Reizverarbeitung im Rückenmark und altersbedingte Veränderungen

Das Nervensystem des Menschen ist ein komplexes Netzwerk, das für die Steuerung von Bewegungen, Empfindungen und Denkprozessen verantwortlich ist. Es besteht aus über 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die miteinander kommunizieren und Informationen verarbeiten. Neurologische Erkrankungen können die Funktion dieser Nervenzellen beeinträchtigen und vielfältige Symptome auslösen. Die Neurologie als medizinisches Fachgebiet beschäftigt sich mit dem Aufbau, den Funktionen und den Störungen des Nervensystems, das in ein zentrales Nervensystem (Gehirn und Rückenmark) und ein peripheres Nervensystem unterteilt wird.

Die Rolle des Rückenmarks bei der Reizverarbeitung

Lange Zeit wurde das Rückenmark hauptsächlich als ein bloßer Übertragungsweg für Sinnesreize aus dem Körper zum Gehirn angesehen. Neuere Forschungsergebnisse haben jedoch gezeigt, dass das Rückenmark eine viel aktivere Rolle bei der Reizverarbeitung spielt. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Neurobiologie (LIN) und der Universitätsmedizin Magdeburg haben in einer Studie herausgefunden, dass das Rückenmark bereits eine Vorverarbeitung von Sinnesreizen vornimmt.

Experimentelle Belege für die Vorverarbeitung im Rückenmark

Um die Informationsverarbeitung im Rückenmark zu messen, nutzten die Forscher ein Verfahren aus der Schmerztherapie, bei dem Elektroden in die Nähe des Rückenmarks implantiert werden, um es elektrisch zu stimulieren. Im Rahmen der Studie wurde diese Stimulation vorübergehend ausgeschaltet, und die Wissenschaftler konnten über die Elektroden elektrische Signale aufzeichnen, die das Rückenmark selbst produziert.

In einem Experiment hörten die Teilnehmer zunächst einen Ton, auf den nach einem kurzen Zeitraum ein Stromreiz am Handgelenk folgte. Wenn der Zeitraum zwischen Ton und Reiz gleich blieb, konnten die Teilnehmer den Reizzeitpunkt anhand des Tons genau vorhersagen. Schwankte der Zeitraum jedoch, war keine genaue Vorhersage möglich. Das Ergebnis: Die Signale im Rückenmark waren schwächer, wenn der Reiz vorhersagbar war, und stärker, wenn er überraschend kam.

Hochfrequente Oszillationen als Sprache des Rückenmarks

Im Fokus der Studie standen die sogenannten hochfrequenten Oszillationen. „Diese Nervensignale sind eine Art Sprache des Rückenmarks, die bisher kaum erforscht war. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Signale entscheidend an der kontextabhängigen Reizverarbeitung beteiligt sind“, so Dr. Max-Philipp Stenner, Erstautor der Studie.

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Um die Ergebnisse zu überprüfen, führten die Forscher ein ähnliches Experiment mit gesunden Personen durch. Hier wurden die Signale nicht-invasiv über Elektroden am Hals gemessen. Auch hier zeigten die hochfrequenten Nervensignale: Vorwissen über einen Reiz beeinflusst die Signalstärke bereits im Rückenmark.

Implikationen der Forschungsergebnisse

Die Interpretation der Wissenschaftler ist, dass das Rückenmark die erste Station im zentralen Nervensystem ist, an der Signale aus dem Körper unterhalb des Halses ankommen. Was hier geschieht, beeinflusst die nachfolgende Informationsverarbeitung im Gehirn. „Wer verstehen will, wie das Nervensystem Reize verarbeitet, muss das Rückenmark als erste Verarbeitungsstation mit einbeziehen“, erklärt Stenner.

Altersbedingte Veränderungen im Nervensystem

Im Laufe des Lebens verändert sich das Nervensystem kontinuierlich. Bereits im Mutterleib beginnt die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem und setzt sich nach der Geburt fort. Mit zunehmendem Alter treten jedoch auch Abbauprozesse auf, die die Reizverarbeitung beeinflussen können.

Entwicklung des Nervensystems von der Embryonalzeit bis zum Erwachsenenalter

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.

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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. 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.

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.

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. Ab dem 10. Lebensjahr wird das Gehirn dann optimiert. Nur die Nervenverbindungen bleiben erhalten, die häufig gebraucht werden, die übrigen verschwinden.

