Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das uns von allen anderen Lebewesen auf der Erde unterscheidet. Es ist die Grundlage unseres Denkens, Fühlens und Handelns. Was aber unterscheidet unser Gehirn von dem der Tiere? Und wie sind die Nervenzellen in unserem Gehirn miteinander vernetzt?
Die Einzigartigkeit des menschlichen Gehirns
Um diese Frage zu beantworten, haben Forscher die Netzwerke der Nervenzellen in den Gehirnen von Mäusen, Menschen und Affen verglichen. Dabei stellten sie fest, dass die menschliche Großhirnrinde eine überraschende Besonderheit aufweist: Sie ist von einem Netzwerk hemmender Nervenzellen durchzogen, das zehnmal stärker ausgeprägt ist als bei Mäusen. Die genaue Funktionsweise dieses Netzwerks ist noch unklar, aber es wird vermutet, dass es eine wichtige Rolle bei höheren kognitiven Funktionen wie Denken und Gedächtnis spielt.
Die Bausteine des Gehirns: Nervenzellen und Synapsen
Mit seinen rund 86 Milliarden Nervenzellen bildet das menschliche Gehirn ein komplexes Netzwerk, das bisher nur in Ansätzen verstanden ist. Jede Nervenzelle, auch Neuron genannt, besteht aus einem Zellkörper und fadenförmigen Fortsätzen, die meterlang werden können. An den Enden dieser Fortsätze befinden sich Synapsen, die Kontaktstellen zu anderen Neuronen bilden.
Wenn ein Neuron aktiv wird, werden an den Synapsen Neurotransmitter freigesetzt. Diese Botenstoffe übertragen Signale zu den Empfängerzellen und lösen dort eine Reaktion aus. Erhält eine Empfängerzelle ausreichend Eingangssignale, wird sie selbst aktiv und leitet ihre Botschaft wiederum an andere Zellen weiter. Da ein Neuron sehr viele Synapsen bildet und umgekehrt auch von sehr vielen Neuronen Eingangssignale erhält, entsteht ein hochkomplexes Netzwerk.
Hemmende Interneurone: Die "Ordnungshüter" des Gehirns
Die Forscher fanden heraus, dass im Vergleich zu Mäusen bei Menschen und Makaken die Verknüpfungen von sogenannten hemmenden Interneuronen deutlich stärker ausgeprägt sind. Diese Nervenzellen wirken wie "Ordnungshüter" im Gehirn, indem sie die Aktivität anderer Neuronen beruhigen.
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Die Netzwerkanalysen zeigen, dass die Verknüpfungen zu den großen Pyramidenzellen, den wichtigsten erregenden Neuronen der Großhirnrinde, bei Menschen kaum stärker sind als bei Mäusen. Dafür sind die hemmenden Interneuronen zehnmal mehr untereinander vernetzt.
Die genaue Funktion und Bedeutung dieser hemmenden Netzwerke ist bislang unklar. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass sie zu längerem Verweilen von Sinneseindrücken oder "Gedanken" führen und somit das Arbeitsgedächtnis verlängern können. Einige Forscher spekulieren sogar, dass diese neuartigen Netzwerke die Grundlage für ausschweifendes Denken sein könnten.
Die Plastizität des Gehirns: Ein Leben lang lernfähig
Eine der wichtigsten Eigenschaften des menschlichen Gehirns ist seine Lernfähigkeit. Lange Zeit galt unter Wissenschaftlern die Annahme, dass sich das Gehirn eines Erwachsenen nicht mehr verändert. Heute wissen wir jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird. Manche Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann.
Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. Anders hätte der Mensch die vielfältigen Herausforderungen, denen er im Laufe eines Lebens begegnet, auch gar nicht bewältigen können. So können wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache lernen, uns das Gesicht eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria finden.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
Lernen findet an den Synapsen statt, also den Orten, an denen die elektrischen 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.
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So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. Umgekehrt kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitdepression (LTD) geschwächt werden.
