Die komplexe Funktionsweise des menschlichen Gehirns, seine Fähigkeit zur Wahrnehmung, Handlungsplanung, zum Bewusstsein, Gedächtnis, Lernen, zur Sprache, zum Urteilsvermögen, zum Geist und zur Freiheit, basiert auf dem Zusammenspiel von Nervenzellen (Neuronen) und Gliazellen. Lange Zeit wurden Gliazellen lediglich als unterstützende Zellen betrachtet, die Neuronen stützen und zusammenhalten. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass Gliazellen eine viel aktivere Rolle im Gehirn spielen und an Prozessen wie der Signalübertragung und der Entstehung neurologischer Erkrankungen beteiligt sein können.
Die Rolle der Gliazellen im Gehirn
Die meisten Menschen setzen Hirnzellen fälschlicherweise mit Neuronen gleich. Es gibt aber noch eine andere Art von Zellen: die Gliazellen. Sie sind den Neuronen zahlenmäßig weit überlegen. Forscher schätzen, dass sich im menschlichen Gehirn etwa zehnmal mehr Glia- als Nervenzellen befinden, womit sie immerhin die Hälfte des Gehirnvolumens einnehmen. Während jedoch die Neuronen seit Jahrzehnten die Stars der Forschung sind, fristen die Gliazellen eher ein Mauerblümchendasein. Lange galten sie im Gegensatz zu den Neuronen, die immerzu an ihren Synapsen Botenstoffe ausschütten und elektrische Impulse durch das Gehirn feuern, als wahre Langweiler: Gliazellen stützen lediglich die Neuronen und halten sie als Klebstoff zusammen, so die frühere Lehrmeinung. Glia kommt aus dem Griechischen und bedeutet schlicht "Leim".
Es gibt verschiedene Arten von Gliazellen mit differenzierten Funktionen. Oligodendroglia ermöglicht die schnelle Leitung von Impulsen, indem sie die Axone der Nerven in Rückenmark und Gehirn mit einer elektrischen Isolierung versieht. Die Mikroglia sorgt als Müllabfuhr der Nervenzellen für den Abtransport von Zellleichen im Gehirn. Die Ependymzellen begrenzen das Gehirn überall dort, wo es Kontakt mit der es umgebenden Flüssigkeit hat, an deren Bildung sie ebenfalls beteiligt sind. Außerdem trennen Mauern aus Ependymzellen verschiedene Hirnregionen voneinander. Am häufigsten und auch am besten erforscht sind die Astrozyten, die ihren Namen ihrer Sternform verdanken. Diese Zellen stützen tatsächlich die Neurone und versorgen sie darüber hinaus mit Nährstoffen aus dem Blut. Eine ihrer Aufgaben ist die Aufnahme von Kalium-Ionen, die von den Nerven ausgeschüttet wurden. Damit verhindern die Astrozyten, dass das Kalium dauerhaft die Neuronen in seiner Umgebung zum Feuern bringt, und ermöglichen zudem ein Recycling des Kaliums. Daneben dient Astroglia tatsächlich als Kitt, indem es Narbengewebe an Stellen bildet, an denen das Gehirn verletzt ist. Damit verhindert es allerdings auch, dass voneinander getrennte Nerven wieder zusammenwachsen können - ein Prozess, der die Regeneration von Nervenbahnen nach einer Querschnittslähmung verhindert. An Lern- und Gedächtnisprozessen könnten Astrozyten ebenfalls beteiligt sein, indem sie negative elektrische Potenziale, die von Neuronen gebildet werden, verstärken und zu ihrer Ausbreitung über das Gehirn beitragen. Die Neuroanatomin Marian Diamond vermutet, dass eine hohe Anzahl von Gliazellen im Verhältnis zur Neuronenzahl mit einer hohen Intelligenz einhergeht.
Synapsen und neuronale Aktivität
Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, über die Informationen in Form von chemischen Botenstoffen (Neurotransmittern) oder elektrischen Signalen weitergegeben werden. Die synaptische Plastizität, die Fähigkeit der Synapsen, sich in ihrer Stärke zu verändern, ist die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse.
Die elektrische Aktivität von Neuronen spielt eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung im Gehirn. Neuronen kommunizieren miteinander, indem sie elektrische Impulse (Aktionspotenziale) erzeugen und diese über ihre Axone zu anderen Neuronen weiterleiten. Die Frequenz und das Muster der Aktionspotenziale codieren Informationen, die von den empfangenden Neuronen verarbeitet werden.
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Ursachen für das Zusammenwachsen von Synapsen
Das Zusammenwachsen von Synapsen, auch als Synapsenfusion oder Synapsenaggregation bezeichnet, kann verschiedene Ursachen haben. Eine mögliche Ursache ist die Bildung von Narbengewebe durch Astroglia an Stellen, an denen das Gehirn verletzt ist. Dieses Narbengewebe verhindert, dass getrennte Nerven wieder zusammenwachsen können, was die Regeneration von Nervenbahnen nach einer Querschnittslähmung verhindert.
Eine weitere Ursache für das Zusammenwachsen von Synapsen können veränderte Astrozyten sein, die gegenüber ihren gesunden Kollegen aufgebläht wirken. Solche Veränderungen sind aus den Gehirnen von Epilepsie-Patienten bekannt und könnten der tatsächliche Auslöser von epileptischen Anfällen sein. Astrozyten können durch die Ausschüttung des Botenstoffs Glutamat neuronale Feuerkaskaden auslösen, die sich letztendlich zu einem epileptischen Anfall hochschaukeln.
