Vernetzung der Neuronen im Gehirn: Entwicklung bei Frühgeborenen

Die Entwicklung des Gehirns ist ein komplexer Prozess, der bereits vor der Geburt beginnt und sich bis ins junge Erwachsenenalter fortsetzt. Besonders bei Frühgeborenen, also Kindern, die vor der 37. Schwangerschaftswoche geboren werden, spielt die Vernetzung der Neuronen eine entscheidende Rolle für ihre weitere Entwicklung.

Grundlagen der Gehirnentwicklung

Unser Gehirn ist die komplexeste Struktur, die wir kennen: Rund 86 Milliarden Nervenzellen, verbunden in einem einzigartigen Muster durch Billionen Synapsen. Bis es ausgereift ist, dauert es Jahre. Die Entwicklung des Organismus beginnt mit zahlreichen Zellteilungen. Aus der befruchteten Eizelle entsteht die Morula, dann die Blastula. In ihr finden sich die Zellen zusammen, aus denen der Embryo entsteht. Die Gehirnentwicklung beginnt um den 18. Tag mit der Abschnürung des Neuralrohrs. Später entstehen erst die Hirnbläschen, um die sechste Woche dann die Anlagen zu den großen Hirnstrukturen. Die Bildung der typischen Furchen des Großhirns setzt um die 24. Woche ein und dauert etwa bis zum ersten Geburtstag fort.

Wachstumsfaktoren und Nachbarzellen leiten die Neuronen an ihren Platz im Gehirn. Neuronen und Synapsen werden zuerst in viel zu großer Zahl gebildet, nur die stabilsten bleiben bestehen. So stellt sich das Gehirn auf seine Umwelt ein. Das Gehirn ist mit der Geburt keineswegs fertig, vielmehr beginnt nach der Geburt ein enormes Wachstum.

Zelluläre Prozesse

Radiale Gliazellen bilden den Ursprung vieler Neuronen. Bei der Entwicklung des Gehirns spielt eine besondere Art von Gliazellen eine wichtige Rolle, die radialen Gliazellen. Radiale Gliazellen entstehen zu Beginn der Neurogenese aus den Epithelzellen des Neuralrohrs. Als „Progenitorzellen“ stehen sie zwischen den Stammzellen und den ausdifferenzierten Zellen: Sie können einige, aber nicht alle Zellarten hervorbringen, wie Studien zeigen. Ein Teil der radialen Gliazellen erzeugt andere Arten von Gliazellen, darunter die Oligodendrozyten, die Isolierhüllen der Axone, und die Astrozyten, die erst als Wegweiser und später unter anderem als Ernährer der Neurone wirken. Ein anderer Teil aber generiert bei der Teilung die Neuronen selbst. Im späten Entwicklungsstadium des Embryos und nach der Geburt haben sich die meisten radialen Gliazellen zu anderen Zellformen ausdifferenziert.

Frühe Stadien der Entwicklung

Auch die komplexeste Struktur des Körpers beginnt ihre Entwicklung mit dem Zusammentreffen von Ei- und Samenzelle: Etwa 24 Stunden nach der Befruchtung haben sich die mütterlichen und väterlichen Chromosomen zur Erbanlage des neuen Individuums zusammengefunden. Die erste Zellteilung beginnt. Nach 96 Stunden ist aus der befruchteten Eizelle ein Ball aus etwa 30 Zellen entstanden, der ein wenig aussieht wie eine reife Maulbeere, daher sein Name: Morula. Die Zellen der Morula sind winzig, denn die ersten Zellen teilen sich durch Furchung immer wieder in zwei Hälften, ohne an Größe zuzulegen. In der Morula beginnen sich die Zellen in äußere und innere zu differenzieren. Drei bis vier Tage nach der Befruchtung hat sich Flüssigkeit in der Mitte der Zellkugel gesammelt - aus der Morula ist die Blastocyste geworden. An einer Stelle dieser Hohlkugel bildet sich aus den innersten Zellen ein kleiner Haufen, Embryoblast genannt. Nur aus diesen Zellen entsteht der Embryo, aus den übrigen werden Hilfsorgane wie die kindlichen Anteile der Plazenta und die Eihäute.

