Neubildung von Gehirnzellen: Ein umfassender Fachartikel

Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das ständig Veränderungen unterworfen ist. Diese Veränderungen manifestieren sich in unterschiedlichen Prozessen, von der Entstehung neuer neuronaler Netzwerke durch alltägliches Lernen bis hin zu größeren Umbaumaßnahmen, wie sie beispielsweise in der Pubertät stattfinden. Dieser Artikel beleuchtet die Neubildung von Gehirnzellen, die Anpassungsfähigkeit des Gehirns und die Faktoren, die diese Prozesse beeinflussen.

Veränderungen des Gehirns im Laufe des Lebens

Die Struktur des Gehirns ist dynamisch und verändert sich im Laufe des Lebens. Dr. Karina Weichold vom Lehrstuhl für Entwicklungspsychologie an der Universität Jena vergleicht die Struktur des Gehirns mit einem Baum, dessen Verästelungen sich ständig verändern. In der Pubertät sterben kleinere Äste ab, während größere stärker werden. Diese Veränderungen ermöglichen Jugendlichen ein Denken in Meta-Ebenen und führen dazu, dass sie ihre Umwelt kritischer hinterfragen.

Andere Veränderungsprozesse im Gehirn sind individuell unterschiedlich und werden von den jeweiligen Lebensumständen geprägt. Dies zeigt sich besonders bei Berufsgruppen, die einzelne Bereiche ihres Gehirns stark beanspruchen. Geiger beispielsweise haben größere Hirnbereiche, die für die Bewegung und das Gefühl der Finger der linken Hand zuständig sind, da durch das tägliche Üben unzählige Impulse von der Hand am somatosensorischen Kortex ankommen.

Anpassung des Gehirns an Verlust und Schädigung

Das Gehirn besitzt eine bemerkenswerte Fähigkeit, sich an Verluste und Schädigungen anzupassen. Nach dem Verlust einer Hand beispielsweise haben Betroffene zunächst das Gefühl, sie noch zu spüren. Im Laufe der Jahre nimmt dies ab, da keine Impulse der Hand mehr ankommen. Die "arbeitslosen" Neuronen können dann neue Funktionen benachbarter Bereiche übernehmen. In der Übergangsphase kann es zu merkwürdigen Empfindungen kommen, bei denen Betroffene beispielsweise eine Träne, die die Wange hinunterläuft, auf ihrer nicht mehr vorhandenen Hand spüren.

Auch nach einem Schlaganfall können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Diese Plastizität hilft dem Gehirn, Schäden zumindest teilweise zu reparieren.

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Gehirnaktivität bei verschiedenen Tätigkeiten

Die Gehirnaktivität unterscheidet sich je nach Tätigkeit und Erfahrungsstand. Bei Musikern sind nicht nur Anpassungen der Neuronen im motorischen und somatosensorischen Kortex messbar, sondern auch das Hörzentrum in den Schläfenlappen reagiert anders als bei musikalischen Laien. Während bei Laien vor allem die Hörrinde auf der rechten Seite des Gehirns aktiv ist, zeigen Berufsmusiker eine verstärkte Aktivität auf beiden Seiten.

Auch bei Strategiespielen wie Schach sind deutliche Unterschiede der Gehirnaktivitäten zwischen Profis und Laien zu erkennen. Bei Amateuren ist vor allem der mittlere Schläfenlappen aktiv, während beim Schachmeister vor allem der frontale Kortex und eine Region in den Scheitellappen aktiv sind.

Ähnliche Veränderungen des Gehirns durch starke Beanspruchung einzelner Bereiche sind auch bei anderen Berufsgruppen nachweisbar. So gibt es beispielsweise bei Profifußballern eine intensivere Ausprägung der Bereiche für die Füße im motorischen Kortex.

Veränderungen des Gehirns durch Krankheiten

Auch Krankheiten können zu Veränderungen im Gehirn führen. Bei Alzheimerpatienten schrumpft das Gehirn im Verlauf der Krankheit immer stärker. Zunächst sind besonders Bereiche der Schläfenlappen und des limbischen Systems beeinträchtigt, im Verlauf der Krankheit schrumpft jedoch auch die Großhirnrinde.

Auch Depressionen hinterlassen sichtbare Spuren im Gehirn. Je länger ein Patient depressiv ist, desto kleiner ist sein linker Hippocampus. Dies wird vermutlich durch Stresshormone im Blut ausgelöst.

