Die Funktion von Synapsen, den Kommunikationsstellen zwischen Nervenzellen, ist im Alter ein komplexes und vielschichtiges Thema. Während des Alterungsprozesses unterliegen Synapsen verschiedenen Veränderungen, die sich auf die kognitiven Fähigkeiten auswirken können. Dieser Artikel beleuchtet die neuesten Forschungsergebnisse und Erkenntnisse über die Synapsenfunktion im Alter, von den molekularen Mechanismen bis hin zu den potenziellen Kompensationsstrategien des Gehirns.
Einführung
Synapsen spielen eine zentrale Rolle bei der Informationsübertragung im Gehirn. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen Nervenzellen und sind somit essenziell für Lernprozesse, Gedächtnis und andere kognitive Funktionen. Im Laufe des Lebens unterliegen Synapsen jedoch altersbedingten Veränderungen, die ihre Funktion beeinträchtigen können. Diese Veränderungen können den Verlust von synaptischen Verbindungen, Veränderungen in der Neurotransmission und die Ansammlung von schädlichen Proteinen umfassen.
Synaptische Aktivität und der Lebenszyklus synaptischer Proteine
Eine aktuelle Studie von Wissenschaftlern des Göttinger Exzellenzclusters Multiscale Bioimaging (MBExC) und des Sonderforschungsbereichs SFB1286 hat einen Zusammenhang zwischen synaptischer Aktivität und dem Lebenszyklus synaptischer Proteine aufgezeigt. Die Forscher erstellten ein mathematisches Modell des synaptischen Vesikel-Zyklus und überprüften ihre theoretischen Erkenntnisse experimentell mit einer Kombination aus Fluoreszenz-Bildgebung und Sekundärionen-Massenspektrometrie.
Die Studie ergab, dass Synapsen theoretisch bedarfsabhängig mit neu gebildeten synaptischen Vesikeln versorgt werden. Dies kompensiert die Alterung der synaptischen Komponenten und gewährleistet die synaptische Aktivität. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass aktivere Präsynapsen auch mehr neu synthetisierte Proteine aufweisen. Eine Unterbrechung des Vesikeltransports sowie eine chronische Erhöhung oder Verringerung der synaptischen Aktivität hob diese Korrelation auf. Dies deutet darauf hin, dass die bedarfsabhängige Versorgung mit neu gebildeten synaptischen Proteinen eng mit der synaptischen Aktivität verknüpft ist.
Stille Synapsen im erwachsenen Gehirn
Eine weitere interessante Entdeckung ist die Existenz von stillen Synapsen im erwachsenen Gehirn. Bisher ging man davon aus, dass solche stillen Synapsen nur in der frühen Entwicklung vorkommen. Forschende um Dimitra Vardalaki vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) fanden jedoch heraus, dass rund jede dritte Synapse in der Hirnrinde von erwachsenen Mäusen inaktiv ist.
Lesen Sie auch: Wie Alkohol die Signalübertragung im Gehirn beeinflusst
Diese stillen Synapsen verfügen lediglich über NMDA-Rezeptoren und keine AMPA-Rezeptoren, was sie daran hindert, korrekt zu arbeiten. Die Forschenden konnten jedoch das Schweigen der Filopodien brechen, indem sie sie erneut Glutamat aussetzten, aber zusätzlich einen elektrischen Strom durch den Neuronenkörper leiteten. Die zuvor stillen Synapsen begannen dadurch innerhalb von Minuten, neben den NMDA-Rezeptoren auf einmal auch AMPA-Rezeptoren zu bilden, was es den Synapsen ermöglichte, sich mit den nächstgelegenen Nervenzellen zu vernetzen.
Diese Erkenntnis könnte Auswirkungen auf das bislang gültige Modell der Lernprozesse im erwachsenen Gehirn haben. Dank der Filopodien können wir demnach auch im Erwachsenenalter ständig Neues lernen, ohne dafür alte Erinnerungen überschreiben zu müssen.