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Während der Embryo den Eileiter hinunter wandert und die Mutter von den Vorgängen in ihrem Körper noch gar nichts ahnt, schreitet die Arbeitsteilung im werdenden Menschen voran. Die Zellen des Embryoblast falten sich zu den drei Keimblättern Endoderm, Mesoderm und Ektoderm. Aus dem Endoderm entstehen später die inneren Organe, aus dem Mesoderm Knochen, Muskeln und Bindegewebe. Aus dem Ektoderm entsteht die Haut - und, in einem Prozess namens Neurulation, das zentrale Nervensystem samt Gehirn. Am 18. Lebenstag des Embryos, also etwa um die Zeit, zu der die Mutter feststellt, dass sie schwanger sein könnte, bildet sich im Ektoderm eine erste Vertiefung, die sich kurz darauf abschnürt: das Neuralrohr, der Vorläufer des Rückenmarks. An seinem vorderen Ende bilden sich drei Ausstülpungen, Hirnbläschen genannt. Der Embryo hat seine Wanderung inzwischen beendet und sich einen Platz in der Gebärmutterschleimhaut gesucht. Er ist jetzt etwa zwei Millimeter groß.

In den folgenden Tagen knickt der oberste Bereich des Neuralrohrs mit den Hirnbläschen ein wenig ab, erste Ansätze der Hirnhälften werden erkennbar. Massive Zellwanderungen führen dazu, dass dieser Bereich sich stark vergrößert und immer deutlicher vom Rückenmark unterscheidet. Vier Wochen nach der Befruchtung bilden sich die Augenflecken und das Herz beginnt zu schlagen. Nach sechs Wochen entstehen die Anlagen zu Hirnstrukturen wie Brücke und Kleinhirn, Thalamus, Basalganglien und Großhirnrinde. In der neunten Woche, winzige Finger und Zehen sind schon zu erkennen, beginnt das Rückenmark, erste Bewegungen zu steuern. Nach drei Monaten ist der Embryo, der inzwischen Fetus heißt, zwölf Zentimeter groß, hat gut ausgebildete Strukturen im Mittel- und Hinterhirn, aber seine Großhirnrinde ist noch glatt und undifferenziert. Erst um die 24. Woche bilden sich die ersten Furchen, wie sie für das menschliche Gehirn typisch sind.

Der Aufbau des menschlichen Gehirns ist nur in groben Zügen genetisch vorgegeben. Seine Feinstruktur ist das Ergebnis eines komplexen Organisationsprozesses, bei dem auch Umweltfaktoren eine Rolle spielen. Dazu gehören die Ernährung der Mutter und eventuelle Erkrankungen oder Kontakte mit Giftstoffen Wie die Schwangere, so die Kinder. Die jungen Neuronen entstehen aus Stammzellen in einer Gewebeschicht des Neuralrohrs. Um sich eine grobe Vorstellung von diesem Prozess zu machen, kann man die Anzahl der Neuronen im Gehirn durch die Monate der Schwangerschaft teilen: dann erhält man einen durchschnittlichen Wert von 250.000 neuen Neuronen pro Minute. Von dort wandern sie an ihre Zielorte im Gehirn und beginnen bereits während dieser Wanderung, sich für ihre Aufgabe zu spezialisieren: in Sehzellen etwa oder Riechzellen. Was ihre Aufgabe sein wird, hängt von ihrer Entstehungszeit und von chemischen Faktoren in ihrer Umgebung ab. Zuerst entstehen die inneren Schichten des Großhirns, die jüngeren Zellen wandern an den älteren vorbei und bilden die weiter außenliegende Schicht. Dabei nutzen sie radiale Gliazellen, eine Art der Gliazellen, deren lange Fortsätze quer zur Schichtung des Gehirns nach außen wachsen, als eine Art Geländer, an dem sie sich entlanghangeln (siehe Info-​Kasten).

