Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, dessen Entwicklung und Funktionsweise uns immer wieder aufs Neue überraschen. Eine seiner bemerkenswertesten Eigenschaften ist die Asymmetrie zwischen den beiden Hemisphären, die nicht nur strukturelle, sondern auch funktionelle Unterschiede aufweist. Diese Unterschiede tragen maßgeblich zu unserer kognitiven Leistungsfähigkeit und unseren individuellen Verhaltensweisen bei.
Mikrostrukturelle Asymmetrie der Hirnrinde
Eine aktuelle Studie von Bin Wan und Sofie Valk vom Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig, in Zusammenarbeit mit Forschern vom Forschungszentrum Jülich, dem Montréal Neurological Institute and Hospital und der University of Cambridge, hat die anatomischen Unterschiede der menschlichen Hirnrinde zwischen der linken und rechten Hemisphäre auf bisher unerreichtem Niveau untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zellarchitektur in den beiden Gehirnhälften unterschiedlich ist, insbesondere in sprachbezogenen Regionen.
Die Forscher nutzten einen hochauflösenden histologischen Hirnatlas eines 65-jährigen Mannes und fanden heraus, dass die mikrostrukturelle Asymmetrie vererbbar ist und mit der Asymmetrie der Hirnfunktion im Ruhezustand korreliert. Eineiige Zwillinge wiesen ähnliche Asymmetrien auf, was die genetische Komponente unterstreicht.
"Das kann uns helfen, zu verstehen, wie die Anatomie des Gehirns Funktionen unterstützt, die mit der Asymmetrie des Gehirns verbunden sind, wie Sprache und Aufmerksamkeit, aber auch verschiedene neuropsychiatrische Störungen, die Unterschiede in der Asymmetrie zeigen“, erklärt Bin Wan, Erstautor der Studie.
Funktionelle Spezialisierung der Hemisphären
Das menschliche Gehirn besteht aus zwei Hälften, die unterschiedlich aufgebaut sind und verschiedene Funktionen besitzen. Dies macht unser Verhalten und Denken effizienter. Frühere Studien haben gezeigt, dass sich die linke und die rechte Gehirnhälfte zum Beispiel in der Dicke der Hirnrinde unterscheiden. Auf diesen Unterschieden beruhen die Verhaltensunterschiede zwischen Individuen führen, zum Beispiel bei der Sprachfähigkeit.
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Traditionell wird die linke Hemisphäre mit Sprache, Logik, Denkprozessen und Mathematik in Verbindung gebracht, während die rechte Hemisphäre für visuell-räumliche Wahrnehmung, Gefühle, Kreativität, Fantasie, Kunst und Musik zuständig ist. Diese funktionelle Spezialisierung ermöglicht es dem Gehirn, komplexe Aufgaben effizient zu bewältigen.
Die Rolle der Asymmetrie bei der Sprachentwicklung
Eine weitere Studie der University of Florida’s McKnight Brain Institute deutet darauf hin, dass die natürliche Asymmetrie zwischen der rechten und linken Gehirnhälfte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von sprachlichen Fähigkeiten bei Kindern spielt. Die Wissenschaftler vermuten, dass der zusätzliche Platz in der linken Gehirnhälfte in die Sprachfähigkeiten investiert wird.
Die Forscher untersuchten mittels Gehirnscans und verschiedenen sprachlichen Tests 39 Sechstklässler und stellten fest, dass frühe Spracherfahrungen zur anatomischen Entwicklung des Gehirnes beitragen können.
Neuronale Komplexität und Gehirnentwicklung in der frühen Kindheit
Die Entwicklung des menschlichen Gehirns ist ein Schlüsselfaktor für die psychische Gesundheit. Bereits in den frühen Phasen des Lebens zeigen sich je nach Entwicklungsstadium signifikante Unterschiede in der Art und Weise, wie das Gehirn Signale und Informationen aufnimmt und verarbeitet. Eine gestörte Entwicklung kann dauerhafte Folgen haben und zu psychischen Erkrankungen führen.
Forschende des Universitätsklinikums Tübingen haben gemeinsam mit internationalen Forschungspartnern aufschlussreiche Erkenntnisse gewonnen: Die neuronale Komplexität der Gehirnaktivität verändert sich vom späten Stadium der Schwangerschaft bis in die frühe Kindheit anders als erwartet und zudem mit geschlechtsspezifischen Unterschieden.
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In der Studie hat das Team untersucht, wie das menschliche Gehirn auf äußere Reize, wie beispielsweise Tonsequenzen, reagiert, sowohl vor als auch nach der Geburt. Gemessen werden konnten die Reaktionen des Gehirns mit der fetalen Magnetenzephalographie (fMEG), die nicht-invasiv an der Oberfläche des Bauches der Mutter die Gehirnaktivität schon im Mutterleib misst.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Komplexität der neuronalen Antworten abnimmt, und zwar in geschlechtsspezifisch unterschiedlichem Tempo. Diese Unterschiede könnten Aufschluss darüber geben, warum bestimmte Entwicklungsstörungen bei Jungen und Mädchen in unterschiedlicher Häufigkeit auftreten.