Neuroinflammation und synaptische Dysfunktion
Neuroinflammation, eine Entzündung im Gehirn, kann ebenfalls zu einer synaptischen Dysfunktion und zum Zusammenwachsen von Synapsen führen. Bei neuroinflammatorischen Prozessen werden Entzündungsmediatoren freigesetzt, die die Funktion der Synapsen beeinträchtigen und zu strukturellen Veränderungen führen können.
Neuronale Netze und Gehirnfunktion
Das Gehirn ist ein hochkomplexes Netzwerk von miteinander verbundenen Neuronen. Die Verbindungen zwischen den Neuronen, die Synapsen, ermöglichen die Kommunikation und Informationsverarbeitung im Gehirn. Die Stärke und Effizienz der neuronalen Verbindungen sind entscheidend für die normale Gehirnfunktion.
Hirnforschung und Neurologie: Ein Zusammenspiel für die Zukunft
Die Hirnforschung liefert grundlegende Erkenntnisse über den Aufbau und die Funktion des Nervensystems. Die Neurologie, als klinisches Fachgebiet, nutzt diese Erkenntnisse, um neurologische Erkrankungen zu diagnostizieren, zu behandeln und zu verhindern. Die enge Zusammenarbeit zwischen Hirnforschung und Neurologie ist entscheidend für die Entwicklung neuer Therapien und die Verbesserung der Lebensqualität von Patienten mit neurologischen Erkrankungen.
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Die Entwicklung der Neurologie beruht und beruht nach wie vor auf der Entfaltung der Hirnforschung und auf den Quantensprüngen ihrer Erkenntnisse, die sie oft durch die Entwicklung neuer Methoden erfährt. Ein Beispiel ist die Zuordnung von Funktionen des Gehirns zu spezifischen Orten der Hirnrinde: Der deutsche Anatom Franz Josef Gall fand im 18. Jahrhundert mit der Idee einer funktionellen Gliederung des Hirns als Erster allgemeines Gehör, wobei seine Hirnkarten sehr unpräzise, großenteils völlig falsch und die Beziehung zu Schädelformen absurd war. Präziser, aber oft auch irrtümlich waren dann die Hirnkarten von Kleist (1934), der sie nach Symptomen von Hirnverletzungen oder Schlaganfällen erstellte. Den Durchbruch stellten dann die seit der Mitte des 20. Jahrhunderts zur Verfügung stehenden, nichtinvasiven Methoden der Bildgebung des Gehirns dar. Zu nennen ist dabei vor allem die funktionelle Kernspintomographie (fNMR) und die Positronenemissionstomographie (PET). Diese ermöglichten genaue Karten für die Lokalisation von Funktionen wie Bewegung, Sehen, Hören, Sprechen und sind wichtige Voraussetzungen für die großen Fortschritte der modernen Hirnchirurgie, die heute ein radikaleres und zugleich schadloseres Operieren zum Beispiel von Hirntumoren erlaubt.
Neben der Entwicklung neuer Methoden bleibt jedoch die präzise Analyse von Funktionsdefiziten nach Hirnverletzungen ein klassischer Schlüssel für die Lokalisation von Hirnfunktionen und die therapeutischen Grenzen der Neurologie. Als Beispiel sei der in der Medizingeschichte unter der Namensabkürzung HM bekannte Patient genannt, dem zur Behandlung seiner schweren Epilepsie beidseits die Hippocampus-Areale entfernt wurden und der daraufhin eine „anterograde Amnesie“ hatte: Er war nicht mehr fähig, sich an jüngste Ereignisse zu erinnern, während beispielsweise das Gedächtnis für weit zurückliegende Ereignisse und seine motorische Lernfähigkeit erhalten blieb. Seither wissen die Hirnforscher um die Bedeutung des Hippocampus für spezifische Gedächtnisfunktionen und wissen die Neurochirurgen, dass der Hippocampus allenfalls einseitig entfernt werden darf, wenn er Ausgangsort eines mit Medikamenten nicht zu unterdrückenden Anfallsleidens ist. Das andere Beispiel ist der amerikanische Eisenbahnarbeiter Phineas P. Gage, dem am 13. September 1848 bei einer Sprengung eine Eisenstange durch den Schädel schoss und große Teile des Stirnhirns, den sogenannten orbitofrontalen und präfrontalen Cortex, zerstörte. Gage überlebte nicht nur den Unfall ohne Lähmungen und Sinnesausfall (mit Ausnahme des zerstörten linken Auges), sondern hatte nach wenigen Wochen wieder seine intellektuellen Fähigkeiten, einschließlich Wahrnehmung, Gedächtnis, Intelligenz und Sprechfähigkeit. Aber aus dem besonnenen, freundlichen und ausgeglichenen Gage war ein kindischer, impulsiver, unzuverlässiger und respektloser Mensch geworden, der nicht mehr als Vorarbeiter tragbar war. Seither wissen die Hirnforscher, dass soziales Verhalten und sittliches Urteil schwerpunktmäßig dem orbitofrontalen Cortex zugeordnet werden können, und wissen die Neurologen, wo sie Störungsursachen bei solchen Wesensänderungen suchen können.
Allerdings sind nicht alle Hirnleistungen auf eng umgrenzte Hirnregionen begrenzt. Sie ergeben sich oft aus der Zusammenschaltung systemspezifischer Elemente des Gehirns. Als Beispiel seien die unbewussten Bewegungen wie das Gehen, die Mitbewegungen und die Mimik genannt, die durch das Zusammenwirken verschiedener Hirnsysteme erfolgen und mit dem Begriff des extrapyramidal-motorischen Systems bezeichnet werden. Die Parkinson- Erkrankung ist ein Prototyp der Störung dieses Systems und zudem ein Beispiel, wie die Ergebnisse der Hirnforschung Schritt für Schritt zu neuen Therapien in der Neurologie geführt haben.
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