Die Neuroplastizität, auch bekannt als neuronale Plastizität oder Hirnplastizität, ist ein faszinierendes Konzept, das die Fähigkeit des Gehirns beschreibt, sich selbst zu verändern und anzupassen. Diese Anpassungen können als Reaktion auf verschiedene Erfahrungen, Verletzungen oder Lernprozesse erfolgen. Sie ist die Fähigkeit des Nervensystems, seine Organisation durch innere oder äußere Reize zu verändern. Sie ermöglicht es dem Gehirn, sich auf veränderte Ansprüche einzustellen und sich anzupassen.
Was ist Neuroplastizität?
Unter Neuroplastizität versteht man die erfahrungsbedingte Veränderung des Gehirns, die aktivitätsabhängige Adaptationsprozesse auf allen Ebenen des Nervensystems kennzeichnet. Die Plastizität des Gehirns bezieht sich auf die Fähigkeit des zentralen Nervensystems, sich strukturell und funktionell zu verändern. Dies kann durch Wachstumsprozesse, die Bildung neuer Synapsen oder die Stärkung bestehender Verbindungen geschehen.
Thompson und Spencer definierten die Neuroplastizität als eine dauerhafte Veränderung in der Reaktion eines Neurons infolge wiederholter Stimuli. Diese Plastizität neuronaler Reaktionen ist entscheidend für Lernprozesse und Gedächtnisbildung.
Die Bedeutung der Neuroplastizität
Die Neuroplastizität spielt eine entscheidende Rolle beim Lernen und Gedächtnis. Wenn wir neue Informationen lernen oder Fähigkeiten erwerben, verändern sich die Verbindungen zwischen den Neuronen in unserem Gehirn. Sie bildet die Basis für Lernvorgänge. Sie findet nicht nur im Kindesalter statt, sondern begleitet uns durch das gesamte Leben. Dank der Neuroplastizität kann sich das Gehirn auf veränderte Ansprüche einstellen und sich anpassen.
Die Neuroplastizität ist auch ein wichtiger Faktor bei der Erholung von Gehirnverletzungen. Die Erforschung der Neuroplastizität ist ein aktives und aufregendes Forschungsfeld. Die Neuroplastizität ist ein grundlegender Aspekt der Gehirnfunktion und hat tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis von Lernen, Gedächtnis, Entwicklung und Erholung nach Gehirnverletzungen. Die Erforschung der Neuroplastizität hat das Potenzial, neue Wege zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit und Leistungsfähigkeit zu eröffnen.
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Arten der Neuroplastizität
Man unterscheidet strukturelle und funktionelle Neuroplastizität. Die Neuroplastizität stützt sich auf zwei Grundpfeiler: die kortikale und die synaptische Plastizität.
Strukturelle Neuroplastizität
Bei der strukturellen Neuroplastizität verändert sich das Hirngewebe, also die Hirnanatomie. Dies können Vergrößerungen des Volumens, der Oberfläche und der Dicke der Hirnrinde sein. Auch anatomische Veränderungen der Kabelsysteme (Assoziationsbahnen und Kommissuren) können eintreten. Grundlage der strukturellen Neuroplastizität sind anatomische Veränderungen an den Synapsen (Zunahme von Synapsen, Vergrößerung der Synapsenoberfläche), Neuronen (Vergrößerung der Oberfläche), der Myelinisierung und der Ausbildung von Dendriten.
Funktionelle Neuroplastizität
Bei der funktionellen Neuroplastizität verändert sich die neurophysiologische Aktivierung einzelner Neurone oder ganzer Neuronengruppen. Hierbei unterscheidet man eine Zunahme der neurophysiologischen Effizienz (weniger Aktivität führt zum gleichen oder besseren Ergebnis) und eine Veränderung der kohärenten Netzwerkaktivierung. Wie der Name schon andeutet, findet bei der funktionellen Plastizität keine Veränderung auf anatomischer, sondern vielmehr auf funktionaler Ebene statt.
