Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, das aus verschiedenen Gewebetypen besteht. Neben den bekannten "grauen Zellen" spielt die weiße Substanz eine entscheidende Rolle für die Funktion des Gehirns. Dieser Artikel beleuchtet die Struktur, Funktion und Bedeutung der weißen Substanz, ihre Unterschiede zur grauen Substanz und ihre Rolle bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen.
Aufbau und Struktur der weißen Substanz
Wenn man das Gehirn bei einer neurochirurgischen Operation betrachtet, fallen helle, beigeartige Furchen und Windungen auf, die von roten Blutgefäßen bedeckt sind. Im Längs- oder Querschnitt zeigt das Gehirn graue und weiße Areale. Die weiße Substanz (Substantia alba) besteht, ebenso wie die graue, aus allen Zellarten des Gehirns - außer den Nervenzellkörpern. Sie enthält jedoch deren Axone, welche von einer Myelinscheide umgeben sind, die der elektrischen Isolierung dient. Je dicker diese Schicht, umso schneller können Signale von Nervenzelle zu Nervenzelle transportiert werden. Das Myelin ist sehr fettreich, was Axonen mit Myelinscheiden und damit auch der weißen Substanz ihre helle Farbe verleiht.
Die weiße Substanz besteht hauptsächlich aus myelinisierten Nervenfasern, die Axone von Neuronen sind. Diese Myelinscheiden bestehen aus Lipiden und Proteinen und wirken wie eine Isolierung, die die Geschwindigkeit der Signalübertragung zwischen den Nervenzellen erhöht. Die weiße Farbe der Substanz rührt daher von der Myelinscheide her, die eine Art Isolierschicht um die Fasern herum bildet.
Unterschiede zur grauen Substanz
Der Hauptunterschied zur grauen Substanz liegt in der Zusammensetzung und Funktion. Die graue Substanz (Substantia grisea) kommt an der Oberfläche des Groß- und des Kleinhirns vor, also der Groß- und Kleinhirnrinde, aber auch in Bereichen tief im Gehirn, wie den Basalganglien und im Hirnstamm. An diesen Stellen befinden sich dicht an dicht die Nervenzellkörper, welche durch ihre Axone miteinander und mit weiter entfernt gelegenen Regionen verbunden sind. Ein einzelner Zellkörper eines Neurons hat keine Farbe - aber die hohe Packungsdichte erzeugt den Grauton. Die graue Substanz besteht überwiegend aus Nervenzellkörpern, Dendriten und Synapsen, während die weiße Substanz hauptsächlich aus myelinisierten Axonen besteht. Die graue Substanz ist primär für die Verarbeitung und Integration von Informationen zuständig, während die weiße Substanz für die schnelle Übertragung von Signalen zwischen verschiedenen Hirnregionen verantwortlich ist.
Faserbahnen der weißen Substanz
Die weiße Substanz setzt sich aus Millionen von myelinisierten Nervenfasern zusammen, die je nach ihrer Funktion und Verbindungsmuster in drei Hauptbahnen unterteilt werden:
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- Assoziationsfasern: Diese Fasern verlaufen innerhalb einer Gehirnhälfte und verbinden dort verschiedene kortikale Regionen miteinander.
- Kommissurenfasern: Diese Fasern verbinden die beiden Gehirnhälften miteinander und sorgen für die Kommunikation zwischen entsprechenden Arealen der linken und rechten Hemisphäre. Die größte und bekannteste dieser Faserbahnen ist das Corpus callosum, eine dichte Struktur aus Nervenfasern.
- Projektionsfasern: Diese Fasern stellen die Verbindung zwischen dem Gehirn und anderen Bereichen des Nervensystems her. Diese Fasern verlaufen vertikal und leiten Signale sowohl vom Gehirn in tiefere Strukturen wie das Rückenmark und umgekehrt.
