Plastizität des Gehirns: Definition und umfassender Überblick

Die Plastizität des Gehirns ist ein faszinierendes und komplexes Thema, das die Fähigkeit des Gehirns beschreibt, sich im Laufe des Lebens zu verändern und anzupassen. Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht es uns, neue Fähigkeiten zu erlernen, uns an veränderte Umweltbedingungen anzupassen und uns von Verletzungen zu erholen.

Was ist Plastizität des Gehirns?

Die Plastizität des Gehirns, auch Neuroplastizität oder neuronale Plastizität genannt, bezieht sich auf die Fähigkeit des zentralen Nervensystems, seine Struktur und Funktion als Reaktion auf Erfahrungen, Lernen oder Schädigungen zu verändern. Diese Veränderungen können auf verschiedenen Ebenen des Nervensystems stattfinden, von einzelnen Synapsen bis hin zu ganzen Hirnarealen.

Allgemein bezeichnet Plastizität die Formbarkeit, die zu dauerhaften Veränderungen führt, im Gegensatz zur Elastizität. Sie ist ein wesentlicher Bestandteil der Fähigkeit von Organismen, sich an ihre Umwelt anzupassen, sowohl während der Entwicklung als auch unter neuen Bedingungen.

Definition nach Neurowissenschaftlern

Die Neurowissenschaftler Herraiz und Kollegen (2008) beschreiben neuronale Plastizität als die Fähigkeit des sensorischen Systems, sich nach Veränderungen in der Informationsaufnahme funktionell zu verändern und anzupassen. Das Nervensystem kann sich also verändern und sich so auf veränderte Reize einstellen. Dies gilt selbstverständlich für das heranwachsende Nervensystem. Aber auch im erwachsenen Gehirn findet neuronale Plastizität statt, sodass es über die gesamte Lebensspanne hinweg zu diesen Vorgängen kommt.

Thompson und Spencer

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.

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Arten der Plastizität

Man unterscheidet hauptsächlich zwischen struktureller und funktioneller Neuroplastizität:

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. Hierbei können sich bereits vorhandene Synapsen aktivitätsabhängig teilen, um neue Synapsen zu bilden. Wachstumskegel können die Bildung ganz neuer synaptischer Kontakte anregen. Im Gegenzug können an anderer Stelle nicht oder weniger genutzte Synapsen abgebaut werden.

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. Bei der funktionellen Plastizität findet keine Veränderung auf anatomischer, sondern vielmehr auf funktionaler Ebene statt. Es können bestehende Synapsen kurzfristig abgeschwächt oder verstärkt werden.

Weitere Arten der Plastizität

• Synaptische Plastizität: Bezieht sich auf Veränderungen an den Synapsen, die die Kommunikation zwischen Neuronen verbessern können.
• Erfahrungsabhängige Plastizität: Diese Art der Plastizität findet statt, wenn das Gehirn auf persönliche Erfahrungen reagiert, wie das Erlernen einer neuen Sprache.
• Homöostatische Plastizität: Bezieht sich auf die Fähigkeit des Gehirns, ein stabiles inneres Umfeld aufrechtzuerhalten, trotz externer Veränderungen oder Schäden.

Mechanismen der Neuroplastizität

Die Reorganisation im Sinne neuronaler Plastizität kann sich durch verschiedene Mechanismen vollziehen:

• Langzeitpotenzierung (LTP): Eine Verbindung wird intensiviert, vergleichbar mit einem schmalen Trampelpfad, der durch häufige Benutzung breiter wird und leichter zu passieren ist. Umso häufiger Neurone gleichzeitig aktiv sind, desto eher verbinden sie sich untereinander (Hebb 1949). Gäbe es nur LTP, wären die Zellen bald gesättigt, d.h. sie könnten sich nicht mehr verändern.
• Kollaterale Aussprossung: Ausbildung neuer Verbindungen mit anderen, umliegenden Nervenzellen durch die Ausbildung neuer Synapsen.
• Langzeitdepression (LTD): Mindert die Übertragungseffizienz. z.B. eine Aktivierung auftreten, die zu schwach ist, um zur Postsynapse übertragen zu werden. Ginge dies allen Zellen so, würde die Bedeutung aus den Nervennetzen verloren gehen.
• Synaptogenese: Neubildung von Synapsen.

Synaptische Plastizität im Detail

Die synaptische Plastizität spielt sich auf der Ebene der Synapse ab, wobei die Stärke der synaptischen Übertragung verändert wird. Dies kann durch Veränderungen in der Menge des ausgeschütteten Botenstoffes oder der Rezeptordichte auf der Empfängerzelle geschehen. Synaptische Plastizität kann auch strukturelle Veränderungen bedingen, wie die Vergrößerung oder Verkleinerung der synaptischen Kontaktfläche oder den Auf-, Ab- und Umbau ganzer Synapsen.