Ist ein Neuron an seinem Platz angekommen, muss es sich mit seiner Zielregion verbinden. Sitzt ein Neuron etwa in der Netzhaut des Auges, muss es an das Sehzentrum im Thalamus andocken. Dazu streckt es einen „Arm“ aus, einen Neuriten, an dessen Spitze ein Wachstumskegel sitzt Das Neuron: Form und Funktion. Er bahnt dem Neuriten, etwa einem Axon, den Weg durch das dichte Gewebe, manchmal sogar bis in die andere Hälfte des Gehirns. Wohin dieser Wachstumskegel wächst, bestimmen zum einen anziehende und abstoßende Stoffe auf den Oberflächen der umgebenden Zellen. „So können richtige Straßen oder Kanäle entstehen, an denen sich die Neuriten orientieren“, erklärt Paul G. Layer, Professor für Entwicklungsbiologie und Neurogenetik an der Technischen Universität Darmstadt. Zum anderen beeinflussen Wachstumsfaktoren, wohin der Neurit sich reckt. Das sind kleine Proteine, die von den Zielregionen der Neuriten ausgesandt werden und die der Wachstumskegel mit Rezeptoren auf seinen zahlreichen Tentakeln wahrnehmen kann. „Anders als die Stoffe auf den Zelloberflächen können die Wachstumsfaktoren über gewisse Entfernungen hinweg wirken“, erklärt Layer.

Hat der Wachstumskegel sein Ziel erreicht, ist das Neuron noch längst nicht fertig. „Erst muss der Zellkern davon erfahren, dass der Neurit angekommen ist“, sagt Layer: „Dazu muss der Wachstumsfaktor rückwärts durch den Neuriten in den Zellkörper befördert werden. Dort angekommen, löst er eine Signalkaskade aus, die im Zellkern dazu führt, dass Gene für den Fortbestand des Neurons aktiviert werden. Bleibt dieses Signal aus, weil der Neurit sein Ziel nicht gefunden hat, fällt das Neuron in Apoptose, das heißt es begeht Selbstmord.“ Der Wachstumsfaktor ist also eher ein Überlebensfaktor. Tatsächlich führt die massenhafte Produktion von Neuronen im Gehirn des Embryos dazu, dass es zeitweise viel zu viele Neurone gibt. Sie konkurrieren miteinander: Nur die mit den stabilsten Verbindungen bleiben bestehen. Bis zu 80 Prozent der Neurone werden wieder abgebaut. Ein Großteil der erfolgreichen Axone wird später von Oligodendrozyten, einer Art der Gliazellen, umkleidet Gliazellen - Unterschätzter Klebstoff. Diese so genannte Myelinisierung beginnt in den ältesten Strukturen des Gehirns, dem Hirnstamm Der Hirnstamm, und setzt sich bis in die jüngsten fort. Sie isolieren die Axone von den Vorgängen in ihrer Umgebung und ermöglichen eine bis zu hundert Mal schnellere Weiterleitung der elektrischen Impulse, mit denen die Zellen kommunizieren Nervenzellen im Gespräch.

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Gehirnentwicklung nach der Geburt

Das Gehirn ist bei der Geburt des Kindes keineswegs fertig. Die Geburt ist vielmehr Startschuss zu einem enormen Wachstumsschub: Im ersten Lebensjahr wächst das Gehirn um das Dreifache, der Kopf erreicht drei Viertel seiner erwachsenen Größe. Dieser Wachstumsschub geht zum Teil auf die Entstehung neuer Neuronen und zum Teil darauf zurück, dass die Nervenfasern durch die Myelinisierung dicker werden und die Neurone zahlreiche Synapsen zu ihren Nachbarn aufbauen. Dieser Aufbau von Synapsen geschieht zunächst einmal rasant und wahllos, so als würde man auf einer Party erst einmal versuchen, mit „speed dating“ alle Anwesenden kennenzulernen. Mit drei Jahren haben Kinder doppelt so viele Synapsen wie Erwachsene. Auf der Party muss man sich irgendwann entscheiden, mit wem man sich tatsächlich unterhalten möchte. Ähnlich ergeht es den Neuronen: Nur die aktivsten Synapsen bleiben erhalten, die anderen werden abgebaut Bildhauern mit dem Meißel der Erfahrungen. Dieser Prozess heißt synaptic pruning und dauert bei Wirbeltieren bis zum Einsetzen der Pubertät an. Er kann uns in der Kindheit phasenweise viele Milliarden Synapsen täglich kosten. Das klingt bedrohlich, führt aber dazu, dass die kognitiven Prozesse effizienter funktionieren.

