Das menschliche Gehirn ist ein erstaunlich anpassungsfähiges Organ. Lange Zeit ging man davon aus, dass sich die Struktur des Gehirns im Erwachsenenalter kaum noch verändert - abgesehen von altersbedingten Abbauprozessen oder Verletzungen. Doch die moderne Forschung hat gezeigt, dass unser Gehirn ein Leben lang formbar bleibt. Dieser Artikel beleuchtet, wie verschiedene Einflüsse - von COVID-19 über digitale Technologien bis hin zu Ernährung und Arbeitsbelastung - die Struktur und Funktion unseres Gehirns verändern können.
COVID-19 und seine Auswirkungen auf das Gehirn
Mikrostrukturelle Veränderungen und neurologische Symptome
Eine aktuelle Studie des Universitätsklinikums Freiburg, veröffentlicht in "Nature Communications" am 18. Mai 2024, zeigt, dass eine COVID-19-Infektion langfristige Auswirkungen auf die Mikrostruktur des Gehirns haben kann. Viele Menschen, die an COVID-19 erkrankt sind, leiden unter neurologischen Symptomen wie kognitiven Beeinträchtigungen, Geruchsverlust und Müdigkeit. Die Freiburger Studie konnte nun mittels Magnetresonanztomographie (MRT) nachweisen, dass diese Beschwerden mit Veränderungen im Gehirn einhergehen.
Die interdisziplinäre Forschungsgruppe fand heraus, dass bei Post-COVID-Patienten die Mikrostruktur im Gehirn im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen verändert ist. Die betroffenen Gehirnareale korrelieren mit den Symptomen der jeweiligen Patienten. Das Ausmaß der zerebralen Veränderung stand dabei im Zusammenhang mit der Schwere der Infektion und der Stärke der Beschwerden. Für die Studie wurden die Gehirne von Post-COVID-Patienten, gesunden Kontrollpersonen und COVID-19-Erkrankten ohne Langzeitsymptome mittels MRT untersucht.
Details der Studie und weitere Forschung
Die Studie umfasste 89 Post-COVID-Patienten, 38 Personen, die eine COVID-19-Infektion ohne anhaltende Symptome überstanden hatten, und 46 gesunde Kontrollpersonen. Die Forscher verwendeten fortschrittliche MRT-Techniken, um die Mikrostruktur des Gehirns zu analysieren. Dabei stellten sie fest, dass die Gehirnstruktur - insbesondere die der grauen Substanz - bei denjenigen, die eine COVID-19-Infektion durchgemacht hatten, verändert war. Zudem konnten Zusammenhänge zwischen den einzelnen Symptomen des Post-COVID-Syndroms und verschiedenen Netzwerken des Gehirns nachgewiesen werden.
Es ist jedoch noch unklar, wodurch diese Veränderungen nach einer COVID-19-Infektion ausgelöst werden und ob es sich um dauerhafte Veränderungen handelt oder ob sie sich im Laufe der Zeit zurückbilden. Zukünftige Forschung soll die genauen Ursachen klären und darauf aufbauend neue Therapieformen entwickeln.
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Immunologische Reaktionen und Stoffwechseldefizite
Weitere Studien deuten darauf hin, dass die Auswirkungen von COVID-19 auf das Gehirn vielfältig sind. Mediziner*innen vom Universitätsklinikum Freiburg fanden in den Gehirnen von Personen, die eine SARS-CoV-2-Infektion überstanden hatten, eine "Immunnarbe" - ein Anzeichen dafür, dass das angeborene Immunsystem auch nach der akuten Infektion aktiviert geblieben ist. In einer französischen Studie wurden bei Menschen mit anhaltenden Long-COVID-Symptomen dauerhafte Defizite im Gehirnstoffwechsel nachgewiesen.
Die Freiburger Forschenden entdeckten in den Gehirnen von Verstorbenen, die Monate vor ihrem Tod eine SARS-CoV-2-Infektion durchmachten, zahlreiche sogenannte "Mikroglia-Knötchen". Dabei handelt es sich um Ansammlungen verästelter Abwehrzellen des Gehirns, die in Vergleichsproben von Menschen, die nie an COVID-19 erkrankten, nicht gefunden wurden.
