Die Vorstellung, dass das Gehirn eines Erwachsenen sich nicht mehr verändert, galt lange als wissenschaftliche Tatsache. Heute wissen wir jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird. Manche Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann. Diese Erkenntnis hat zu einem verstärkten Interesse an Methoden geführt, die die Lern- und Gedächtnisleistung steigern sollen.
Neurodegenerative Erkrankungen und Kinderdemenz
Neurodegenerative Erkrankungen, wie die neuronale Ceroid-Lipofuszinose (NCL), verdeutlichen die Bedeutung der Gehirnzellen für kognitive Funktionen. NCL, auch Kinderdemenz genannt, ist eine seltene, erbliche Erkrankung, die das Gehirn betroffener Kinder langsam zerstört. Dabei gehen nicht nur Zellen in der Netzhaut, sondern auch im Gehirn unaufhaltsam zugrunde. Die meisten Mediziner haben diese seltene Krankheit kaum auf dem Radar, weshalb es oft Jahre dauert, bis Betroffene die korrekte Diagnose erhalten.
Formen und Symptome der Kinderdemenz
Früher wurde die Kinderdemenz nach dem Alter der Patienten bei Krankheitsausbruch in vier Typen unterteilt. Seit der Entdeckung der für die Krankheit verantwortlichen Gene im Jahr 1995 hat sich ein komplexeres Bild ergeben. Mittlerweile sind 13 verschiedene NCL-Gene bekannt, weshalb man heute ebenso viele Formen der Kinderdemenz unterscheidet. Die Symptome treten in unterschiedlicher Reihenfolge und Ausprägung auf. Bei NCL3 lässt zuerst die Sehkraft nach, typischerweise im Alter von fünf bis sechs Jahren. Kinder mit NCL2 entwickeln dagegen häufig schon als Dreijährige Bewegungsstörungen. Im fortgeschrittenen Stadium wird selbst die Nahrungsaufnahme zum Problem.
Ursachen für den Zelltod bei NCL
Die Ursachen für das Absterben der Nerven- und Netzhautzellen bei NCL-Patienten sind noch nicht vollständig geklärt. Sicher ist, dass die Lysosomen, die mit Enzymen und Säure gefüllten Bläschen, eine zentrale Rolle spielen. Sie zerlegen zelleigenen Abfall und Material von außen in seine molekularen Bestandteile. Von den 13 NCL-Genen enthalten fünf den Bauplan für jeweils ein lysosomales Enzym. Ist die Anleitung fehlerhaft, kann die Zelle es nur falsch oder überhaupt nicht herstellen. Drei weitere codieren für Proteine in der Hülle der Lysosomen. Ohne sie können die Bläschen nicht mit zellulären »Abfallkapseln« verschmelzen und deren Ladung in sich aufnehmen. Als Konsequenz sammelt sich Müll zusehends in der Zelle an und schadet ihr möglicherweise.
Forschung und Therapieansätze
Die Wissenschaft ist bei der Erforschung der Kinderdemenz auf Versuchstiere angewiesen. Die Vorgänge auf Zellebene lassen sich besonders gut an einfachen Lebensformen wie Fadenwürmern beobachten. Seit 2017 arbeiten Forscher außerdem mit Stammzellen menschlicher Patienten, aus denen sich Gewebekulturen mit verschiedenen Zelltypen des Gehirns herstellen lassen. Mit der Zulassung des Wirkstoffs Cerliponase alfa gelang 2017 ein Durchbruch gegen NCL2. Das Medikament ersetzt das lysosomale Enzym, das Kindern mit NCL2 fehlt.
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Die Plastizität des Gehirns
Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. Anders hätte der Mensch die vielfältigen Herausforderungen, denen er im Laufe eines Lebens begegnet, auch gar nicht bewältigen können. So können wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache und Yoga lernen, uns Gesicht und Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria.
Synaptische Plastizität
Lernen findet an den Synapsen statt - also den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. Synapsen können selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden.