Kortikale Plastizität
Die kortikale Plastizität beschreibt die Veränderungen der Größe, Verbindungen und Aktivierungsschemata zwischen Neuronen aufgrund von variierender Beanspruchung eines Hirnareals. Die kartenähnliche Organisation (Kartierung) des auditiven Cortex ist nicht statisch, sondern plastisch. Diese Kartierung kann sich durch äußere Einflüsse verformen.
Synaptische Plastizität
Die Änderung der Intensität einer Reizübertragung an den Synapsen aufgrund der Nutzung eines bestimmten Hirnareals wird als synaptische Plastizität beschrieben. Änderungen in der Morphologie als auch in der Physiologie der Synapse haben eine zentrale Rolle bei der synaptischen Plastizität. Es handelt sich hierbei um einen neurophysiologischen Mechanismus, welcher für Lernprozesse und die Gedächtnisfunktion unerlässlich ist. Die synaptische Plastizität kann weiterhin in die Kurz- und Langzeitplastizität unterschieden werden.
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Kurzzeitplastizität
Dem Namen entsprechend ist bei der Kurzzeitplastizität die Übertragungsstärke der Neuronen nur für wenige Millisekunden bis Minuten erhöht.
Langzeitplastizität
Bei der Langzeitplastizität hält die erhöhte Übertragungsstärke mehrere Minuten bis zu Stunden an. In Ausnahmen hält sie sogar ein Leben lang an. Durch Langzeitpotenzierung kann eine Verbindung intensiviert werden, vergleichbar mit dem erwähnten, sprichwörtlichen schmalen Trampelpfad, der durch häufige Benutzung breiter wird und leichter zu passieren ist.
Beeinflussung der synaptischen Plastizität
Die Reizübertragung an den Synapsen kann sowohl verstärkt (Potenzierung) als auch gehemmt (Depression) werden. Beide Formen können kurzzeitig oder langzeitig ausgeprägt sein. Hierbei spricht man dann von einer Lang- oder Kurzzeit-Potenzierung bzw. Lang- oder Kurzzeit-Depression. Die Beeinflussung der Reizübertragung kann prä- und postsynaptischen Ursprungs sein. Als präsynaptisch wird die Zelle bezeichnet, von welcher das Signal ausgeht. Postsynaptisch hingegen bezeichnet die Nervenzelle, die das Signal aufnimmt und je nachdem weiterleitet bzw. hemmt.
Präsynaptische Beeinflussung
Bei der präsynaptischen Beeinflussung der Plastizität ändert sich die Menge des freigesetzten Transmitters, welches je Aktionspotenzial abgegeben wird. Die Geschwindigkeit der Wiederaufnahme des Neurotransmitters in die präsynaptische Zelle kann jedoch auch beeinflusst werden.
Postsynaptische Plastizität
Die postsynaptische Plastizität ist hingegen dadurch ausgezeichnet, dass sich das Ausmaß der Reaktion der postsynaptischen Antwort auf eine bestimmte Menge von Transmitter ändert. Die Menge von postsynaptischen Transmitter-Rezeptoren spielt hier eine entscheidende Rolle. Je mehr dieser Rezeptoren vorhanden sind, desto mehr Transmitter kann gebunden werden und somit die spezifische Wirkung entfalten. Außerdem können Rezeptoren modifiziert werden, sodass sie mehr oder weniger Transmitter binden, und es können Enzyme gebildet werden, die Einfluss auf die Aufenthaltsdauer der Transmitter im synaptischen Spalt haben.
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Phasen der Neuroplastizität
Die Neuroplastizität setzt sich grundlegend aus drei Phasen zusammen:
- Proliferation
- Pruning
- Konsolidierung
Proliferation
In der ersten Phase - der Proliferation - werden neue Synapsen gebildet. In dieser Phase findet eine verstärkte Expression von Myelin statt. Myelin ist eine Substanz, die aus Proteinen und Fetten besteht und die Axone der Nervenzellen umgibt, damit elektrische Signale schneller weitergeleitet werden können.