Funktion der weißen Substanz
Die Hauptfunktion der weißen Substanz liegt in der schnellen und effizienten Weiterleitung von Nervenimpulsen. Myelinisierte Axone sorgen dafür, dass Signale mit hoher Geschwindigkeit zwischen verschiedenen Nervenzentren übermittelt werden. Da das Gehirn darauf spezialisiert ist, Signale über große Distanzen zu verschicken und Hirnareale über lange Axone miteinander zu verknüpfen, macht die weiße Substanz einen großen Anteil des Gehirns aus.
Rolle bei der Informationsverarbeitung
Die in der grauen Substanz gelegenen Nervenzellkörper sind über ihre Axone miteinander verknüpft und senden ihre Signale durch die weiße Substanz in andere Hirnbereiche. Die weiße Substanz beeinflusst den Informationsaustausch zwischen den Hirnregionen stärker als gedacht. So kann geistige Betätigung des Gehirns ihre Menge steigern. Umgekehrt gehen manche Hirnstörungen mit einem Myelinmangel einher. Studien zeigen auch, dass die weiße Hirnmasse zunimmt, wenn jemand etwas neu lernt oder viel übt, etwa ein Musikinstrument. Sicher - die mentalen Operationen für Denken und Verhalten führt die graue Substanz durch. Aber die weiße Substanz des Gehirns dürfte die Verstandesarbeit, die soziale Kompetenz und den Lernerfolg viel stärker mitbestimmen als früher vermutet.
Myelinisierung und Lerngeschwindigkeit
Die Myelinisierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung im Gehirn. Nervenimpulse kommen an einem myelinisierten Axon grob gesagt 100-mal schneller vorwärts als an einem nackten. Denn Myelin umwickelt die Nervenfaser zwischen den Lücken tatsächlich wie ein Isolierband, und zwar mit bis zu 150 Schichten. Dank dieser Hüllschicht springt das elektrische Signal regelrecht von einem Schnürring zum nächsten.
Plastizität der weißen Substanz
Während lange Zeit angenommen wurde, dass hauptsächlich die graue Substanz für neuronale Anpassungen verantwortlich ist, zeigen neuere Studien, dass sich auch die weiße Substanz strukturell verändern kann. Myelinisierung, also die Bildung neuer Myelinscheiden um Nervenfasern, kann sich durch Lernen und Training verbessern. Beispielsweise konnten Forscher nachweisen, dass intensives Klavierspielen oder das Erlernen einer neuen Sprache die Dichte und Organisation der weißen Substanz positiv beeinflusst.
Klinische Bedeutung der weißen Substanz
Veränderungen oder Schädigungen der weißen Substanz können gravierende neurologische Erkrankungen zur Folge haben.
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Multiple Sklerose (MS)
Bei dieser Autoimmunerkrankung greift das Immunsystem die Myelinscheiden der weißen Substanz an, was zu Entzündungen, Vernarbungen (Plaques) und Funktionsausfällen führt.
Leukoenzephalopathien
Diese Gruppe seltener Erkrankungen betrifft die weiße Substanz und kann genetisch bedingt oder erworben sein.
Altersbedingte Degeneration
Mit zunehmendem Alter nimmt das Volumen in bestimmten Regionen der weißen Substanz ab, was unter anderem mit einer Abnahme der kognitiven Leistungsfähigkeit in Verbindung gebracht wird.
Einfluss von Drogen auf die Gehirnreifung
Drogen wie Alkohol, Cannabis oder Ecstasy können in der sensiblen Entwicklungsphase der Gehirnreifung nachhaltig Schaden anrichten. Studien haben aufzeigen können, dass der Konsum dieser Substanzen das Gehirn beim Aufbau von Verschaltungen stört, so dass sich eine weniger effektive Struktur herausbildet. Dies kann sich langfristig negativ auf viele kognitive Bereiche wie die Lernfähigkeit oder das Gedächtnis auswirken.