Mutationen des Virus im Zentralnervensystem
Eine Studie aus Chicago verglich die Genome von SARS-CoV-2-Viren im Zentralnervensystem (ZNS) mit denen in der Lunge von infizierten Mäusen. Dabei stellten sie fest, dass die Mutationsrate im ZNS höher war, während sich die Viren in der Lunge kaum veränderten. Es ist noch unklar, ob Long COVID durch eine direkte Infektion von Zellen im Gehirn oder durch eine nachteilige Immunreaktion verursacht wird.
Neurologische Symptome und ihre Ursachen
SARS-CoV-2 gehört nach jetzigem Wissensstand nicht zu den Viren, die bevorzugt Nervenzellen befallen, im Gegensatz etwa zum Herpesvirus. Die Ursachenforschung wird dadurch erschwert, dass oft nicht klar ist, ob die beobachtete neurologische Erkrankung wirklich durch die COVID-19-Erkrankung verursacht oder zufällig gleichzeitig aufgetreten ist.
Es wird vermutet, dass das Virus ausgehend von den Schleimhäuten der oberen Atemwege den Riechnerven befällt und von dort aus das Gehirn erreicht. Auch infizierte Blutzellen könnten das Virus ins Nervensystem tragen. Eine Studie aus Oxford gibt konkrete Hinweise auf Unregelmäßigkeiten im Gehirn durch eine COVID-19-Erkrankung, wobei Veränderungen vor allem die limbischen Hirnregionen betreffen, was mit den häufigen Riechstörungen zusammenhängen könnte.
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Zu den häufigen neurologischen Symptomen von Corona-Patienten zählen:
- Riechstörungen
- Kopfschmerzen
- Muskelschmerzen
- In schweren Fällen auch schwere Muskelentzündungen
- Bewusstseinsstörungen und Delir
- Schlaganfälle
- Entzündungen Gehirn und Rückenmark
- Guillain-Barré-Syndrom (GBS)
Viele der neurologischen Symptome klingen wieder ab, jedoch berichten Studien, dass ein kleinerer Teil der Betroffenen über anhaltende Riechstörungen, Muskelschmerzen oder Schwächeklagen berichtet. Folgen eines Schlaganfalls können hingegen lebenslang spürbar sein.
Digitale Technologien und ihre Auswirkungen auf das Gehirn
Smartphones und Multitasking
Die meisten Menschen sind heutzutage so sehr an die Nutzung ihres Smartphones gewöhnt, dass sie bereits ein Unbehagen verspüren, wenn das Gerät einmal nicht sofort greifbar ist. Fachleute warnen schon seit Jahren vor exzessiver Bildschirmzeit, insbesondere bei Jugendlichen.
"Der Effekt, den Handynutzung auf unser Gehirn hat, hängt davon ab, wie stark wir die Geräte nutzen und was wir an diesen Geräten machen", sagt Hirnforscher Martin Korte von der Technischen Universität Braunschweig. Grundsätzlich verändere sich das Gehirn in seinen Verschaltungswegen, wenn man etwas Neues tue - auch wenn man die Bedienung eines Handys lerne. Viele Menschen nutzen das Handy jedoch in einem Multitasking-Modus, was negative Auswirkungen haben kann.
Smartphones können einer Studie zufolge selbst dann die Aufmerksamkeit beeinflussen, wenn man sie nicht nutzt. Demnach verringert schon die Anwesenheit eines Smartphones die Aufmerksamkeitsleistung und hat negativen Einfluss auf die Arbeitsgeschwindigkeit und die kognitive Leistungsfähigkeit.
