden. Dafür lassen sich wegen der vergleichsweise einfacheren Architektur die Prinzipien von Verschaltungen zur Wahrnehmung und Verarbeitung von Umweltreizen analysieren. So können Forscher anhand des Gehirns von Fruchtfliegen lernen, wie der Geruch von Nahrung die Fortpflanzung beeinflusst. Durch die Analyse des Sehsystems von Schmeißfliegen wollen sie herausfinden, wie die Insekten Bewegungen so unglaublich schnell wahrnehmen können. Selbst ein so einfach aufgebauter Organismus wie der Fadenwurm C.
Die Entwicklung des Gehirns im Laufe des Lebens
Die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem beginnt beim Embryo mit der 3. Schwangerschaftswoche. Bis zum Ende der 8. Woche sind Gehirn und Rückenmark fast vollständig angelegt. In den folgenden Wochen und Monaten wird im Gehirn eine Unmenge von Nervenzellen durch Zellteilung gebildet. Von diesen wird ein Teil vor der Geburt wieder abgebaut. Während der gesamten Schwangerschaft sind die neuronalen Strukturen äußerst empfindlich und damit anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Alkoholkonsum, Rauchen, Strahlung, Jodmangel und bestimmte Erkrankungen der Mutter, wie beispielsweise Infektionskrankheiten können zu einer Schädigung des sich entwickelnden Nervensystems führen. Auch Medikamente sollten nur nach Absprache mit dem Arzt eingenommen werden, um eventuelle negative Auswirkungen auf den Embryo zu verhindern.
Schon im Mutterleib nimmt das Gehirn des Ungeborenen Informationen auf. So geht man davon aus, dass durch das Wahrnehmen der Sprache der Eltern das Erlernen der Muttersprache schon vor der Geburt geprägt wird.
Mit der Geburt ist die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem noch lange nicht abgeschlossen. Zwar sind zu diesem Zeitpunkt bereits die große Mehrheit der Neuronen, etwa 100 Milliarden, im Gehirn vorhanden, sein Gewicht beträgt dennoch nur etwa ein Viertel von dem eines Erwachsenen. Die Gewichts- und Größenzunahme des Gehirns im Laufe der Zeit beruht auf der enormen Zunahme der Verbindungen zwischen den Nervenzellen und darauf, dass die Dicke eines Teils der Nervenfasern zunimmt. Das Dickenwachstum ist auf eine Ummantelung der Fasern zurückzuführen. Dadurch erhalten sie die Fähigkeit, Nervensignale mit hoher Geschwindigkeit fortzuleiten.
Reflexe im Säuglingsalter
Beim Säugling stehen zunächst Reflexe im Vordergrund. Dabei werden körpereigene Signale und Umweltreize bereits auf der Ebene des Rückenmarks und des Nachhirns in Äußerungen und Reaktionen umgesetzt. In dieser Phase dient der ganze Körper des Säuglings dazu, grundlegende Bedürfnisse und Empfindungen wie Hunger, Angst und Unwohlsein zum Ausdruck zu bringen.
Nach 6 Monaten hat sich das Gehirn soweit entwickelt, dass Babys lernen Oberkörper und Gliedmaßen zu kontrollieren. Im Alter von 2 Jahren haben die meisten Nervenfasern von Rückenmark, Nachhirn und Kleinhirn ihre endgültige Dicke erreicht und damit ihre Ummantelung abgeschlossen. Sie können nun Nervensignale mit hoher Geschwindigkeit hin und her schicken.
Synaptogenese und -pruning in der Kindheit
Im Gehirn nimmt die Anzahl der Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, in den ersten 3 Lebensjahren rasant zu. In dieser Zeit entsteht das hochkomplexe neuronale Netz, in dem jede Nervenzelle mit Tausenden anderer Neurone verbunden ist. Mit 2 Jahren haben Kleinkinder so viele Synapsen wie Erwachsene und mit 3 Jahren sogar doppelt so viele. Diese Zahl bleibt dann etwa bis zum zehnten Lebensjahr konstant. In den darauffolgenden Jahren verringert sich die Zahl der Synapsen wieder um die Hälfte. Ab dem Jugendalter treten bei der Zahl der Synapsen keine größeren Veränderungen mehr auf.