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Der Einfluss der Umwelt auf die Hirnstruktur

Eine reichhaltige Umwelt fördert die Bildung einer individuellen Hirnstruktur. Dies haben Forscher durch neurobiologische Studien mit Mäusen bewiesen. Bei den Tieren beeinflussten Erfahrungen die Neubildung von Nervenzellen und führten zu messbaren Veränderungen im Gehirn.

In einem Versuch wurden genetisch identische Mäuse in ein Gehege mit reichhaltigem Angebot zur Beschäftigung und Erkundung gesetzt. Starke Aktivität führte zu einer höheren Neubildung von Nervenzellen in der für Lernen und Gedächtnis zuständigen Hirnregion.

Diese Zusammenhänge sind laut Kempermann vermutlich auch für die Nervenbildung bei Menschen gültig. Diese Studie soll zudem helfen, zu erklären, warum genetisch identische Zwillinge, die in gleicher Umgebung aufwachsen, sich dennoch teilweise unterschiedlich entwickeln.

Die Lernfähigkeit des Gehirns

Das menschliche Gehirn ist das komplizierteste Organ, das die Natur je hervorgebracht hat. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist seine Lernfähigkeit. Bis vor wenigen Jahren galt unter Wissenschaftlern als ausgemacht: Das Gehirn eines Erwachsenen verändert sich nicht mehr. Heute weiß man 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.

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Viele Wissenschaftler bezweifeln aber, dass Gehirnjogging-Übungen die generelle Leistungsfähigkeit des Gehirns steigern. Sie gehen davon aus, dass sich der Trainingseffekt nur auf die unmittelbar trainierte Aufgabe auswirkt.

Synaptische Plastizität

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. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität.

So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. Die Übertragung von Signalen kann aber nicht nur verstärkt oder abgeschwächt werden, sie kann auch überhaupt erst ermöglicht oder völlig gekappt werden. So wissen Neurowissenschaftler 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.

Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle. Stärkung und Schwächung, Auf- und Abbau - die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Etwas vereinfacht könnte man sich also vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert - und abgeschwächt wird, wenn es vergisst. Ohne die Plastizität würde dem Gehirn folglich etwas Fundamentales fehlen: seine Lernfähigkeit.

Trainingseffekte im Gehirn

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 - ein für das Ortsgedächtnis zentrale Region im Gehirn - über die Jahre größer wird. Offenbar braucht ein derart trainiertes Orientierungsvermögen auch mehr Raum!

Die Verschaltung 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. 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.

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.

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.

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: Zuletzt haben sie 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.

Modellorganismen in der Hirnforschung

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. 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.

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.

Mikronährstoffe und Hirnleistungsfähigkeit

Die gesamte Hirnleistungsfähigkeit, und damit auch die Gedächtnisleistungen, sind von mehreren Faktoren abhängig. Die Ernährung spielt für eine gute kognitive Leistungsfähigkeit eine viel größere Rolle als früher angenommen. Der westliche Ernährungsstil oder ein häufiger Verzehr von Junkfood haben eindeutig einen nachteiligen Effekt auf die Hirnleistungsfähigkeit. Transfettsäuren, gesättigte Fette sowie sehr hohe Kohlenhydratmengen wirken sich negativ auf den Hirnstoffwechsel aus.

Für die Erhaltung oder Stärkung des Gedächtnisses ist ein erholsamer Schlaf von großer Bedeutung. Weitere wichtige Faktoren sind körperliche Aktivität und Fitness. Im Folgenden werden verschiedene Mikronährstoffe vorgestellt, die sich zur Prävention von Gedächtnisstörungen eignen oder deren Wirksamkeit bei Gedächtnisstörungen durch Studien belegt wurde.