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Rolle von Glutamat

Bei der Plastizität der Postsynapse spielt der Botenstoff Glutamat eine entscheidende Rolle. Glutamat bindet an AMPA- und NMDA-Rezeptoren. Unter „normalen“ Umständen ist ein NMDA-Rezeptor durch Magnesium (Mg2+) blockiert. Wird die Membran jedoch kurz hintereinander mehrfach depolarisiert, löst sich die Mg2+-Blockade und zusätzliches Ca2+ kann einströmen.

Neurogenese

Schließlich gehört auch die Bildung neuer Nervenzellen zur strukturellen Plastizität. Lange ging man davon aus, dass das Gehirn keine neuen Nervenzellen bilden kann, aber es wurde gezeigt, dass das Säugergehirn zur Neurogenese fähig ist, insbesondere im Hippocampus und der Subventrikulärzone. Neue Nervenzellen können somit nur aus undifferenzierten Stamm- oder Vorläuferzellen hervorgehen, die im Gehirn ausschließlich in den beiden genannten Regionen vorkommen. Die Neubildung von Nervenzellen aus Vorläuferzellen ist damit mehr als nur eine bloße Zellteilung. Sie beinhaltet Migration, Differenzierung und Integration der neu entstandenen Zelle in das vorhandene Nervennetz. Die Integration ist die Voraussetzung für das Überleben einer neuen Nervenzelle, denn wird sie nicht integriert, stirbt sie wieder ab.

Plastizität im Kontext spezifischer Hirnregionen

Auditive Cortex (Hörrinde)

Neuroplastizität kann auch in der Hörrinde (auditiver Cortex), dem Hörzentrum des Gehirns, auftreten. Die kartenähnliche Organisation (Kartierung) des auditiven Cortex ist nicht statisch, sondern plastisch. Diese Kartierung kann sich durch äußere Einflüsse verformen. Beim Tinnitus liegt im Gehirn häufig ein abnorm verändertes Aktivierungsmuster vor. Ein Großteil der aktuellen wissenschaftlichen Publikationen zum Thema Tinnitus beschäftigt sich mit neuroplastischen Prozessen.

Spinaler Ebene

Die Plastizität des Nervensystems auf spinaler Ebene wird häufig über die Erregbarkeit der α-Motoneurone bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt in der Regel über die Messung des H-Reflexes. Aus einer mehrfach wiederholten Aktivierung von Synapsen kann eine gesteigerte Transmissionseffektivität resultieren, die wiederum eine potenzierte Antwort hervorruft.

Prämotorischer Kortex (M1)

Duffeau (2001) gelang der direkte Nachweis kurzfristiger Plastizität im Prämotorischen Kortex (M1). Zahlreiche Studien belegen eine kortikale Plastizität infolge eines cerebralen Insults. Durch einen Schlaganfall kann es je nach Verortung der Ischämie oder der Blutung auch zu motorischen Störungen kommen. Das Wiedererlernen motorischer Funktionen ist, da nekrotisierte Hirnareale nicht regenerieren können, auf eine Kompensation durch andere Teile des motorischen Kortex zurückzuführen.

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Plastizität und Lernen

Neuronale Plastizität oder Neuroplastizität bezeichnet die Eigenschaft des Gehirns, durch Training veränderbar zu sein. Neuroplastizität ist damit die Grundvoraussetzung für jede Form des Lernens. Durch Training verändern sich die Verbindungen zwischen Nervenzellen im Gehirn, indem sie stärker oder schwächer werden. Ein Sinnbild dafür ist der sprichwörtliche “Trampelpfad”, der sich durch häufige Benutzung zu einer Autobahn entwickelt.

Wie man Neuroplastizität im Studium anwendet

Neuroplastizität kann eine entscheidende Rolle im Studium spielen. Durch gezielte Lernstrategien kann man die Plastizität des Gehirns optimal nutzen:

• Wiederholung: Regelmäßiges Wiederholen des Lernstoffs hilft dabei, die neuronalen Verbindungen zu stärken.
• Aktive Teilnahme: Teilnahme an Diskussionen und praktischen Übungen kann die synaptische Plastizität fördern.
• Vielseitige Lernmethoden: Verwende verschiedene Lernmethoden wie Videos, Bücher und praktische Tests, um verschiedene Teile Deines Gehirns zu aktivieren.
• Gesunde Gewohnheiten: Ausreichender Schlaf, gesunde Ernährung und regelmäßige Bewegung unterstützen die Gehirngesundheit und fördern die Neuroplastizität.