Altersbedingte Veränderungen der Hirnstruktur
Das Alter macht auch vor den grauen Zellen nicht halt. In den reifen Jahren bauen sie unterschiedlich stark ab, was sich auch bei den geistigen Fähigkeiten bemerkbar macht. Die graue Hirnsubstanz nimmt etwa bis zum 12. Lebensjahr zu, bevor sie sich allmählich wieder ausdünnt. Betroffen von dem Verlust sind vor allem der präfrontale Cortex und der Hippocampus, die für exekutive Funktionen und das Langzeitgedächtnis unerlässlich sind. Die weiße Hirnsubstanz gewinnt etwa bis zum Alter von etwa 40 bis 50 Jahren an Volumen. Dann schrumpft auch sie wieder. Unter dem Substanzverlust leidet möglicherweise die mentale Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die Kommunikation zwischen verschiedenen Hirnarealen lässt in ihrer Effizienz nach. Ursachen für den Schwund sind vermutlich die Veränderung von Nervenzellen, die Schrumpfung von Nervenfortsätzen sowie der Verlust von synaptischen Verbindungen. Mit zunehmendem Alter finden sich auch vermehrt Ansammlungen von Tau-Proteinen, die möglicherweise für das Absterben von Nervenzellen verantwortlich sind.
Mit steigendem Alter geht es auch mit dem Botenstoff Dopamin drastisch bergab. Er spielt eine wichtige Rolle bei Bewegungskontrolle, Motivation und Lernen. Studien haben unter anderem herausgefunden, dass die Dopamin-Synthese im Striatum im Alter abnimmt. Andere Untersuchungen fanden, dass die Dichte an Rezeptoren - also Empfangsstationen - für Dopamin abnimmt. Der Verlust an Dopamin könnte für viele neurologische Symptome verantwortlich sein, die sich mit zunehmenden Alter bemerkbar machen: die zunehmende Steifheit der Bewegungen, aber auch Einbußen bei der geistigen Flexibilität.
Kompensationsmechanismen des Gehirns
Das reife Gehirn ist jedoch in der Lage, gewisse Defizite zu kompensieren. So können ältere Menschen bei komplexeren Aufgaben im Vergleich zu jüngeren Freiwilligen zusätzliche Hirnareale aktivieren. So können die Senioren trotz neuronaler Defizite schwierige Aufgaben erfolgreich meistern. Auch Erfahrung und über Jahrzehnte hinweg erworbenes Wissen kommen älteren Menschen zugute - Wissen, das oft bis ins hohe Alter vergleichsweise gut erhalten bleibt.
Lesen Sie auch: Wie Opiate Synapsen beeinflussen
Neuroplastizität und Neurogenese im Alter
Entgegen der früheren Annahme, dass das Nervengewebe im erwachsenen Gehirn fest und unveränderlich verknüpft ist, deuten immer mehr Studien darauf hin, dass auch das erwachsene Gehirn nicht etwa ausgewachsen ist. Vielmehr führt es laufend Auf- und Umbauarbeiten durch, um sich an neue Situationen anzupassen. Zu dieser sogenannten Neuroplastizität tragen verschiedene Mechanismen bei, die vor allem durch Tierversuche belegt sind. Demnach erhöht sich, wenn das Gehirn kurzfristig Erinnerungen speichert, sekundenschnell die Menge von Botenstoffen und ihren Rezeptoren an den Schaltstellen der Nerven, den Synapsen. Um Eindrücke langfristig zu verankern, bilden Nerven aber auch innerhalb von Minuten bis Stunden neue Fortsätze und Synapsen. Und täglich entstehen sogar mehrere Tausend neue Neuronen. Sie entwickeln sich aus Stamm- und Vorläuferzellen im Gehirn, vernetzen sich über ein Geflecht an Fortsätzen und Synapsen mit dem umliegenden Gewebe und unterstützen fortan den Informationsfluss.