Weiße Substanz und Intelligenz
Auf die Intelligenz wie auf verschiedene geistige und psychische Störungen und Eigenarten nehmen auch Hirnbereiche Einfluss, die aus so genannter weißer Substanz bestehen. Die weiße Substanz des Gehirns dürfte die Verstandesarbeit, die soziale Kompetenz und den Lernerfolg viel stärker mitbestimmen als früher vermutet. Mit ihrem Verhalten können wir nun auch besser als bisher erklären, warum ältere Menschen nicht mehr so leicht Neues lernen.
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Die Rolle der oberflächlichen weißen Substanz
Bis vor kurzem war über die Grenzfläche zwischen der weißen und der grauen Substanz - der so genannten „oberflächlichen weißen Substanz“ - noch nicht viel bekannt. Frühere Untersuchungen hatten jedoch darauf hingedeutet, dass schwerwiegende Krankheiten wie Alzheimer und Autismus mit dieser Region verknüpft sind. „Wir weisen nach, dass die oberflächliche weiße Substanz sehr viel Eisen enthält. Es ist bekannt, dass Eisen für den Prozess der Myelinisierung notwendig ist.“, erklärt Evgeniya Kirilina, Erstautorin Studie. Tatsächlich fand sich die größte Eisenkonzentration in der oberflächlichen weißen Substanz in Regionen des frontalen Kortex, der sich im gesamten Prozess der Hirnreifung am langsamsten entwickelt. Mit einem 7-Tesla-MRT Scanner konnten sie hochauflösende Karten der Grenze zwischen weißer und grauer Substanz über das gesamte lebende Gehirn hinweg erstellen.
Weitere Farben des Gehirns
Das Gehirn ist aber auch blau, schwarz und rot! Im Mittelhirn liegt die so genannte schwarze Substanz (Substantia nigra). Diese Neurone sind durch das Pigment Neuromelanin schwarz gefärbt. Es entsteht aus einer Vorstufe des Neurotransmitters Dopamin, der in diesen Nervenzellen vorkommt. Besonders bei der Parkinson-Erkrankung sterben gerade diese Neurone ab und verursachen dadurch die bekannten Symptome. Im blauen Kern (Locus caeruleus), einer Region im Hirnstamm, sind die Zellen ebenfalls reich an Neuromelanin, jedoch nicht ganz so sehr, wie in der schwarzen Substanz. Dadurch schimmert der leicht schwarze Farbton dieses Bereichs etwas bläulich. Zudem gibt es noch einen roten Kern (Nucleus ruber), welcher sich in der Nähe der schwarzen Substanz befindet und leicht rötlich oder rosa erscheint. Man vermutet, dass die Farbe durch eine dichte Anordnung von Blutgefäßen und einen starken Eisengehalt zustande kommt. Das Gehirn hat also nicht nur eine Farbe - es überwiegen jedoch Grau und Weiß.
Das Rückenmark
Am unteren Ende verjüngt sich das Rückenmark zum Conus medullaris und endet als dünner Strang (Filum terminale). Das Rückenmark wird von zwei Quellen aus mit Blut versorgt: von den Wirbelarterien und von den Segmentarterien. Beim Menschen zählt man in der Regel 31 Spinalnervenpaare, die jeweils seitlich aus dem Wirbelsäulenkanal austreten. Manche Erregungen (Reize) werden von den aufsteigenden Bahnen im Rückenmark gar nicht erst zum Gehirn weitergeleitet, sondern unmittelbar auf derselben oder einer höher gelegenen Rückenmarksebene umgeschaltet. Diesen Weg der Erregungsübertragung nennt man Reflexbogen, und eine so ausgelöste Muskelreaktion nennt man Reflex. Reflexe werden bei jeder körperlichen Untersuchung geprüft. Das Rückenmark beziehungsweise die auf- und absteigenden Bahnen im Rückenmark können zum Beispiel durch einen Tumor geschädigt werden, der auf bestimmte Regionen im äußeren (peripheren) Bereich des Rückenmarks drückt oder der sich sogar im Mark, also innerhalb (zentral) dieser Bahnen befindet.