Lernmethoden für Kinder

Um die Plastizität des Gehirns bei Kindern optimal zu nutzen, gibt es verschiedene Lernmethoden, die angewendet werden können:

• Interaktive Lernspiele: Sie fördern kognitive und motorische Fähigkeiten durch spielerische Herausforderungen.
• Musikinstrumente: Das Erlernen eines Musikinstruments stärkt die neuronalen Verbindungen und verbessert das Gedächtnis.
• Bewegung und Sport: Regelmäßige Bewegung fördert die Gehirngesundheit und unterstützt die Neurogenese.
• Gedächtnis- und Konzentrationsspiele: Rätsel, Karten- und Strategiespiele fördern die Konzentration und die Problemlösungsfähigkeiten.

Plastizität und Alter

Lange Zeit ging man davon aus, dass sich menschliche Gehirne im Erwachsenenalter nicht mehr verändern können. Heute weiß man, auch ältere Gehirne sind neuroplastisch - also veränderbar - und das ein Leben lang.

Rogasch et al. (2009) ließen Probanden 300 Abduktionen des Daumen durchführen. Vor und nach der Intervention wurden mittel TMS evozierte MEPs im M. abduktor brevis gemessen. Die Versuchsgruppe anhand des Alters differenziert. Eine Gruppe wies ein Altersspektrum von 18 - 24 Jahren, die andere von 61 - 82 Jahren auf. Im Anschluss an die Durchführung der motorischen Aufgabe ergab die Messung der MEPs bei den Jüngeren eine um 50% gesteigerte kortikale Erregbarkeit. Bei den älteren Probanden konnte keine Erhöhung der MEPs detektiert werden. Die Autoren interpretieren dies als eine Abnahme der kortikomotorischen Plastizität mit zunehmendem Alter (Rogasch et al. 2009).

Plastizität bei Hirnschädigungen

Auslösebedingungen für Neuroplastizität sind neurobehaviorale Anforderungen im Kontext von Organismus-Umwelt-Interaktionen, jedoch auch Veränderungen nach zerebralen oder peripheren Schädigungen des NS (Hirnschädigung).

Ein klassisches Beispiel für die Plastizität des Gehirns ist die Aktivierung gesunder Bereiche, um die Funktionen der verletzten Teile zu kompensieren. Zum Beispiel kann die Sprachfähigkeit in einer anderen Hirnregion neu organisiert werden, wenn der primäre Sprachbereich geschädigt ist.

Rehabilitation nach Schlaganfall

Kortikale Plastizität ist bei Lern- und Gedächtnisprozessen beteiligt. Bei der Rehabilitation nach cerebralen Schädigungen wie einem Schlaganfall, stellt die Reorganisationsfähigkeit des Gehirns einen zentralen Mechanismus bei der Wiedererlangung verloren gegangener Funktionen dar (Hallett 2000). Durch einen Schlaganfall kann es je nach Verortung der Ischämie oder der Blutung auch zu motorischen Störungen kommen. Das Wiedererlernen motorischer Funktionen ist, da nekrotisierte Hirnareale nicht regenerieren können, auf eine Kompensation durch andere Teile des motorischen Kortex zurückzuführen.

Technische Aspekte der Plastizität

Technologische Entwicklungen ermöglichen es, die Struktur und Funktion des Gehirns detailliert zu untersuchen und neue Therapiemethoden zu entwickeln.

Neue Technologien

• 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.

Aktuelle Forschung

• 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.

Plastizität und virtuelle Realität

Virtuelle Realität (VR) eröffnet neue Möglichkeiten, um die Plastizität des Gehirns gezielt zu fördern. Durch die intensive Nutzung von VR können spezifische Hirnregionen trainiert werden. Dies ist besonders wertvoll in der medizinischen Rehabilitation und Therapie. VR-Anwendungen finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, von Bildung bis Therapie, und bieten immersive Erfahrungen, die das Lernen und die Wahrnehmung verändern können.

Einfluss von 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 (z. B. MRT).

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.

Psychoimmunologie und Plastizität

Dank der Psychoimmunologie können wir unsere körperlichen Funktionen durch unsere Psyche beeinflussen und andersherum. Das führt dazu, dass Wohlbefindensübungen direkt unser Immunsystem und damit nicht nur unsere psychische Gesundheit, sondern auch unsere physische Gesundheit steigern können. So beeinflusst Stress und Dauerstress das Immunsystem negativ und kann sogar Auslöser für Autoimmunkrankheiten, wie Multiple Sklerose, Schuppenflechte oder Rheuma, und Allergien sein.

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