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"Wenn man immer einen Teil der Rechenkapazität im Hirn darauf verwendet, die Handynutzung vorzubereiten, daran zu denken oder das Handy sogar zu bedienen, wenn man etwas anderes nebenher macht, macht uns das mit der Zeit leichter ablenkbar", sagt Korte. Studien zeigen, dass man im Multitasking-Modus doppelt so lange braucht, um etwas zu lernen, 40 Prozent mehr Fehler macht und das Gelernte schlechter abrufen kann. Zudem gehen dem Experten zufolge mit übermäßiger Handynutzung Zeiten des Tagträumens und Nichtstuns verloren, was sich negativ auf die Kreativität auswirken kann.
Auswirkungen auf Kinder und Jugendliche
Besonders bei Kindern kann zu viel Zeit vor dem Smartphone oder Tablet negative Auswirkungen haben - und das umso gravierender, je früher sie solche Geräte übermäßig nutzen. Kinder, die bereits in der Kindergarten- und Grundschulzeit intensiv Zeit vor Tablets und Smartphones verbringen, können Defizite in der Verbindung zwischen den Spracharealen (Broca-Areal und Wernicke-Areal) aufweisen. Zudem könnten sie sich weniger gut in die Lage anderer Menschen hineinversetzen und weniger empathisch sein.
Soziale Medien und das Gehirn
Jugendliche, die häufig in den sozialen Netzwerken unterwegs sind, zeigten in einer Langzeitstudie eine verstärkte Aktivierung von bestimmten Hirnarealen im Gehirn. Die Ergebnisse zeigen, dass die häufige Nutzung zumindest einen "Trainingseffekt" im Gehirn erzielt. Ob er von Dauer ist und ob dies Vor- oder Nachteile für die Teenager hat, ist unklar.
Die häufige Nutzung der sozialen Netzwerke in der frühen Adoleszenz scheint die Empfindlichkeit des Gehirns gegenüber sozialen Belohnungen und Bestrafungen zu verändern. Welche Auswirkungen dies auf die Psyche und das Verhalten der Jugendlichen hat, wurde in der Studie nicht untersucht.
Künstliche Intelligenz im Bildungsbereich
Der Einsatz von KI-Tools wie ChatGPT kann Prozesse im Gehirn verändern. Es ist wichtig, dass nachhaltiges Lernen aktiv passiert und das Gehirn gefordert wird. Kognitive Arbeitsleistungen an KI abzugeben sei immer mit der Frage verbunden, ob damit Freiräume entstehen, die das Gehirn für andere Aufgaben nutzen könne.
Wird eine bestimmte Fähigkeit nicht mehr benötigt, dann werden die Hirnareale, die diesen Skill implementieren, geschwächt. Wenn wir beim Lernen durch vorgefertigte Antworten nur passive Zuschauer sind, ist das Lernen nicht nachhaltig. Aktivität sei wichtig - und ebenso, dass man Inhalte und Informationen reflektieren könne. Daraus entstehe dann Wissen, das im Gehirn abgespeichert werde - was wiederum "die Verschaltungen, also die Struktur des Gehirns verändert".
Eine KI, die verstanden werde in ihren Stärken und Schwächen, könne ein Gewinn sein. "Neue Informationen zu bewerten, auszuwählen, Quellen zu vergleichen - alles das ist Arbeit für den Frontallappen unseres Gehirns. Diese Fähigkeit zur Bewertung wird immer wichtiger", betont Gerjets.
Ernährung und ihre Auswirkungen auf das Gehirn
Zucker und Fette verändern das Gehirn
Eine Studie des Max-Planck-Instituts konnte zeigen, dass sich das Gehirn durch den regelmäßigen Konsum von stark fett- und zuckerhaltigen Lebensmitteln verändert. Die Folge: Es befiehlt uns quasi, die ungesunden Lebensmittel zu bevorzugen. Wir wollen mehr davon.
Zwischen Gehirn und Darm gibt es eine direkte Verbindung: Erreicht Nahrung den Dünndarm, registrieren unterschiedliche Sensoren, ob Zucker und Fett in der Nahrung enthalten sind. Diese Information wird über verschiedene Nervenverbindungen ans Gehirn weitergeleitet. Die Signale kommen im Belohnungszentrum des Gehirns an, sorgen für ein gutes Gefühl und lösen ein Verlangen nach mehr aus.
