Die Entwicklung des Gehirns eines Kindes ist ein komplexer Prozess, der bereits während der Schwangerschaft beginnt und sich bis ins junge Erwachsenenalter fortsetzt. Diese Entwicklung ist entscheidend, da das Gehirn Informationen verarbeitet, lebenswichtige Funktionen steuert und den Sitz der Persönlichkeit darstellt. Umso wichtiger ist es, die verschiedenen Phasen der Gehirnentwicklung sowie Faktoren, die diese beeinflussen können, zu verstehen.
Frühe Entwicklung des Gehirns im Mutterleib
Das zentrale Nervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark, entsteht bereits in einem sehr frühen Stadium der embryonalen Entwicklung. Oftmals wissen Frauen zu diesem Zeitpunkt noch gar nichts von ihrer Schwangerschaft.
Die ersten Schritte: Neuralrohr und Nervenzellen
Bereits in der 5. Schwangerschaftswoche beginnen sich die ersten Nervenzellen zu teilen und sich in Neuronen und Gliazellen zu differenzieren - die Zelltypen, aus denen das Nervensystem besteht. Ebenfalls um die 5. Woche faltet sich die Neuralplatte in sich selbst und bildet das sogenannte Neuralrohr, welches sich bis etwa zur 6. SSW schließt und zum Gehirn und Rückenmark wird. Um die 10. Woche besitzt das Gehirn bereits eine kleine, glatte Struktur, die dem gleicht, was allgemein als Gehirn bekannt ist. Die Falten, die die verschiedenen Gehirnregionen bilden, entwickeln sich erst später in der Schwangerschaft.
Frühe Gehirnaktivität und Bewegungen
Die ersten Synapsen im Rückenmark des Babys bilden sich während der 7. Schwangerschaftswoche. Ab der 8. Woche beginnt die elektrische Aktivität im Gehirn. Sie ermöglicht dem Baby, seine ersten (spontanen) Bewegungen zu koordinieren, die im Ultraschall bereits sichtbar sind. Bis zum Ende des ersten Trimesters folgen weitere unwillkürliche Bewegungen wie Dehnen, Gähnen und Saugen. Diese erfolgen bis zum Ende des zweiten Trimesters dann bereits deutlich koordinierter. Das Gehirn, das lebenswichtige Funktionen wie Herzfrequenz und Atmung steuert, ist in der Regel bis zum Ende des zweiten Trimesters vollständig entwickelt. Der zerebrale Kortex, der willkürliche Handlungen sowie das Denken und Fühlen steuert, übernimmt im dritten Trimester - also erst gegen Ende der Schwangerschaft - seine Aufgaben.
Die Bedeutung der ersten 1000 Tage
Für die Entwicklung sind unter anderem die ersten 1.000 Tage, also die Zeit nach der Befruchtung bis zum zweiten Geburtstag wichtig, da hier auch die Grundlage für die weitere Gehirnentwicklung festgelegt wird. Von einem “fertigen” Gehirn spricht man erst nach 20 Jahren.
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Die Rolle der Gliazellen
Bei der Entwicklung des Gehirns spielt eine besondere Art von Gliazellen eine wichtige Rolle, die radialen Gliazellen. Radiale Gliazellen entstehen zu Beginn der Neurogenese aus den Epithelzellen des Neuralrohrs. Als „Progenitorzellen“ stehen sie zwischen den Stammzellen und den ausdifferenzierten Zellen: Sie können einige, aber nicht alle Zellarten hervorbringen, wie Studien zeigen. Ein Teil der radialen Gliazellen erzeugt andere Arten von Gliazellen, darunter die Oligodendrozyten, die Isolierhüllen der Axone, und die Astrozyten, die erst als Wegweiser und später unter anderem als Ernährer der Neurone wirken. Ein anderer Teil aber generiert bei der Teilung die Neuronen selbst. Im späten Entwicklungsstadium des Embryos und nach der Geburt haben sich die meisten radialen Gliazellen zu anderen Zellformen ausdifferenziert.
Die Wanderung der Neuronen
Die jungen Neuronen entstehen aus Stammzellen in einer Gewebeschicht des Neuralrohrs. Um sich eine grobe Vorstellung von diesem Prozess zu machen, kann man die Anzahl der Neuronen im Gehirn durch die Monate der Schwangerschaft teilen: dann erhält man einen durchschnittlichen Wert von 250.000 neuen Neuronen pro Minute. Von dort wandern sie an ihre Zielorte im Gehirn und beginnen bereits während dieser Wanderung, sich für ihre Aufgabe zu spezialisieren: in Sehzellen etwa oder Riechzellen. Was ihre Aufgabe sein wird, hängt von ihrer Entstehungszeit und von chemischen Faktoren in ihrer Umgebung ab. Zuerst entstehen die inneren Schichten des Großhirns, die jüngeren Zellen wandern an den älteren vorbei und bilden die weiter außenliegende Schicht. Dabei nutzen sie radiale Gliazellen, eine Art der Gliazellen, deren lange Fortsätze quer zur Schichtung des Gehirns nach außen wachsen, als eine Art Geländer, an dem sie sich entlanghangeln.