Pruning
Um keine unbrauchbaren Verbindungen aufrechtzuerhalten und Platz für neue, wichtigere Dinge zu schaffen, müssen ungenutzte Synapsen wieder entfernt werden. Dieser Vorgang wird als Pruning bezeichnet und heißt zu Deutsch “beschneiden” oder “zurechtstutzen”, wie es auch bei Bäumen und Sträuchern getan wird. So wird die Effizienz des Gehirns gesichert.
Konsolidierung
In der letzten Phase wird die Nutzung von neuronalen Verbindungen und Netzwerken automatisiert, was als Konsolidierung bezeichnet wird. In der Medizin beschreibt dieser Begriff generell die Verfestigung bzw. Heilung von Verletzungen oder Krankheiten.
Einflussfaktoren auf die Neuroplastizität
Wie bei den meisten körperlichen Funktionen auch kann die Neuroplastizität von äußeren Faktoren stark beeinflusst werden. Hierzu gehört sowohl das mentale als auch körperliche Wohlbefinden sowie körperliche Auslastung und Stress. Aber auch soziale Einflüsse haben einen Einfluss auf das Gehirn. Aufmerksamkeit, Lob und Kritik haben einen großen Einfluss auf das Lernverhalten und das Gedächtnis. Zahlreiche Studien konnten belegen, dass neuroplastische Veränderungen durch sogenannte externe oder interne Stimuli hervorgerufen werden können.
Externe und interne Stimuli
Regelmäßige physische Aktivität, soziale Verbindungen und Lernen können neuroplastische Veränderungen hervorrufen.
Meditation und Achtsamkeit
Der Einfluss von Meditation und Achtsamkeit auf die mentale und körperliche Gesundheit wurde in vielen Studien belegt. Unterdessen gibt es auch zahlreiche Studien, die sich mit den Effekten von Meditation auf die funktionelle und strukturelle Organisation des menschlichen Gehirns auseinandersetzen. Häufig verwenden diese zur Messung dieser Gehirnveränderungen bildgebende Verfahren. Meditation und Achtsamkeit haben ihre Wurzeln in alten buddhistischen Traditionen. Sie können das mentale Wohlbefinden erhöhen, indem sie Aufmerksamkeit und emotionale Regulierung fördern.
Eine Studie von Davidson & Lutz (2008) untersuchte die Auswirkungen von Meditation auf die Gehirnstruktur und -funktion.
FA - Meditation im MRT-Scanner
Bei der sogenannten fokussierten Aufmerksamkeitsmeditation wird die Aufmerksamkeit auf einen bestimmten Punkt gerichtet. Bei dieser Bedingung konnte eine Aktivierung in Hirnregionen, die mit Aufmerksamkeit und Emotionsregulation verbunden sind (präfrontaler Kortex, visueller Kortex, superiorer frontaler Sulcus, etc.) beobachtet werden. Darüber hinaus konnte man feststellen, dass die Aktivierung einer umgekehrten U-Kurve folgte. Dies bedeutet, dass sie bei mittelmäßig erfahrenen Praktizierenden am stärksten war und bei den erfahrenen Mönchen wieder abnahm.
Ergebnisse OM - Meditation & EEG
Langzeitmeditierende zeigten bei dieser Bedingung eine verstärkte Gamma-Wellen-Aktivität (25-42 Hz), diese ist mit verbesserter kognitiver Integration und gesteigerter Aufmerksamkeit verbunden.
Ergebnisse Attentional Blink Test
Nach drei Monaten intensiver Meditationspraxis reduzierte sich der Attentional Blink bei den Meditierenden signifikant. Das heißt, sie konnten den gesuchten Buchstaben nach dem Zielbuchstaben eher wahrnehmen.