• Vitamin B1: Von zentraler Bedeutung für die Energieversorgung der Nervenzellen. Ein Vitamin-B1-Mangel kann sich in einer Beeinträchtigung des Kurzzeitgedächtnisses zeigen.
• Vitamin B2: Eine unzureichende Vitamin-B2-Versorgung kann die Leistungsfähigkeit des Arbeitsgedächtnisses beeinträchtigen.
• Vitamine B6, B12 und Folsäure: Erforderlich zur Homocysteinsenkung. Erhöhte Homocysteinkonzentrationen sind neurotoxisch und beeinträchtigen die Gedächtnisleistungen.
• Vitamin C: Spielt eine wichtige Rolle für verschiedene Funktionen des ZNS, einschließlich des Arbeitsgedächtnisses.
• Vitamin E: Ein wichtiges fettlösliches Antioxidans, das zur Prävention und Behandlung von Gedächtnisstörungen von Nutzen sein kann.
• Vitamin K: Eine niedrigere Vitamin-K-Aufnahme kann mit größeren Gedächtnisproblemen verbunden sein.
• Vitamin D: Wichtig für den Erhalt der Hirnleistungsfähigkeit und für die Stimmung. Ein guter Vitamin-D-Status ist auch wichtig für das Gedächtnis.
• Vitamin A: Wichtig für verschiedene Hirnregionen, insbesondere auch für den Hippocampus.
• Aminosäuren: Einige Aminosäuren fungieren als Neurotransmitter, andere sind Vorstufen für die Neurotransmittersynthese.
  • Tyrosin: Kann zur Verbesserung oder Stabilisierung der kognitiven Leistungsfähigkeit in Stresssituationen eingesetzt werden.
  • Glycin: Kann Gedächtnisleistungen beeinflussen.
  • Taurin: Kann bei Gedächtnisstörungen von Vorteil sein.
  • Cystein: Spielt eine wichtige Rolle zur Begrenzung von oxidativem Stress und neurodegenerativen Entwicklungen im Gehirn.
• Magnesium: Reguliert die Aktivität der in NMDA-Rezeptoren, die wiederum für das Lernen und für die Gedächtnisbildung eine zentrale Rolle spielen.
• Eisen: Erforderlich für den Neurotransmittermetabolismus, die Energieversorgung der Nervenzellen, die Myelinsynthese, die Ausbildung von Synapsen und vieles mehr.
• Selen: Eine lebenslange niedrige Selenzufuhr kann mit schlechteren kognitiven Leistungen assoziiert sein.
• Omega-3-Fettsäuren: Spielen eine wichtige Rolle im Nervenstoffwechsel. DHA ist ein Bestandteil der Nervenzellmembranen.

Lernverhalten von Fischen

Ein internationales Team unter Leitung des IGB liefert in einer aktuellen Studie einen der ersten Nachweise für das komplexe Lernverhalten von Fischen. Der Baltische Stör gilt in Deutschland als ausgestorben. Das IGB koordiniert die Wiederansiedlung dieser bis zu fünf Meter großen Flussriesen und untersuchte, ob Störe durch Training ihre Fitness für die freie Wildbahn steigern können.

In den Verhaltensstudien wurden die Störe in zwei Gruppen eingeteilt und in großen Fließrinnen mit Strömung gehalten. Die Tiere der Trainingsgruppe musste sich über zwei Wochen ihr Futter aus einer handgroßen Sandfläche in ihrem Aufzuchtbecken suchen, um die Nahrungsaufnahme unter naturähnlichen Bedingungen nachzuahmen. Die Gruppe ohne Training bekam die Insektenlarven auf dem blanken Rinnenboden vorgesetzt.

Die trainierten Fische fanden die Nahrung doppelt so schnell wie ihre ungeübten Artgenossen und auch in der Gehirnstruktur zeigten sich Unterschiede. Die Genexpression von neurod1 war bei den trainierten Tieren deutlich höher als bei den untrainierten. Die komplizierte Futtersuche bewirkte bei den Tieren also, dass ihr Gehirn aktiver war und die Lernerfahrungen verarbeitet hat.

Sensomotorik: Die Verbindung von Sinnessystem und Motorik

Der Begriff Sensomotorik beschreibt die Verbindung des menschlichen Sinnessystems mit der menschlichen Motorik und die Interaktion von beiden Systemen. Diese Systeme sind nicht voneinander getrennt zu betrachten, weil sie ständig wechselseitig agieren. Die Schaltzentrale bildet dabei das Gehirn. Es gibt keine Sinneswahrnehmung ohne Motorik und keine motorische Handlung ohne Beteiligung der Sinne.

Das System der Sensomotorik besteht aus drei anatomischen Strukturelementen: Den Sensoren, dem Nervensystem samt Gehirn und der Skelettmuskulatur. Im Bereich der Wahrnehmung unterscheidet man Exterozeptoren (visuelles und auditives System) und Interozeptoren (Muskeln, Sehnen, Gelenke und der Vestibularapparat).