Die Rolle von Motoneuronen

Für die Steuerung der Muskelbewegungen sind besondere Zellen verantwortlich, die sogenannten Motoneuronen. Sie verknüpfen das Gehirn mit den Muskeln. Bei Neugeborenen sind viele dieser Motoneuronen extrem synchronisiert, im Bereich von Millisekunden. Sie geben gleichzeitig dieselben Signale ab und tragen damit zu einer erfolgreichen Verknüpfung des Nervensystems in dieser sehr frühen Phase bei. Denn Nervenzellen, die gleichzeitig Signale abgeben, verknüpfen sich bevorzugt. Die Wissenschaftler fanden nun heraus, dass die starke Synchronisierung der Nervenzellen bei Babys noch einen anderen Zweck hat. Durch die schwach ausgeprägte Muskulatur mangelt es Babys an Kraft. Dies gleichen sie durch sehr hohe Synchronisierung, sprich die gleichzeitige Kontraktion der einzelnen Muskelfasern, teilweise aus. Das bessere Verständnis des Zusammenspiels zwischen Motoneuronen und Bewegungen bei Babys kann möglicherweise dazu beitragen, Entwicklungsstörungen im Bewegungsapparat zukünftig besser zu erkennen und zu therapieren.

Die Entwicklung des Gehirns bei Frühgeborenen

Frühgeborene sind Babys, die vor der 37. Schwangerschaftswoche geboren werden. Da sich ihr Gehirn noch in der Entwicklung befindet, sind sie besonders anfällig für Komplikationen. Frühgeburten sind gar nicht so ungewöhnlich: Wie eine Statistik der Weltgesundheitsorganisation (WHO) aus dem Jahr 2012 zeigt, wird mehr als jedes zehnte Baby vor dem eigentlichen Termin geboren, also jährlich 15 Millionen Kinder auf der ganzen Welt. Bei den meisten geschieht es zwischen der 32. und der 37. Woche; aber 1,6 Millionen Kinder werden auch noch früher, zwischen der 28. und der 32. Woche, geboren und 780 000 Kinder sogar "extrem früh", vor der 28. Woche.

Risiken und Herausforderungen

Während der gesamten Schwangerschaft sind die neuronalen Strukturen äußerst empfindlich und damit anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Alkoholkonsum, Rauchen, Strahlung, Jodmangel und bestimmte Erkrankungen der Mutter, wie beispielsweise Infektionskrankheiten können zu einer Schädigung des sich entwickelnden Nervensystems führen. Auch Medikamente sollten nur nach Absprache mit dem Arzt eingenommen werden, um eventuelle negative Auswirkungen auf den Embryo zu verhindern.

Auswirkungen auf die Vernetzung der Neuronen

Findet ein wesentlicher Teil der Gehirnentwicklung außerhalb der warmen, feuchten Gebärmutter statt, wird laut Wissenschaftlern die Vernetzung der Neurone negativ beeinflusst. "Das nicht ausgereifte Gehirn erhält Eindrücke - visuelle Signale und Einflüsse der Schwerkraft -, die es noch gar nicht verarbeiten kann", meint Ghislaine Dehaene-Lambertz von der INSERM-CEA Cognitive Neuroimaging Unit in Paris, wo sie die Sprachentwicklung von Kleinkindern untersucht. "Die Signale können sehr plötzlich, sehr stark und unvorhersehbar sein." Doch so manche dieser unnatürlichen Sinneseindrücke sind gerade bei der intensivmedizinischen Versorgung zum Lebenserhalt der Frühgeborenen leider nicht vermeidbar.

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Langzeitfolgen

Aus den Daten einiger Langzeitstudien wurde ein erhöhtes Risiko für kognitive Störungen und Verhaltensprobleme bei Frühgeburt abgeleitet - in manchen Studien sogar bei jedem zweiten Kind. Inzwischen beschäftigen sich die Fachleute zudem nicht nur mit den Ursachen, sondern sie gehen auch der Frage nach, wie die Folgen einer Frühgeburt vermieden werden können und wie den betroffenen Kindern die bestmögliche Förderung geboten werden kann. "Wir wissen nur leider noch viel zu wenig, um optimale Strategien zu entwickeln", sagt Petra Hüppi, die als Kinderärztin für Neonatologie an der Universität Genf arbeitet und auch die Gehirnentwicklung bei vorzeitig geborenen Kindern untersucht.