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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.

Auswirkungen des Abbaus von Myelinscheiden und Nervenzellen

Mit zunehmendem Alter kommt es zu einem Abbau der Myelinscheiden, die die Nervenleitbahnen umhüllen und für eine schnelle Reizweiterleitung sorgen. Dadurch verlangsamt sich die Reizweiterleitung im Gehirn und im peripheren Nervensystem. Zudem sterben altersbedingt Nervenzellen im Gehirn ab, wodurch die graue Substanz und die Verbindungen zwischen den Zellen abnehmen. Die Verarbeitungsprozesse verändern sich, und das Gehirn muss bei manchen Aufgaben kompensieren, was mehr Energie kostet.

Einfluss von Sinneswahrnehmung, Kognition und Motorik

Die Reaktionszeit im Alter wird nicht nur durch Veränderungen im Gehirn beeinflusst, sondern auch durch die Sinneswahrnehmung, die kognitiven Fähigkeiten und die Motorik. Wer nicht gut sieht oder hört, reagiert im Straßenverkehr langsamer. Auch eine Abnahme der Aufmerksamkeit oder des Gedächtnisses kann die Handlungen verlangsamen. Wenn sich der Körper nicht mehr so schnell bewegen kann, wie man es gerne hätte, wirkt sich dies ebenfalls auf die Reaktionszeit aus.

Möglichkeiten zur Verlangsamung des Abbaus

Es gibt jedoch Möglichkeiten, dem Abbau im Nervensystem entgegenzuwirken. Ein aktiver Lebensstil mit regelmäßiger Bewegung, sozialen Kontakten und geistiger Stimulation ist hilfreich. Eine gesunde Ernährung und Stress-Resilienz tragen ebenfalls zur Gesundheit des Nervensystems bei. Darüber hinaus gibt es spezielle Interventionen wie Aufmerksamkeits- und Gedächtnistraining, mit denen sich die kognitive Leistungsfähigkeit trainieren lässt.

Neurologische Erkrankungen und ihre Auswirkungen auf die Reizverarbeitung

Neurologische Erkrankungen können die Reizverarbeitung im Nervensystem erheblich beeinträchtigen. Einige Beispiele für solche Erkrankungen sind:

• Migräne: Eine Funktionsstörung des Gehirns, bei der schmerzregulierende Systeme nicht richtig funktionieren und Betroffene überempfindlich auf Reize reagieren.
• Alzheimer: Eine Unterform der Demenz, bei der Nervenzellen im Gehirn langsam absterben, was zu Sprach-, Orientierungs- und Gedächtnisstörungen führt.
• ADHS: Eine Funktionsstörung des Gehirns, die sich durch impulsives Verhalten, Unruhe sowie Aufmerksamkeits- und Konzentrationsprobleme bemerkbar macht.
• Epilepsie: Eine Erkrankung, die durch wiederholte epileptische Anfälle gekennzeichnet ist, bei denen es zu einer starken, plötzlichen elektrischen Entladung der Hirnzellen kommt.
• Schlaganfall: Eine Verstopfung einer Arterie im Gehirn oder eine Hirnblutung, die dazu führt, dass Nervenzellen nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden und absterben.
• Parkinson: Eine Erkrankung, bei der bestimmte Nervenzellen im Gehirn absterben, die für die Herstellung des Botenstoffs Dopamin zuständig sind, was zu Zittern, Muskelstarre und eingeschränkter Beweglichkeit führt.
• Multiple Sklerose (MS): Eine chronisch-entzündliche Krankheit des zentralen Nervensystems, bei der Autoimmunzellen den eigenen Körper angreifen und die Reizweiterleitung beeinträchtigen.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine Erkrankung, bei der Nervenzellen des motorischen Nervensystems ihre Funktion verlieren, was zu Muskelzuckungen, Muskelschwäche und Muskelschwund führt.
• Hirnhautentzündung: Eine Entzündung der Hirnhäute, die durch eine Infektion mit Viren oder Bakterien verursacht wird und unbehandelt neurologische Schäden nach sich ziehen kann.
• Chiari-Malformation: Eine Fehlbildung am hinteren Schädel, bei der sich Anteile des Kleinhirns in das Hinterhauptsloch verlagern und die Zirkulation von Hirn- und Rückenmarksflüssigkeit behindern können.

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