Die große Zahl der Synapsen bei 2 bis 10-Jährigen ist ein Zeichen für die enorme Anpassungs- und Lernfähigkeit der Kinder in diesem Alter. Art und Anzahl der sich formenden und bestehen bleibenden Synapsen hängen mit speziellen erlernten Fertigkeiten zusammen. Bei der weiteren Entwicklung des Gehirns treten dann andere Dinge in den Vordergrund. Die wenig benutzten und offenbar nicht benötigten Verbindungsstellen werden abgebaut, die anderen Nervenfasern zwischen den Neuronen dagegen intensiver genutzt. Das ist der Grund für den Abbau der Synapsen ab dem 10. Lebensjahr um die Hälfte.
Entwicklung des Gedächtnisses
Bereits Babys besitzen die Fähigkeit sich zu erinnern. Allerdings bleiben Erlebnisse bei 6 Monate alten Säuglingen lediglich 24 Stunden im Gedächtnis. Sind sie 9 Monate alt, steigt das Erinnerungsvermögen auf 1 Monat an. In den nächsten Monaten und Jahren nehmen diese Erinnerungszeiträume weiter zu. Die Entwicklung eines Langzeitgedächtnisses, das uns erlaubt, Erlebnisse und Erfahrungen, die Jahre zurückliegen, zu erinnern, dauert aber noch einige Zeit. Deshalb gibt es an die ersten drei bis vier Lebensjahre keine Erinnerung und meist nur wenige an das 5. und 6. Lebensjahr.
Kognitive Entwicklung im Schulkindalter
Mit etwa 6 Jahren setzen weitere wichtige Prozesse ein. Im vorderen Bereich der Großhirnrinde entwickelt sich zunehmend die Fähigkeit zu logischem Denken, Rechnen und „vernünftigem“ bzw. sozialem Verhalten, das sich an Erfahrungen orientiert. Auch die sprachlichen Fähigkeiten und das räumliche Vorstellungsvermögen, für die der hintere Bereich der Großhirnrinde zuständig ist, werden besser.
Optimierung des Gehirns in der Jugend
Ab dem 10. Lebensjahr wird das Gehirn dann optimiert. Nur die Nervenverbindungen bleiben erhalten, die häufig gebraucht werden, die übrigen verschwinden.
Plastizität im Erwachsenenalter
Im weiteren Verlauf des Lebens kann die komplexe Struktur des fertig entwickelten Gehirns in gewissen Grenzen umgebaut und umfunktioniert werden. Sterben Nervenzellen durch Alterungsprozesse, Erkrankungen oder andere Einflüsse ab oder sind sie in ihrer Funktion gestört, können häufig andere Bereiche des Gehirns ihre Aufgabe zumindest teilweise übernehmen.
Fünf Phasen der Hirnentwicklung im Lebensverlauf
Eine aktuelle Studie der Universität Cambridge, die mehr als 3.800 Hirnscans von Menschen im Alter zwischen null und 90 Jahren ausgewertet hat, kommt zu dem Ergebnis, dass die Hirnstruktur sich nicht kontinuierlich verändert, sondern fünf klar unterscheidbare Phasen durchläuft. Dazwischen gibt es vier einschneidende Umbrüche - mit etwa 9, 32, 66 und 83 Jahren.
Phase 1: Kindheit - Ordnung im Synapsen-Chaos (0-9 Jahre)
Von der Geburt bis etwa zum neunten Lebensjahr konsolidiert das Gehirn sein Netzwerk. Das bedeutet: Es kappt ungenutzte Verbindungen und stärkt die wichtigen. Dieser sogenannte "kompetitive Abbau" stellt sicher, dass das Gehirn effizient arbeiten kann. Gleichzeitig wachsen sowohl die graue als auch die weiße Substanz stark an.