Die Studie von Davidson & Lutz (2008) liefert überzeugende Belege dafür, dass Meditation sowohl funktionelle als auch strukturelle Veränderungen im Gehirn hervorruft. Die Praxis der fokussierten Aufmerksamkeit (FA) stärkt gezielt Regionen, die für Konzentration und Emotionsregulation zuständig sind, während die offene Überwachung (OM) zu einer verbesserten kognitiven Integration und einer verstärkten Synchronisation von Hirnarealen führt. Insgesamt verdeutlichen diese Erkenntnisse, dass Meditation weit mehr ist als eine Technik zur mentalen Entspannung - sie ist ein mächtiges Werkzeug zur bewussten Beeinflussung unserer Gehirnstruktur und -funktion.
Sensible Phasen der Neuroplastizität
Es gibt sogenannte sensible Phasen, in denen die Plastizität und damit die Entwicklungs- und Lernfähigkeit erhöht sind. In diesen sensiblen Phasen müssen bestimmte Umweltfaktoren gegeben sein, um das volle Potenzial erreichen zu können. Um besser zu verstehen, wann das Gehirn sensible Phasen erfährt, wurden die Anpassungsmechanismen von Menschen mit Einschränkungen untersucht. Viele der Proband*innen waren im Laufe des Lebens untypischen Situationen ausgesetzt, mit denen die meisten Menschen niemals konfrontiert werden. Das ist z. B. der Fall bei Menschen, die blind oder taub geboren werden oder erst im Laufe des Lebens diese Sinne verlieren. Die Gehirne dieser Menschen wurden dann untersucht und mit solchen verglichen, die den Verlust oder das Fehlen von bestimmten Sinnen nicht kompensieren mussten. Sind zwischen beiden Gruppen morphologische Unterschiede zu erkennen, können Rückschlüsse auf die beteiligten Hirnareale gezogen werden.
Neuroplastizität und Selbstheilung des Gehirns
Eine weitere, essenzielle Bedeutung der Neuroplastizität ist die Selbstheilung des Gehirns. Erleidet das Gehirn ein Trauma, können gewisse Funktionen für immer oder eine bestimmte Zeit eingeschränkt sein. Nach einem Schlaganfall kommt es häufig zu Störungen der Motorik und des Sprechverhaltens, da durch die Hirnblutung Areale beschädigt wurden, die für alltägliche Abläufe verantwortlich sind.
Lange wurde angenommen, dass Hirnschäden irreversibel wären und verlorene Funktionen nie wieder zurückerlangt werden könnten. Mittlerweile ist jedoch bekannt, dass das Gehirn diese Schäden bis zu einem gewissen Grad reparieren kann. Schäden, die nicht reparabel sind, können dann oft kompensiert werden. Diese Kompensation des fehlenden oder verlorenen Sinns ist z. B. bei blinden Menschen gut zu beobachten. Sie können meist deutlich besser hören und haben ein ausgeprägteres räumliches Verständnis, wobei ihnen der Schall hilft.
Kollaterale Axonsprossung
Dieses Phänomen wird durch die sogenannte kollaterale Axonsprossung unterstützt. Hierbei sprossen Axone aus benachbarten Hirnarealen in die beschädigte Region aus, um die Aufnahme und Weiterleitung von Signalen sicherzustellen. Überwiegend geschieht dies im peripheren Nervensystem und weniger im zentralen Nervensystem, da sich die Zelltypen und der Aufbau des ZNS nicht besonders hierfür eignen. Der andere Mechanismus ist die Ausbildung neuer Verbindungen mit anderen, umliegenden Nervenzellen durch kollaterale Aussprossung, also der Ausbildung neuer Synapsen.
Zur Kompensation gehört auch die Übernahme von Aufgaben durch benachbarte, intakte Hirnareale. Bezeichnet wird diese Fähigkeit als Vikariation. Leider kann dieses eigentlich wunderbare Phänomen auch negative Folgen haben. Es kann durch die neu gewonnene "Verschaltung" zu abnormalen Funktionen kommen, da Nervenzellen und ihre Verbindungen untereinander oft hoch spezialisiert sind. Das kann wiederum zu fehlerhafter Signalweiterleitung führen.