Obwohl die Neurogenese mit zunehmendem Alter nachlässt, ist vielfach belegt, dass sich Neuroplastiziät, Neurogenese und geistige Leistungskraft bis ins hohe Alter durch bestimmte Verhaltensweisen unterstützen lassen. Dabei gilt in aller erster Linie, das Gehirn seiner Bestimmung zuführen, ihm immer neuen Denk- und Lernstoff zu bieten.
Einfluss von Lebensstilfaktoren
Studien deuten darauf hin, dass Senioren mit einer langen Schulausbildung seltener eine Demenz entwickeln als Senioren mit kurzer Ausbildung. Darüber hinaus profitiert das Gehirn auch nach der Schulzeit, vermutlich ein Leben lang, wenn es gefördert und gefordert wird. Ein abwechslungsreiches Leben kann das Gehirn auf vielfältige Weise anregen. Davon profitiert es auch im hohen Alter. So zeigte eine Studie, dass bei alten Menschen der Verlust an geistiger Leistungsfähigkeit über acht Jahre geringer ausfiel, wenn sie ein »sozial reiches Leben« führten, etwa regelmäßig kulturell aktiv waren, Hobbys ausübten oder soziale Kontakte pflegten.
Auch körperliche Aktivität spielt eine wichtige Rolle. Wenn ältere Menschen körperlich aktiv bleiben, finden sich in ihrem Gehirn vermehrt Substanzen, die die Verbindungen zwischen bestimmten Nervenzellen, sogenannten Synapsen, verbessern und vor Alterungsprozessen schützen.
FoxO-Proteine und Synapsenbildung
Forscher haben herausgefunden, dass FoxO-Proteine bei der Bildung und Positionierung von Nervenzellverbindungen, den Synapsen, ebenfalls eine wichtige Rolle spielen. Diese Proteine steuern die Aktivität eines Recycling-Prozesses, der Proteine und Zellstrukturen bei Bedarf abbaut. Wenn die FoxO-Proteine in dieser Funktion ausfallen, bilden sich übermäßig viele und falsch verteilte Nervenzellverbindungen.
Lesen Sie auch: Funktionsweise hemmender Synapsen
Das alternde Herz und seine Auswirkungen auf das Gehirn
Es ist vor allem die linke Herzkammer, die das Blut durch den Körperkreislauf pumpt, aber im Lauf des Lebens Spuren des Alterns zeigt: Sie wird größer und kann mitunter vernarben, was die Pumpfunktion beeinträchtigt. Dem Herzen fällt es danach schwerer, auf entsprechende Anforderungen unter Belastungssituationen mit der Herzschlagfrequenz, dem Puls, zu reagieren. Eine zentrale Rolle für den Rückgang der Nervenzellen im Herzen scheinen alternde, sogenannte ‚seneszente‘ Zellen des Gefäßsystems zu spielen. Verhindert man experimentell die Anzahl dieser ‚seneszenten‘ Zellen durch gezielte Medikamente (sogenannte Senolytica), wachsen die Nervenzellen wieder nach, und das Herz gewinnt die autonome Kontrolle über die Pulsregulation wieder zurück.
Phasen der Hirnentwicklung im Lebensverlauf
Das menschliche Gehirn entwickelt sich laut einer neuen Studie in vier Phasen:
- Phase 1 (Geburt bis 9 Jahre): Intensive "Verkabelung" des Gehirns, gefolgt von Optimierung der Verbindungen.
- Phase 2 (9 Jahre bis Pubertät): Vorbereitung auf die Veränderungen der Pubertät, Wachstum der weißen Hirnsubstanz.
- Phase 3 (ca. 32 Jahre): Zenit der Hirnentwicklung, optimale Zusammenarbeit der neuronalen Netzwerke.
- Phase 4 (ab 66 Jahre): Allmählicher Abbauprozess, Ausdünnung der neuronalen Netzwerke.
- Phase 5 (ab 83 Jahre): Weiterer Abbau, Schwierigkeiten beim Ausgleich von Störungen.