Phase 2: Jugend bis frühes Erwachsenenalter - das Hirn wird effizient (9-32 Jahre)
Die Pubertät bringt hormonelle und neurologische Veränderungen mit sich. Nun beginnt eine Phase, in der die weiße Substanz weiter wächst und sich die Netzwerkstruktur verfeinert. Verbindungen zwischen den Hirnregionen werden schneller, die Kommunikation im Gehirn wird effizienter. Nur in dieser Phase nimmt die Netzwerk-Effizienz messbar zu. Gleichzeitig steigen in dieser Phase auch die Risiken für psychische Störungen. Viele Erkrankungen wie Angststörungen oder Depressionen setzen genau in dieser Umbruchszeit ein.
Phase 3: Mitte 30 bis Mitte 60 - das stabile Hochplateau (32-66 Jahre)
Mit etwa 32 Jahren erlebt das Gehirn den stärksten Umbruch der gesamten Lebensspanne. Danach beginnt die längste stabile Phase, die rund drei Jahrzehnte hält. In dieser Zeit verändert sich die Hirnstruktur nur noch langsam. Die kognitiven Fähigkeiten erreichen ihren Höhepunkt, ebenso wie die Stabilität der Persönlichkeit.
Phase 4: Spätes Erwachsenenalter - beginnender Abbau (66-83 Jahre)
In dieser Phase beginnt der Abbau von Hirnstrukturen langsam, aber stetig.
Phase 5: Hohes Alter - beschleunigter Abbau (ab 83 Jahre)
Im hohen Alter beschleunigt sich der Abbau von Hirnstrukturen.
Die Bedeutung des Gehirns für unser Leben
Das Gehirn ist die Steuerzentrale für lebenswichtige Abläufe im Körper. Es steuert alle wichtigen Fähigkeiten des Menschen: was wir wahrnehmen und empfinden, was wir wissen und denken oder wie wir uns verhalten. Es stellt aber auch sicher, dass unsere Organe richtig arbeiten und steuert all unsere Bewegungen. Es nimmt Sinneseindrücke auf und verarbeitet sie. Außerdem speichert es Informationen im Gedächtnis und ruft sie bei Bedarf wieder ab.
Die verschiedenen Bereiche des Gehirns und ihre Funktionen
Das Gehirn besteht aus verschiedenen Bereichen, wobei jeder Bereich auf bestimmte Aufgaben spezialisiert ist:
- Hirnstamm: Regelt lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck.
- Zwischenhirn: Steuert überlebenswichtige Empfindungen und Instinkte wie Durst, Hunger und Schlaf.
- Limbisches System: Spielt eine wichtige Rolle bei Gefühlen und triebgesteuertem Verhalten.
- Kleinhirn: Ist wichtig für das Gleichgewicht und die Koordination.
- Großhirn: Ermöglicht die sogenannten „höheren“ Hirnfunktionen, wie Motivation, Lernen, Denken oder Verstehen.
Vernetzung als Schlüssel zur Leistungsfähigkeit
Intelligenz hängt nicht so sehr von der Größe des Gehirns ab, sondern vielmehr davon, wie gut die einzelnen Nervenzellen und Gehirnbereiche miteinander vernetzt sind. Die Haupt-Verbindungen im Gehirn entwickeln sich schon vor der Geburt. Aus der Gehirn-Forschung weiß man aber, dass sich neue Kontakte zwischen Nervenzellen über das gesamte Leben ausbilden. Auch alte Verknüpfungen können sich verändern.
Neue Technologien zur Erforschung des Gehirns
Wissenschaftler entwickeln ständig neue Technologien, um das Gehirn besser zu verstehen. Eine vielversprechende Entwicklung ist die holographische Endoskopie. Mit einer Sonde, die dünner ist als ein menschliches Haar, können Forscher in tief liegende Hirnregionen blicken und hochaufgelöste Bilder von Gehirnzellen und neuronalen Prozessen erhalten. Dieses Verfahren eröffnet neue Möglichkeiten, um zu erforschen, was im Gehirn von Tieren passiert, während diese ihrerseits gerade ihre Umgebung erkunden oder eine neue Aufgabe erlernen.