Die Probanden hatten ein offensichtlich stärkeres Verlangen nach fetthaltigen und süßen Speisen erlernt. Diese Veränderungen der Hirnnetzwerke sind anhaltend. Das bedeutet, sie könnten dafür sorgen, dass Menschen zukünftig unbewusst immer die Lebensmittel bevorzugen, die viel Fett und Zucker enthalten. Das könnte eine Gewichtszunahme begünstigen.
Hat sich das Gehirn erst einmal an viel Fett und Zucker gewöhnt, lässt sich dies nicht so schnell wieder auflösen. Denn Ernährungsmuster, die sich über viele Jahre eingeschliffen haben, sind schwer zu eliminieren. Aber Körper und Gehirn können auch wieder "umprogrammiert" werden, sich wieder an weniger fett- und zuckerhaltige Lebensmittel gewöhnen.
Arbeitsbelastung und ihre Auswirkungen auf das Gehirn
Überstunden und strukturelle Veränderungen im Gehirn
Eine Studie der südkoreanischen Universitäten Yonsei, Chung-Ang und Pusan hat erstmals untersucht, wie zu viel Arbeitszeit das menschliche Gehirn strukturell beeinflusst. Die Forscher wollten der Frage nachgehen, wie sich die langen Tage im Job auf die kognitiven und emotionalen Hirnregionen von Pflegekräften auswirken.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass bestimmte Hirnareale der Vielarbeitenden sich deutlich vergrößert haben. Welche langfristigen Auswirkungen die Vergrößerungen für die Pflegekräfte haben, konnten die Forscher nicht herausfinden. Es könnte auch sein, dass die Gehirne der Betroffenen lediglich versuchen, sich an neue Bedingungen anzupassen. Um das abschließend beurteilen zu können, braucht es vor allem Langzeitstudien.
Stress und psychische Erkrankungen
Dass Überarbeitung zu ernsten Erschöpfungszuständen führen kann, zeigt auch eine Untersuchung des IW Köln. Bei rund 12 Prozent der Beschäftigten mit überlangen Arbeitszeiten von mehr als 48 Wochenstunden sind derartige Fälle deutlich häufiger aufgetreten als bei Personen mit weniger Wochenstunden.
In Deutschland zählen psychische Erkrankungen zu den häufigsten Gründen für Arbeitsunfähigkeiten. Dass Stress und Druck im Berufsleben für einige der Betroffenen der maßgebliche Auslöser für deren psychische Erkrankungen sind, liegt auf der Hand.
Lernen und Training verändern das Gehirn
Motorisches Training und strukturelle Veränderungen
Neue Forschung zeigt, dass bereits ein kurzes motorisches Training großflächige Änderungen auslöst und dass diese mit den Leistungsverbesserungen zusammenhängen. Die Erforschung dieses enormen Anpassungspotenzials im erwachsenen Gehirn eröffnet vielfältige klinische Anwendungsmöglichkeiten.
Betrachtet man den enormen Leistungszuwachs gerade am Anfang eines neuen Lernprozesses oder zu Beginn der Rehabilitationsphase nach einer Hirnschädigung, so stellt sich die Frage, ob nicht auch viel kürzeres Training einer Aufgabe zu strukturellen Veränderungen in der grauen und weißen Substanz führen müsste. In der Tat zeigen neuere Forschungsergebnisse, dass schon ein 45-minütiges, einmal wöchentlich durchgeführtes Gleichgewichtstraining eine großflächige Veränderung in der grauen und weißen Substanz bewirkt.
Erwachsene Versuchspersonen trainierten eine für sie neue Gleichgewichtsaufgabe über einen Zeitraum von sechs aufeinanderfolgenden Wochen. Dabei zeigte sich, dass die Veränderungen im Gehirn, die den Lernprozessen zugrunde lagen, nicht gleichmäßig in allen Bereichen stattfanden. In den ersten beiden Wochen kam es zu großflächigen strukturellen Veränderungen in Gebieten der grauen Substanz in motorisch assoziierten Gehirnarealen. Danach verlagerten sich die strukturellen Veränderungen immer mehr in Gebiete, die für strategische Planung und für die Langzeitspeicherung von Gedächtnisinhalten zuständig sind. Je mehr strukturelle Veränderungen sich in diesen Hirngebieten ereigneten, desto stärker verbesserte sich die Balancierleistung. Darüber hinaus zeigten sich ebenso leistungsabhängige Veränderungen in der unmittelbar angrenzenden weißen Substanz.