Forschung und neue Erkenntnisse

Inzwischen gibt es erste Studien, in denen Gehirnscans darauf hinweisen, dass Abweichungen im neuronalen Netzwerk kognitive Probleme hervorrufen. Hüppis Kooperationspartner in der Schweiz nutzten eine neue MRT-Methode, die speziell für die Darstellung der Verbindungen zwischen den Neuronen im Gehirn optimiert war. Dabei verglichen sie 52 Frühgeborene mit termingerecht geborenen Kindern, jeweils im Alter von sechs Jahren. Bei den zu früh geborenen fanden sie immer noch weniger gut organisierte Hirnregionen mit stärker verschlungenen Nervenbahnen und eine Korrelation zu geringeren sozialen und kognitiven Fähigkeiten. In einer anderen Studie untersuchte der damals an der St.-Louis-Kinderklinik in Missouri tätige Neonatologe Jeffrey Neil das Gehirn von Frühgeborenen im Ruhezustand. Über die geringe Stand-by-Aktivität eines ruhenden Gehirns kann man speziell auf die Nervenverbindungen rückschließen, deren Struktur schon vor Geburt angelegt wurde. Neils Team konnte nun zeigen, dass dieses Netzwerk im Ruhezustand bei Frühgeborenen der 23. bis 29. Woche zum altersangepassten Zeitpunkt weniger ausgeprägt und aktiv ist als bei ausgetragenen Babys zum Zeitpunkt der Geburt. Nach Untersuchungen der 26-jährigen Probanden aus Bayern wurde diese geringere Komplexität noch im Erwachsenenalter festgestellt.

Therapieansätze

Hüppi testet das Medikament Erythropoetin (EPO) in einer klinischen Studie. EPO stimuliert die Produktion roter Blutzellen und ist bereits Standardtherapeutikum zur Verbesserung der Sauerstoffversorgung der inneren Organe. Die Lieblingsdopingsubstanz der Ausdauersportler trägt aber wohl ganz allgemein zur Versorgung und zum Schutz unserer Nervenzellen bei. So soll es angeblich langfristig die Entwicklung des Nervensystems unterstützen, was Hüppi nun in einer prospektiven, randomisierten und kontrollierten Studie mit fast 500 extrem früh geborenen Kindern in der Schweiz testen will, indem sie die Kleinen am Tag ihres eigentlichen Geburtstermins mittels MRT untersucht. Nach den ersten, im Jahr 2014 veröffentlichten Daten haben die mit EPO behandelten Frühgeborenen weniger Probleme in der neuronalen Entwicklung als unbehandelte. Ob sich das bewahrheitet, werden Folgeuntersuchungen im Alter von zwei Jahren zeigen, wenn die Entwicklung des Nervensystems der Kinder vorangeschritten ist, fügt Hüppi hinzu.

Bedeutung schneller Bewegungen für die Entwicklung

Babys sind in der Lage, äußerst schnelle Bewegungen durchzuführen. Dies ist ein wesentlicher Baustein in der Entwicklung des menschlichen Nervensystems. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der FAU hat nun eine Methode entwickelt, mit der sich diese Bewegungen auf der Ebene einzelner Nervenzellen quantitativ auswerten lassen. Wer schon einmal ein Baby gewickelt weiß: Auch wenn sie noch winzig sind, die Neugeborenen können ihre Gliedmaßen sehr schnell bewegen. Die schnellen Bewegungen sind wichtig, um in dieser sehr frühen Phase robuste Verknüpfungen im Nervensystem zu ermöglichen und eine einwandfreie Funktion des Bewegungsapparats zu gewährleisten.

Gehirnwachstum in den ersten Lebensmonaten

Die Entwicklung des menschlichen Gehirns ist bei der Geburt noch lange nicht abgeschlossen. Eine Studie in JAMA Neurology (2014; doi:10.1001/jamaneurol.2014.1638) zeigt, dass das Wachstum in den ersten Tagen nach der Geburt am stärksten ist. Am schnellsten entwickelt sich das für die Bewegungs­koordination zuständige Kleinhirn.

Dass sich das Gehirn in den ersten Monaten vergrößert, ist bekannt. Ärzte haben dies seit (mindestens) zwei Jahrhunderten durch die Messung des Kopfumfangs doku­mentiert. Wie sich die einzelnen Hirnstrukturen entwickeln, blieb ihnen allerdings verborgen. Regelmäßige Aufnahmen mit der Computertomographie verbieten sich aufgrund der Strahlenbelastung.