Vernetzung der Neuronen: Wachstumskegel und Synapsenbildung
Ist ein Neuron an seinem Platz angekommen, muss es sich mit seiner Zielregion verbinden. Sitzt ein Neuron etwa in der Netzhaut des Auges, muss es an das Sehzentrum im Thalamus andocken. Dazu streckt es einen „Arm“ aus, einen Neuriten, an dessen Spitze ein Wachstumskegel sitzt. Er bahnt dem Neuriten, etwa einem Axon, den Weg durch das dichte Gewebe, manchmal sogar bis in die andere Hälfte des Gehirns. Wohin dieser Wachstumskegel wächst, bestimmen zum einen anziehende und abstoßende Stoffe auf den Oberflächen der umgebenden Zellen. „So können richtige Straßen oder Kanäle entstehen, an denen sich die Neuriten orientieren“, erklärt Paul G. Layer, Professor für Entwicklungsbiologie und Neurogenetik an der Technischen Universität Darmstadt. Zum anderen beeinflussen Wachstumsfaktoren, wohin der Neurit sich reckt. Das sind kleine Proteine, die von den Zielregionen der Neuriten ausgesandt werden und die der Wachstumskegel mit Rezeptoren auf seinen zahlreichen Tentakeln wahrnehmen kann. „Anders als die Stoffe auf den Zelloberflächen können die Wachstumsfaktoren über gewisse Entfernungen hinweg wirken“, erklärt Layer. Hat der Wachstumskegel sein Ziel erreicht, ist das Neuron noch längst nicht fertig. „Erst muss der Zellkern davon erfahren, dass der Neurit angekommen ist“, sagt Layer: „Dazu muss der Wachstumsfaktor rückwärts durch den Neuriten in den Zellkörper befördert werden. Dort angekommen, löst er eine Signalkaskade aus, die im Zellkern dazu führt, dass Gene für den Fortbestand des Neurons aktiviert werden. Bleibt dieses Signal aus, weil der Neurit sein Ziel nicht gefunden hat, fällt das Neuron in Apoptose, das heißt es begeht Selbstmord.“ Der Wachstumsfaktor ist also eher ein Überlebensfaktor. Tatsächlich führt die massenhafte Produktion von Neuronen im Gehirn des Embryos dazu, dass es zeitweise viel zu viele Neurone gibt. Sie konkurrieren miteinander: Nur die mit den stabilsten Verbindungen bleiben bestehen. Bis zu 80 Prozent der Neurone werden wieder abgebaut.
Myelinisierung: Isolierung der Nervenfasern
Ein Großteil der erfolgreichen Axone wird später von Oligodendrozyten, einer Art der Gliazellen, umkleidet. Diese so genannte Myelinisierung beginnt in den ältesten Strukturen des Gehirns, dem Hirnstamm, und setzt sich bis in die jüngsten fort. Sie isolieren die Axone von den Vorgängen in ihrer Umgebung und ermöglichen eine bis zu hundert Mal schnellere Weiterleitung der elektrischen Impulse, mit denen die Zellen kommunizieren.
Gehirnentwicklung nach der Geburt: Wachstum, Synapsen und "Pruning"
Das Gehirn ist bei der Geburt des Kindes keineswegs fertig. Die Geburt ist vielmehr Startschuss zu einem enormen Wachstumsschub: Im ersten Lebensjahr wächst das Gehirn um das Dreifache, der Kopf erreicht drei Viertel seiner erwachsenen Größe. Dieser Wachstumsschub geht zum Teil auf die Entstehung neuer Neuronen und zum Teil darauf zurück, dass die Nervenfasern durch die Myelinisierung dicker werden und die Neurone zahlreiche Synapsen zu ihren Nachbarn aufbauen. Dieser Aufbau von Synapsen geschieht zunächst einmal rasant und wahllos, so als würde man auf einer Party erst einmal versuchen, mit „speed dating“ alle Anwesenden kennenzulernen. Mit drei Jahren haben Kinder doppelt so viele Synapsen wie Erwachsene. Auf der Party muss man sich irgendwann entscheiden, mit wem man sich tatsächlich unterhalten möchte. Ähnlich ergeht es den Neuronen: Nur die aktivsten Synapsen bleiben erhalten, die anderen werden abgebaut. Dieser Prozess heißt synaptic pruning und dauert bei Wirbeltieren bis zum Einsetzen der Pubertät an. Er kann uns in der Kindheit phasenweise viele Milliarden Synapsen täglich kosten. Das klingt bedrohlich, führt aber dazu, dass die kognitiven Prozesse effizienter funktionieren.