Alzheimer-Krankheit und Veränderungen im Gehirn
Ursachen und Auswirkungen der Alzheimer-Krankheit
Bei der Alzheimer-Krankheit sterben nach und nach Nervenzellen im Gehirn ab, was zu einem fortschreitenden Verlust der geistigen (kognitiven) Fähigkeiten führt. Gedächtnisprobleme und Orientierungsschwierigkeiten sind nur zwei der Symptome, die den Alltag der Betroffenen zunehmend erschweren.
Die Ursachen der Alzheimer-Krankheit sind noch nicht vollständig geklärt. Fest steht: Bei Menschen mit Alzheimer kommt es zu Veränderungen im Gehirn, die sich in vielfältiger Weise auf die Betroffenen auswirken. Ein typisches Frühsymptom sind Probleme mit dem Kurzzeitgedächtnis. Weitere Symptome sind Schwierigkeiten, Entscheidungen zu treffen, Dinge zu planen und zu organisieren.
Amyloid-Beta und Tau-Protein
Im Gehirn von Menschen mit Alzheimer sammelt sich übermäßig viel Amyloid-beta zwischen den Gehirnzellen an und bildet kleinere, giftige Klumpen (Oligomere) und riesige Zusammenlagerungen (Plaques). Im Inneren der Gehirnzellen sorgt das Tau-Protein für die Stabilität und Nährstoffversorgung. Bei der Alzheimer-Krankheit ist das Tau-Protein chemisch so verändert, dass es seiner Funktion nicht mehr nachkommen kann.
Obwohl schon Alois Alzheimer vor fast 120 Jahren Amyloid-Plaques und Tau-Fibrillen im Gehirn seiner Patientin Auguste Deter als Ursache der "Krankheit des Vergessens" vermutete, gibt es bis heute keinen Beweis dafür. Auch weiß die Wissenschaft bis heute nicht, warum sich die Oligomere, Plaques und Fibrillen bilden. Zum Teil vermuten Forscherinnen und Forscher, dass die Ablagerungen ein Nebenprodukt anderer Vorgänge sein könnten, deren Ursachen noch nicht bekannt sind.
Gliazellen und ihre Rolle
Neben den Ablagerungen von Amyloid und Tau kommen Fehlfunktionen bestimmter Zellen als mögliche Auslöser der Alzheimer-Krankheit in Frage. Im Fokus stehen hier insbesondere die Gliazellen, die etwa 90 Prozent aller Gehirnzellen ausmachen. Aufgabe der Gliazellen ist es, die Nervenzellen im Gehirn zu schützen und zu unterstützen, damit die Signalübertragung - und damit unser Denken und Handeln - reibungslos funktioniert.
Mikrogliazellen spielen eine wichtige Rolle im Immunsystem unseres Gehirns. Astrozyten sind Gliazellen mit gleich mehreren wichtigen Aufgaben, unter anderem versorgen sie das Gehirn mit Nährstoffen, regulieren die Flüssigkeitszufuhr und helfen bei der Regeneration des Zellgewebes nach Verletzungen. Die Alzheimer-Krankheit verändert das Gehirn auf vielfältige Weise, aber bis heute ist nicht klar, welche Ursachen die Krankheit letztlich auslösen.
Die Forschung geht davon aus, dass die für Alzheimer typischen molekularen Prozesse im Gehirn Jahre oder Jahrzehnte vor dem Auftreten der ersten Symptome beginnen. Überall auf der Welt arbeiten Forscherinnen und Forscher daran, Antworten darauf zu finden, wie Alzheimer entsteht, wie es verhindert oder geheilt werden kann.
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