Alle Erfahrungen mit der Umwelt gelangen zunächst über das Sinnessystem zum Gehirn. Motorisches Lernen wird durch Neurone möglich. Sie verarbeiten die Wahrnehmung, das Lernen und das Denken, indem sie über Innervationen Verbindungen und Netzwerke schaffen.

Sensomotorisches Lernen wird also durch Neurone möglich. Sie speichern und verarbeiten die Wahrnehmung, in dem sie die neuronalen Netzwerke schaffen und verbessern. Neuroplastizität des Gehirns bedeutet, dass es zu lebenslanger Ausdifferenzierung und damit zu lebenslangem Lernen fähig ist. Lernen bedeutet also neurobiologisch gesehen die Veränderung der Stärke der synaptischen Verbindungen zwischen den Nervenzellen.

Die Entwicklung des Gehirns im Kindesalter

Die Gehirnforschung hat große Fortschritte gemacht und eine Unmenge neuer Erkenntnisse über das Gehirn, seine Struktur und die in ihm ablaufenden Prozesse gesammelt. Diese Forschungsergebnisse sind auch für Erzieher/innen von großer Bedeutung, da sie ihnen helfen, Lern- und Bildungsprozesse besser zu verstehen und effektiver zu gestalten.

Das Gehirn besteht aus rund 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die über 100 Billionen Synapsen (Kontaktstellen) mit anderen Neuronen kommunizieren. Somit ist eine Nervenzelle im Durchschnitt mit 1.000 anderen Neuronen verbunden.

In jedem Augenblick strömt eine Unmenge an Eindrücken und Wahrnehmungen aus dem Körper und über die Sinne zum Gehirn. Die Impulse werden in viele kleine Einzelteile zerlegt, die in spezialisierten Teilregionen des Gehirns verarbeitet werden.

Eindrücke und Informationen werden leichter behalten, wenn sie mit Emotionen verknüpft sind, wenn sie neuartig, ungewöhnlich und besonders interessant wirken, wenn sie leicht in die vorhandenen Gedächtnisinhalte integriert werden können und wenn ein Lebens- bzw. Alltagsbezug gegeben ist.

Im Gehirn schlagen sich Denken und Lernen auf verschiedene Weise nieder: Bei jeder Interaktion zwischen (Klein-) Kind und Umwelt reagieren zunächst Tausende von Gehirnzellen. Bestehende Verbindungen zwischen ihnen werden intensiviert, neue ausgebildet. Treten nun wiederholt ähnliche Eindrücke, Wahrnehmungen und Erfahrungen auf, schleifen sich bestimmte Bahnen ein. Das heißt, ähnliche Signale folgen immer häufiger demselben Weg, der durch bestimmte, bei wiederholter Stimulierung stärker werdende chemische Signale in den Synapsen zwischen den Neuronen markiert wird.

In der dritten Woche nach der Empfängnis faltet sich die dünne Zellschicht des Ektoderms einwärts zu einem flüssigkeitsgefüllten Zylinder, dem so genannten Neuralrohr, und verschließt diesen etwas später. Aus dem Neuralrohr entstehen das Gehirn und das Rückenmark. In ihm wandern die in einem rasanten Tempo entstehenden Nervenzellen zu ihrem jeweiligen Bestimmungsort, wobei sie sich an radial ausgerichteten Gliazellen orientieren.

Bei der Geburt enthält das Gehirn eines Säuglings rund 100 Milliarden Neuronen, die gleiche Anzahl wie beim Erwachsenen. Die Nervenzellen des Neugeborenen sind aber noch nicht voll ausgebildet und wenig vernetzt. Ein Neuron hat durchschnittlich nur 2.500 Synapsen; bei Kleinkindern sind es hingegen bis zu 15.000 Synapsen. Auch bewegen sich Nervenimpulse viel langsamer: Die neurale Geschwindigkeit nimmt zwischen Geburt und Adoleszenz um das 16fache zu - (Klein-) Kinder verfügen noch über zu viele mögliche Leitungsbahnen, was Erregungen länger "fließen" lässt.

Das Neugeborene fängt geistig praktisch bei null an: Abgesehen von ein paar angeborenen Verhaltensweisen ist es weitgehend auf Wahrnehmung und Reaktion beschränkt. Die Regionen des Gehirns, die später für komplexe Funktionen wie Sprechen oder Denken zuständig sind, liegen weitgehend brach. Aber das ist genau die große Chance des Menschen: Der Neugeborene ist praktisch für ganz unterschiedliche Kulturen und Milieus offen.

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