Die Kernspintomographie (MRT) gilt dagegen als unbedenklich. Ein Team um Dominic Holland von der Universität von Kalifornien in San Diego School hat jetzt 87 gesunde Säuglinge in den ersten drei Monaten mehrfach mittels MRT gescannt. Um Bewegungs­artefakte zu vermeiden, musste das Team jeweils warten, bis die Säuglinge einge­schlafen waren. Eine Sedation verbot sich aus ethischen Gründen. Doch mit Geduld gelang es den Forschern zwischen Oktober 2007 und Juni 2013 insgesamt 211 Aufnahmen anzufertigen, aus denen sich die Trajektorien der kindlichen Hirnentwicklung ablesen lassen.

Bei der Geburt misst das Gehirn eines Knaben 347 cm3 und der eines Mädchens 335 cm3. Bis zum 90. Lebenstag vergrößert es sich beim Knaben um 66 Prozent und den Mädchen um 63 Prozent. Die Wachstumsgeschwindigkeit war mit einem Prozent pro Tag nach der Geburt am höchsten, sie fällt bis zum Ende des 90. Tages auf 0,4 Prozent pro Tag ab.

Auch danach wächst das Gehirn weiter, doch die Studie war auf die ersten drei Lebensmonate beschränkt. Das stärkste Wachstum zeigte das Kleinhirn, das später die Software für die Bewegungsabläufe für das Krabbeln, Laufen und andere automatische Bewegungsabläufe speichert. Sein Volumen verdoppelt sich in den ersten drei Monaten (plus 108 Prozent). Die beiden Hippocampi, die später für die Gedächtniskonsolidierung zuständig sind, vergrößerten sich dagegen nur um 47 Prozent. Die kognitive Entwicklung des Menschen setzt bekanntlich später ein.

Das Wachstum der einzelnen Zentren ist asymmetrisch. So ist der linke Ventrikel zunächst größer als der rechte, beim Hippocampus und einigen anderen Hirnzentren ist es andersherum. Ob dies, wie Holland vermutet, der Grund für die Rechtshändigkeit ist oder die Sprachentwicklung vorbereitet, muss dahingestellt bleiben. Das Größen­wachstum dürfte mit Migrationsbewegungen der Nervenzellen in Verbindung stehen, die vom Rand der Ventrikel aus in den ersten drei Lebensmonaten in Richtung Cortex wandern. Hirnforscher schätzen, dass die Zahl der Neuronen in den ersten drei Monaten um 23 bis 30 Prozent ansteigt.

Das Gehirn als plastisches Organ

Die Gehirnentwicklung wird durch das Lernen geprägt und ist ein Prozess, der von Erbe und Umwelt gleichermaßen bestimmt wird. Rund 60% aller menschlichen Gene wirken auf die Gehirnentwicklung ein. Der IQ ist aber nur zu etwa 50% genetisch bedingt, der Schulerfolg sogar nur zu 20%. Die Umgebung wirkt schon vor der Geburt auf die Gehirnentwicklung ein (z.B. die Stimme der Mutter, Musik und andere Geräusche), insbesondere über den Körper der Mutter: Negative Einflussfaktoren sind beispielsweise Fehlernährung, Rauchen, Alkohol- oder Drogenmissbrauch, Stress oder der Umgang mit giftigen Substanzen am Arbeitsplatz während der Schwangerschaft.

Nach der Geburt wird die Gehirnentwicklung z.B. gehemmt durch längere Krankenhausaufenthalte oder Heimunterbringung, da dann Säuglinge bzw. Kleinkinder zu wenig Stimulierung erfahren. Dasselbe gilt für den Fall, dass die Mutter depressiv ist oder die Eltern ihr Kind vernachlässigen. Einen negativen Effekt können ferner frühkindliche Traumata oder Misshandlungen haben. Eine positive Wirkung wird hingegen beispielsweise dem Stillen zugesprochen, da hier das Gehirn besonders gut mit Vitaminen, Mineralien und Spurenelementen versorgt wird.