Fünf Phasen der Hirnentwicklung im Lebensverlauf
Im Laufe unseres Lebens durchläuft unsere Hirnstruktur fünf Phasen. Vom Baby zum Greis: Unser Gehirn entwickelt sich im Lebensverlauf nicht gleichförmig, sondern in fünf klar unterscheidbaren Phasen, wie Forschende entdeckt haben. In diesen fünf Lebensabschnitten verändert sich die Netzwerkstruktur und Effizienz unseres Gehirns auf jeweils charakteristische Weise.
Alexa Mousley von der University of Cambridge und ihr Team verglichen die Gehirne von 3.802 unterschiedlich alten Menschen und kartierten systematisch, wie sich zwölf Parameter der Hirnstruktur und Vernetzung im Lebensverlauf verändern. Die Analyse ergab vier große Umbrüche in der Entwicklung der Hirnvernetzung, die die fünf Hauptphasen des Lebens trennen:
- Kindheit (Geburt bis 9 Jahre): In dieser Phase ist das Gehirn vor allem damit beschäftigt, sein Netzwerk „aufzuräumen“. Es findet eine Konsolidierung und der kompetitive Abbau von Synapsen statt.
- Jugend (9 bis 32 Jahre): Mit diesem Umbruch beginnt sich der Hormonhaushalt zu verändern und bewirkt deutliche neurologische Veränderungen. Die Effizienz der Vernetzung nimmt zu.
- Erwachsenenalter (32 bis 66 Jahre): In dieser mehr als 30 Jahre dauernden Phase des Erwachsenenlebens durchläuft das Gehirn nur wenig komplexe Umbauprozesse. Die Vernetzung des Gehirns nimmt im Alter ab, das Hirnnetzwerk wird regionaler und lückenhafter.
- Beginn des Alters (66 bis 83 Jahre): Die hirnübergreifende Vernetzung nimmt weiter ab, die verschiedenen Hirnregionen arbeiten immer weniger gut zusammen. Die Modularität nimmt zu.
- Greisenalter (ab 83 Jahre): Die Vernetzung zwischen den einzelnen Hirnarealen nimmt weiter ab und insgesamt ist das Hirnnetzwerk nun deutlich ausgedünnt.
Die neuen Erkenntnisse erklären auch, warum unser Gehirn in bestimmten Lebensphasen besonders anfällig für Störungen ist: Der Umbruch am Beginn der Pubertät zu Störungen bringt beispielsweise ein besonders hohes Risiko für psychische Störungen mit sich.
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Neuronale Grundlagen des Lernens und der Gedächtnisbildung
Im Gehirn schlagen sich Denken und Lernen auf verschiedene Weise nieder: Bei jeder Interaktion zwischen (Klein-) Kind und Umwelt reagieren zunächst Tausende von Gehirnzellen. Bestehende Verbindungen zwischen ihnen werden intensiviert, neue ausgebildet. Treten nun wiederholt ähnliche Eindrücke, Wahrnehmungen und Erfahrungen auf, schleifen sich bestimmte Bahnen ein. Das heißt, ähnliche Signale folgen immer häufiger demselben Weg, der durch bestimmte, bei wiederholter Stimulierung stärker werdende chemische Signale in den Synapsen zwischen den Neuronen markiert wird. Die zuvor benutzten Verbindungen - und die an ihnen beteiligten Neuronen - verlieren an Bedeutung; viele der kaum oder überhaupt nicht benutzten Nervenzellen werden abgebaut (neuraler Darwinismus).
Eindrücke und Informationen werden leichter behalten, wenn sie mit Emotionen verknüpft sind, wenn sie neuartig, ungewöhnlich und besonders interessant wirken, wenn sie leicht in die vorhandenen Gedächtnisinhalte integriert werden können und wenn ein Lebens- bzw. Alltagsbezug gegeben ist. Sind Informationen, Lernprozesse, Erinnerungen emotional bedeutsam, reizvoll und spannend, werden Botenstoffe wie Dopamin und Acetylcholin ausgeschüttet, verstärken die Aufmerksamkeit und intensivieren die Gedächtnisleistung. Emotional bedeutsames Wissen wird (bei Rechtshändern) in der rechten Gehirnhälfte, neutrales Fakten- und Weltwissen in der linken Hemisphäre gespeichert.
Die Rolle von Neuronen und Gliazellen
Das Gehirn besteht aus rund 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die über 100 Billionen Synapsen (Kontaktstellen) mit anderen Neuronen kommunizieren. Neuronen machen aber nur die Hälfte der Masse des Gehirns aus. Die andere Hälfte umfasst die sehr viel kleineren Gliazellen - ihre Zahl ist etwa 10-mal höher als die der Nervenzellen. Gliazellen bilden ein Stützgerüst für die Neuronen und sind am Stoff- und Flüssigkeitstransport im Gehirn beteiligt. Nach neuesten Erkenntnissen sind Gliazellen auch an der Informationsverarbeitung, am Lernen und an höheren Denkprozessen beteiligt.
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