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Anpassungen im Gehirn der Mutter während der Schwangerschaft
Bei Schwangerschaft und Mutterschaft wird das Gehirn umgebaut. Ein Forschungsteam der Universität Basel hat nun durch Versuche mit Mäusen herausgefunden, dass bestimmte Pools von Stammzellen im Gehirn während der Schwangerschaft aktiviert werden. Im Tierreich gilt: Eltern müssen ihren Nachwuchs am Geruch erkennen. So ist gewährleistet, dass sie ihre eigenen Jungen aufziehen. Die Forschungsgruppe von Prof. Fiona Doetsch am Biozentrum der Universität Basel hat nun bei Mäusen gezeigt, dass genau zu diesem Zweck im Riechkolben des Gehirns vorübergehend neue Nervenzellen gebildet werden. Sie entwickeln sich während der Schwangerschaft und verschwinden einige Wochen nach der Geburt wieder. Die neuen Neuronen entstehen aus neuronalen Stammzellen. Doetschs Team untersucht Stammzellen in der ventrikulär-subventrikulären Zone bei ausgewachsenen Mäusen. Diese bilden Nervenzellen, die in den Riechkolben wandern. In früheren Arbeiten konnten die Forschenden bereits zeigen, dass einige dieser Stammzellen durch Reize wie Hunger und Sättigung aktiviert werden. In ihrer neuen Studie zeigen die Forschenden nun, dass bei trächtigen Mäusen verschiedene Pools von Stammzellen synchron aktiviert werden und neue Nervenzellen bilden. Normalerweise befinden sich viele dieser Stammzellen in einem Ruhezustand. Werden sie in der Schwangerschaft aktiviert, so reifen seltene Arten von Neuronen heran. Die neuen Neuronen haben eine wichtige Aufgabe. Während der frühen Mutterschaft sensibilisieren diese den Geruchssinn der Mutter, sodass diese ihre Jungen am Geruch erkennt. „Einige Frauen berichten über Veränderungen des Geruchssinns während der Schwangerschaft“, sagt Erstautorin Dr. Zayna Chaker. „Beim Menschen könnte es daher ähnlich sein. Dabei sind es verschiedene Stammzellpools, die im Verlauf einer Schwangerschaft wellenartig und zu unterschiedlichen Zeit angeregt werden. Die Wanderung der Neuronen zum Riechkolben und ihre Ausreifung fallen zeitlich mit dem Ende der Schwangerschaft zusammen. „Das Timing ist sehr präzise. Die neuen Neuronen sind pünktlich zur Geburt parat“, sagt Doetsch. Zukünftig möchte das Team um Doetsch untersuchen, welche Signale die Stammzellrekrutierung und Neubildung von Nervenzellen während der Schwangerschaft auslösen. Auch ist noch unklar, warum und wie die neu gebildeten Neuronen aus dem Riechkolben eliminiert werden. Die beschriebenen Anpassungen im Gehirn beweisen den Forschenden zufolge einmal mehr, dass die Plastizität unseres Gehirns nicht allein auf die Veränderungen der Nervenverbindungen, den Synapsen, zurückzuführen ist.
Hormonelle Einflüsse auf das mütterliche Gehirn
Eine aktuelle Studie von Forschenden des Francis Crick Institute in London, England, die in der Fachzeitschrift Science erschienen ist, beschäftigt sich mit der Frage, wie Mutterschaft das Verhalten verändert. Dabei zeigte sich, dass ein kleines Areal im Gehirn trächtiger Tiere durch bestimmte Schwangerschaftshormone so beeinflusst wird, dass es zu einer teilweise permanenten Neuverdrahtung der betroffenen Neuronen kommt. Laut der Studie sind die Hormone Östrogen und Progesteron für die Verhaltensänderung verantwortlich. Östrogen beeinflusst diesen Teil des Gehirns werdender Mütter auf zwei verschiedene Arten: Zum einen hemmt es die Aktivität der Neuronen, zum anderen macht es sie empfindlicher. Progesteron sorgt für eine erhöhte Rekrutierung von Eingängen an den Synapsen, schafft also mehr Punkte, über die die Neuronen miteinander kommunizieren können. Die Studienautoren gehen davon aus, dass es vor allem während der späten Schwangerschaft eine kritische Phase gibt, in der die fraglichen Hormone die Verhaltensänderung auslösen. Die Forschenden gehen davon aus, dass sich die Erkenntnisse aus der Studie auf menschliche Mütter übertragen lassen. In Bezug auf das spätere mütterliche Verhalten könnte dieser Vorgang eine ebenso wesentliche Rolle spielen wie beispielsweise das soziale Umfeld. Zudem könnte Kohl zufolge eine natürliche Unempfindlichkeit von MPOA-Neuronen gegenüber Progesteron und Östrogen erklären, warum es manchen Müttern schwerer fällt, sich in ihrer neuen Rolle zurechtzufinden als anderen.