Neuroplastizität Therapie
Wie kann man nun dieses Prinzip für eine Therapie anwenden? Grundsätzlich wird das Wissen über die neuronale Plastizität des Gehirns genutzt, um nach einer Beschädigung den natürlichen Heilungsprozess zu unterstützen. Deswegen wird z. B. nach einem Schlaganfall mit dieser Therapieform gearbeitet. Diese darf jedoch nicht zu früh begonnen werden, da das Gehirn nach einem Trauma eine Regenerationsphase mit viel Ruhe benötigt, um im Anschluss wieder optimal heilen zu können. In dieser Zeit wäre eine Therapie kontraproduktiv.
Therapeutische Maßnahmen beinhalten:
- Gedächtnis- und Konzentrationstraining
- Wiederherstellung verlorener oder eingeschränkter Motorik
- Orientierungsübungen
- Behandlung von Ausfällen der Sinneswahrnehmungen
Die zuvor behandelte Vikariation spielt hierbei eine besondere Rolle. Intaktes, gesundes Gewebe verbindet sich mit dem abgestorbenen Gewebe und übernimmt so neue Aufgaben, um den Verlust zu kompensieren. Der beschädigte Bereich des Gehirns ist nach dem Trauma gleichzeitig deutlich besser modellierbar, was die Therapie bei korrekter Anwendung weiter unterstützen kann.
Die strukturellen Veränderungen nach einer Schädigung des Gehirns können dann über ein MRT (= Magnetresonanztomografie) oder einen PET-Scan (= Positronen-Emissions-Tomografie) nachverfolgt werden.
Neuroplastizität Übungen
Die gezielte Anregung der Neuroplastizität kann durch sogenannte Induktoren herbeigeführt werden. Dabei handelt es sich um Handlungen, die nachgewiesen bestimmte Hirnareale beanspruchen. Motorisches Training, gezielte Reize oder das Unterbinden bestimmter Funktionen kann die Verstärkung neuronaler Verbindungen herbeiführen.
Hemmt man den Körper daran, bestimmte Funktionen auszuführen, wird das Gehirn dazu gezwungen, diese Einschränkungen so weit wie möglich zu kompensieren. Wenn ein Mensch nach einem Unfall z. B. ein Bein nicht mehr bewegen kann, wird das intakte Bein ruhig gestellt, damit das Gehirn diese Einschränkung ausgleicht. Im Idealfall führt das dazu, dass die beschädigte Gliedmaße wieder bewegt werden kann.
Technische Aspekte der Neuroplastizität
Die Plastizität des Gehirns ist ein dynamisches Konzept, das durch technologische Fortschritte immer besser verstanden wird. Technologische Entwicklungen ermöglichen es, die Struktur und Funktion des Gehirns detailliert zu untersuchen und neue Therapiemethoden zu entwickeln.
Neue Technologien und ihre Auswirkungen
Neue Technologien spielen eine entscheidende Rolle im Verständnis und der Förderung der Plastizität des Gehirns. Hier sind einige der wichtigsten Technologien, die benutzt werden:
- Magnetresonanztomographie (MRT): Ermöglicht detaillierte Bilder des Gehirns, um strukturelle Veränderungen zu beobachten.
- Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT): Misst die Gehirnaktivität und gibt Einblicke in die funktionelle Plastizität.
- Transkranielle Magnetstimulation (TMS): Eine nicht-invasive Methode zur Stimulierung oder Hemmung spezifischer Hirnregionen, um deren Rolle besser zu verstehen.
- Elektroenzephalogramm (EEG): Erfasst elektrische Aktivitäten im Gehirn und wird oft in Verbindung mit anderen Technologien verwendet.
Ein Beispiel für die Anwendung neuer Technologien ist die Rehabilitation von Schlaganfallpatienten. Durch fMRT können spezifische Hirnregionen identifiziert werden, die während der Therapie aktiviert werden müssen, und TMS kann genutzt werden, um diese Regionen gezielt zu stimulieren.