Die Rolle der Umwelt

Die Überproduktion von Synapsen in den ersten wenigen Lebensjahren ermöglicht das schnelle Erlernen ganz unterschiedlicher Verhaltensweisen, Sprachen, Lebensstile usw. Ein großer Teil der weiteren Gehirnentwicklung bei Kindern besteht dann darin, die für ihre Lebenswelt nicht relevanten Synapsen abzubauen und die benötigten Bahnen zwischen Neuronen zu intensivieren. So bestimmt letztlich die Umwelt - das in ihr Erfahrene, Gelernte, Erlebte, Aufgenommene - zu einem großen Teil die Struktur des Gehirns. Die skizzierte Entwicklung setzt sich dann bis zum Tode des Menschen fort: Unbenötigte Synapsen werden eliminiert, häufig benutzte verstärkt. Zugleich werden aber immer wieder neue Synapsen gebildet, insbesondere im Rahmen von Gedächtnisprozessen.

Entwicklungsfenster

Die Überproduktion und Selektion von Synapsen erfolgen in verschiedenen Regionen des Gehirns mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Intensität; sie erreichen ihren Höhepunkt zu jeweils anderen Zeiten. Beispielsweise wird in den Hinterhauptslappen, die für die visuelle Wahrnehmung zuständig sind, die höchste Dichte von Synapsen schon in den ersten Lebensmonaten erreicht. Hingegen ist das Wachstum in den Stirnlappen (Planen von Handlungen, Urteilsvermögen, Aufmerksamkeit) zwischen dem 3. und 6. Lebensjahr am größten. In diesem Zusammenhang wird oft von "Entwicklungsfenstern" oder "kritischen Phasen" gesprochen, in denen das Gehirn für bestimmte Lernerfahrungen besonders empfänglich sei, da dann die relevanten Synapsen ausgewählt und miteinander verknüpft, also die entsprechenden Regionen des Gehirns strukturiert würden. Werden diese Perioden verpasst, könnte ein Kind im jeweiligen Bereich kaum noch dieselbe Leistungsfähigkeit erreichen wie andere.

Beispielsweise dauert die "sensible Phase" für den Spracherwerb bis zum 6. oder 7. Lebensjahr. Das Baby kann schon alle Laute jeder Sprache dieser Welt unterscheiden, das Kleinkind alle Phoneme korrekt nachsprechen. Innerhalb weniger Lebensjahre werden aber die Synapsen eliminiert, die diese Leistung ermöglichen, aber nicht benötigt werden, da sich das Kind in der Regel ja nur eine Sprache mit einer sehr begrenzten Zahl von Phonemen aneignet. Deshalb kann ab dem Schulalter, insbesondere ab der Pubertät, eine neue Sprache nicht mehr perfekt erlernt werden.

Lernen und Gedächtnis

Im Gehirn schlagen sich Denken und Lernen auf verschiedene Weise nieder: Bei jeder Interaktion zwischen Säugling bzw. Kleinkind 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 zunehmend demselben Weg, der durch bestimmte, bei wiederholter Stimulierung stärker werdende chemische Signale in den Synapsen zwischen den Neuronen markiert wird. Haben diese Signale eine von Gehirnregion zu Gehirnregion unterschiedlich große Stärke erreicht, wird diese Bahn auf Dauer (bis in das Erwachsenenalter hinein) beibehalten. Viele zuvor benutzte Verbindungen - und die an ihnen beteiligten Neuronen - verlieren an Bedeutung; viele der kaum oder überhaupt nicht benutzten Nervenzellen werden sogar in den ersten Lebensjahren abgebaut (s.o.). Die entlang der sich einschleifenden Bahnen liegenden Neuronen werden hingegen immer größer, d.h. sie bilden immer mehr Dendriten aus, die zudem länger werden und zu immer mehr anderen Nervenzellen führen. Zugleich wird das Gehirn auf eine bestimmte Weise organisiert - je nachdem, für welche Arten von Lernprozessen Neuronen und Nervenbahnen besonders oft aktiviert werden. Die Veränderungen in seiner Struktur können sogar stark ausgeprägt sein, wenn bestimmte Lernerfahrungen sehr häufig gemacht werden - z.B. ist bei Taxifahrern die Gehirnregion für das Ortsgedächtnis größer, wird bei tauben Menschen ein Bereich im Gehirn für die Gebärdensprache abgegrenzt.

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