Abnahme grauer Substanz im Gehirn von Müttern
Eine Studie von Forschern um Elseline Hoekzema von der Universität Leiden in den Niederlanden zeigt, dass eine Schwangerschaft für massive Veränderungen von Körper und Hormonhaushalt sorgt. Die Wissenschaftler untersuchten die Gehirne von 25 Frauen bevor und nachdem diese ihr erstes Kind bekamen. Die Daten verglichen sie mit denen von 19 Männern, die zum ersten Mal Vater wurden, sowie mit 20 Frauen und 17 Männern, die keine Kinder bekamen. Bei den jungen Müttern konnten die Forscher nach der Geburt des Nachwuchses in verschiedenen Arealen eine Abnahme an grauer Substanz feststellen. Als "graue Substanz" bezeichnen Wissenschaftler jene Bereiche des Zentralnervensystems, die hauptsächlich aus den Zellkörpern von Neuronen bestehen. Ihr Abbau betraf etwa den medialen frontalen Kortex und den posterioren Kortex, sowie Teile des präfrontalen und des temporalen Kortex. Die Forscher spekulieren, die Veränderungen im Gehirn könnten dafür sorgen, dass die Frauen besser für die sozialen Anforderungen gewappnet sind, welche die Mutterrolle an sie stellt. So könnten sie ihnen etwa dabei helfen, die Bedürfnisse ihres Babys deutlicher zu erkennen. Hoekzema und ihr Team meinen jedoch, dass bei den Schwangeren ein ähnlicher Prozess ablaufen könnte wie bei Jugendlichen in der Pubertät. Hier fände standardmäßig eine Synapsenelimination statt, ein Vorgang, den Wissenschaftler auch als "pruning" bezeichnen. Im Zuge dieses neuronalen Kahlschlags würden schwache und überflüssige Verbindungen abgebaut, um letztlich die Entwicklung von neuen, spezialisierteren Netzwerken zu ermöglichen. Eine solche Spezialisierung, so die Interpretation der Forscher, findet möglicherweise auch im Gehirn von frischgebackenen Müttern statt.
Externe Einflüsse auf die Gehirnentwicklung
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.
Die Rolle von Erfahrungen und Lernen
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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Reflexe und die Entwicklung der Motorik
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.
Die Entwicklung des Gedächtnisses
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.
Die Optimierung des Gehirns im Kindesalter
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. 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.
Individuelle Unterschiede in der Gehirnentwicklung
Die vorangegangenen Abschnitte haben schon deutlich gemacht, wie stark die Gehirnentwicklung durch das Lernen geprägt wird - sie ist ein Prozess, der von Erbe und Umwelt gleichermaßen bestimmt wird. Rund 60% aller menschlichen Gene wirken auf die Gehirnentwicklung ein. Der IQ ist aber nur zu etwa 50% genetisch bedingt, der Schulerfolg sogar nur zu 20% (Eliot 2001). Die Umgebung wirkt schon vor der Geburt auf die Gehirnentwicklung ein (z.B. die Stimme der Mutter, Musik und andere Geräusche), insbesondere über den Körper der Mutter: Negative Einflussfaktoren sind beispielsweise Fehlernährung, Rauchen, Alkohol- oder Drogenmissbrauch, Stress oder der Umgang mit giftigen Substanzen am Arbeitsplatz während der Schwangerschaft. Nach der Geburt wird die Gehirnentwicklung z.B. gehemmt durch längere Krankenhausaufenthalte oder Heimunterbringung, da dann Säuglinge bzw. Kleinkinder zu wenig Stimulierung erfahren. Dasselbe gilt für den Fall, dass die Mutter depressiv ist oder die Eltern ihr Kind vernachlässigen. Einen negativen Effekt können ferner frühkindliche Traumata oder Misshandlungen haben. Eine positive Wirkung wird hingegen beispielsweise dem Stillen zugesprochen, da hier das Gehirn besonders gut mit Vitaminen, Mineralien und Spurenelementen versorgt wird.
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