Ein tieferes Verständnis bekommt man durch die Betrachtung von Fällen, in denen Neurofeedback genutzt wurde. Neurofeedback ist eine Technik, die EEG verwendet, um Patienten in Echtzeit Rückmeldung über ihre Gehirnaktivität zu geben. Diese Methode hat gezeigt, dass Patienten ihre Gehirnaktivität bewusst steuern und so beispielsweise Angstzustände reduzieren können.
Aktuelle Forschungen im Kontext der technischen Aspekte
Die Forschung im Bereich der Plastizität des Gehirns hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, insbesondere durch den Einsatz neuer Technologien. Hier sind einige der spannendsten aktuellen Forschungsprojekte:
- Brain-Computer-Interfaces (BCIs): Diese Technologie ermöglicht es Menschen, Maschinen direkt mit ihren Gedanken zu steuern, was ein enormes Potenzial für die Rehabilitation und kognitive Verbesserung hat.
- Optogenetik: Eine Technik, die Licht verwendet, um Neuronen gezielt zu aktivieren oder zu deaktivieren. Dies bietet präzise Kontrollmöglichkeiten und Einblicke in die Funktionsweise neuronaler Netzwerke.
- Virtuelle Realität (VR): VR wird verwendet, um immersive Umgebungen zu schaffen, die neuroplastische Trainingsbedingungen bieten. Dies kann z.B. bei der Behandlung von Phobien oder in der Rehabilitation nach Verletzungen eingesetzt werden.
Ein Forschungsprojekt nutzt BCIs, um querschnittsgelähmten Patienten die Steuerung von Exoskeletten zu ermöglichen. Erste Erfolge zeigen, dass Patienten durch intensive neuroplastische Übungen wieder einfache Bewegungen ausführen können.
Neuroplastizität und virtuelle Realität
Virtuelle Realität (VR) eröffnet neue Möglichkeiten, um die Plastizität des Gehirns gezielt zu fördern. Hierbei werden immersive Umgebungen geschaffen, in denen das Gehirn neue Erfahrungen sammeln und darauf reagieren kann.
VR ist eine computergenerierte Simulation einer dreidimensionalen Umgebung, die es einer Person ermöglicht, durch spezielle Hardware wie VR-Headsets zu interagieren. Diese Technologie fördert die Interaktion in virtueller Realität und kann die Plastizität neuronaler Reaktionen beeinflussen, was auf die Neuroplastizität des Gehirns hinweist. VR-Anwendungen finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, von Bildung bis Therapie, und bieten immersive Erfahrungen, die das Lernen und die Wahrnehmung verändern können.
Durch die intensive Nutzung von VR können spezifische Hirnregionen trainiert werden. Dies ist besonders wertvoll in der medizinischen Rehabilitation und Therapie. Zum Beispiel kann VR genutzt werden, um Patienten mit chronischen Schmerzen zu helfen, indem alternative sensorische Erfahrungen angeboten werden.
Ein tieferes Verständnis der Wirkung von VR auf die Gehirnplastizität erhält man durch Studien, bei denen VR genutzt wird, um Soldaten mit posttraumatischen Belastungsstörungen (PTBS) zu behandeln. Die immersive Natur von VR ermöglicht es den Patienten, traumatische Erlebnisse in einer kontrollierten Umgebung noch einmal zu durchleben und neue, weniger stressbeladene Reaktionen zu entwickeln.
Ein faszinierendes Beispiel ist die Nutzung von VR in der Behandlung von Phantomschmerzen bei amputierten Patienten.
Neuroplastizität bei Kindern
Die Plastizität des Gehirns ist besonders bei Kindern von großer Bedeutung. Sie ermöglicht es dem kindlichen Gehirn, sich ständig zu verändern und anzupassen, was für die Entwicklung und das Lernen unerlässlich ist.
Warum die Plastizität des Gehirns bei Kindern besonders wichtig ist
Kinder befinden sich in einer Phase rasanten Wachstums und Lernens. Die hohe Plastizität ihres Gehirns bedeutet, dass sie neue Informationen schnell aufnehmen und verarbeiten können. Hier sind einige Gründe, warum die Plastizität des Gehirns bei Kindern wichtig ist:
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