Durch die synaptische Plastizität können sich die Verbindungen zwischen Nervenzellen ständig verändern und an neue Anforderungen anpassen. So entstehen neue Gedächtnisinhalte und neue Fähigkeiten.
Die Rolle der Gliazellen bei der Synapsenbildung
Neben den Neuronen spielen auch Gliazellen eine wichtige Rolle bei der Funktion des Gehirns. Gliazellen befinden sich zwischen den Neuronen und ummanteln die Synapsen. Früher ging man davon aus, dass Gliazellen lediglich eine Stützfunktion haben. Inzwischen weiß man jedoch, dass sie auch aktiv an der Signalübertragung und der Synapsenbildung beteiligt sind.
Forscher haben herausgefunden, dass Gliazellen Substanzen freisetzen, die die Bildung und Effizienz von Synapsen fördern. Eine dieser Substanzen ist Cholesterin. Die Entdeckung, dass Gliazellen die Synapsenbildung beeinflussen, eröffnet neue Perspektiven bei der Suche nach den Ursachen neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer.
Mechanische Eigenschaften des Gehirns beeinflussen die Synapsenbildung
Neueste Forschungen haben gezeigt, dass auch mechanische Eigenschaften des Gehirns eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Verschaltungen und der Entstehung elektrischer Signale spielen. Das Gehirn hat während seiner Entwicklung eine sehr weiche Konsistenz, etwa vergleichbar mit der von Frischkäse. Je nach Region variiert jedoch seine Steifigkeit.
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Forscher haben festgestellt, dass sich in besonders weichen Regionen des Gehirns mehr Synapsen bilden als in steiferen Regionen. Sie konnten auch zeigen, dass die Steifigkeit der Umgebung die neuronale Entwicklung beeinflusst, indem sie die Expression von Transthyretin reduziert, einem Protein, von dem kürzlich gezeigt wurde, dass es die Synapsenbildung reguliert.
Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung mechanischer Signale für die Gehirnentwicklung und weisen auf ihre mögliche Rolle bei der Entstehung von neuronalen Schaltkreisen im Gehirn hin.
Die Erforschung des Konnektoms: Ein Schaltplan des Gehirns
Um das Gehirn besser zu verstehen, arbeiten Wissenschaftler daran, einen exakten Schaltplan des Gehirns zu erstellen, das sogenannte Konnektom. Dies ist jedoch eine enorme Herausforderung, da das Gehirn aus Abermilliarden von Nervenzellen und Synapsen besteht.
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.
Anhand solcher Schaltpläne wollen Wissenschaftler lernen, wie das Gehirn funktioniert und wie Informationen verarbeitet werden.
Modellorganismen in der Hirnforschung
Um mehr über die Funktionsweise des Gehirns herauszufinden, behelfen sich Wissenschaftler aus ethischen und praktischen Gründen oft mit den Gehirnen von Modellorganismen, vor allem Mäusen. Auf molekularer Ebene sind sich die Gehirne von Maus und Mensch weitgehend ähnlich. Sie haben die gleichen Arten von Ionenkanälen und leiten elektrische Erregung nach den gleichen Mechanismen weiter.
Neben Mäusen werden auch andere Tiere als Modellorganismen in der Hirnforschung eingesetzt, darunter Zebrafische, Fruchtfliegen und Fadenwürmer. Jedes dieser Tiere hat seine eigenen Vor- und Nachteile als Modellorganismus. So ist das Gehirn von Zebrafischenlarven beispielsweise nahezu völlig transparent, was es Wissenschaftlern ermöglicht, ohne operativen Eingriff ins Gehirninnere zu blicken.
Die Bedeutung der Hirnforschung für die Zukunft
Die Hirnforschung ist ein wichtiges Forschungsgebiet, das unser Verständnis von uns selbst und der Welt um uns herum grundlegend verändern kann. Die Erkenntnisse der Hirnforschung können dazu beitragen, neue Therapien für neurologische und psychische Erkrankungen zu entwickeln, die Entwicklung künstlicher Intelligenzen voranzutreiben und unser Bildungssystem zu verbessern.
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