Gehirntraining und Konnektivität
Die einzige Zielsetzung von Gehirntrainings ist die Erhöhung der Konnektivität der Gehirnzellen. Immer wenn man etwas Neues tut, versucht das Gehirn eine Lösung zu finden. Gibt es passende Bahnen zwischen den Gehirnzellen noch nicht, baut sie das Gehirn umgehend auf. Diese neuen Bahnen können auch für andere Aufgaben verwendet werden. Das funktioniert nur, wenn man die Aufgabe ändert, sobald von 10 Versuchen 3-4 klappen. Ungewöhnliche Kombinationen verschiedenster Aufgaben regen das Gehirn an, neue Verbindungen zu schaffen. Je mehr Verbindungen, desto leistungsfähiger ist man.
Kompensation von Schäden
Seine Plastizität hilft dem Gehirn zudem, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben Forscher herausgefunden, dass das Gehirn so die Schäden nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann.
Die Struktur des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich beispielsweise besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet. Anatomisch fallen besonders die Bereiche ins Auge, die als Groß-, Zwischen- und Kleinhirn (Cerebellum) bezeichnet werden, sowie der Hirnstamm.
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Großhirnrinde
Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende sogenannte Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen.
Konnektom
Einen exakten Schaltplan des Gehirns lässt sich jedoch mit der MRT-Technik nicht erstellen, dafür ist die Genauigkeit der Methode nicht hoch genug. Schließlich sitzen bis zu 10.000 Synapsen auf einer Nervenzelle, 100 Billionen sind es insgesamt. Dies zeigt, wie dicht das Kommunikationsnetz im Gehirn ist. In diesem Netz können einerseits benachbarte Nervenzellen miteinander verknüpft sein, andererseits auch Zellen, die weit voneinander entfernt sind. Die Wissenschaftler entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln können.
Das Immunsystem des Gehirns
Das Nervengewebe im Gehirn ist besonders geschützt durch die Blut-Hirn-Schranke. Diese hält Krankheitserreger fern und verhindert, dass Immunzellen und Antikörper in das Nervengewebe des Gehirns eindringen können und die neuronalen Netze zerstören. Im Gehirn gibt es Immunzellen, aber nicht solche, die im Blut sind und im Rest des Körpers wirken. Die Hirn-Immunzellen sind die Mikroglia. Sie beseitigen Zellmüll und Keime im Nervengewebe.
Neuroinflammation
Eine Entzündung des Nervengewebes heißt Neuroinflammation. Das ist eine gesunde Reaktion des Immunsystems, mit der das Gehirn vor Infektionen geschützt wird. Bei der Neuroinflammation überwinden Immunzellen des Blutes die Blut-Hirn-Schranke. Eine Neuroinflammation kann aber auch Krankheiten wie Multiple Sklerose auslösen. Dabei entsteht ein komplexes und zerstörerisches Zusammenspiel aus Mikroglia und Immunzellen, die aus dem Blut ins Gehirn wandern.
Mikroglia und Alzheimer
Mikroglia bekämpfen nicht nur Erreger, sie erfüllen noch einen weiteren Zweck im Gehirn: Sie beseitigen auch abgestorbene Zellen und sonstigen Müll des Gehirngewebes. Deshalb spielen diese Mikroglia-Zellen wahrscheinlich auch eine Rolle bei der Entstehung von Alzheimer. Bei dieser neurodegenerativen Krankheit sammeln sich bestimmte Eiweiße im Gehirn an, verklumpen und schädigen so die Nervenzellen.
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Autophagie: Der zelluläre Reinigungsprozess
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Gesunderhaltung des Gehirns ist die Autophagie. Nervenzellen, die nicht in der Lage sind, verklumpte Proteine oder defekte Mitochondrien abzubauen, degenerieren. Eine fehlregulierte oder verminderte autophagische Aktivität kann zu einer ganzen Bandbreite von Krankheiten führen, darunter Krebs, neurodegenerative Plaques bei Demenzerkrankungen und Muskelerkrankungen.
Autophagie und Krebs
Krebsforscher betrachten Autophagie als bedeutsam für ihr Fach. Lange Zeit galt Autophagie als tumorsuppressives Prinzip im Körper, weil die Tumorentwicklung mit dem Verlust der Fähigkeit von Zellen zur Autophagie verknüpft war. Bei weiterentwickelten Malignomen erlaubt eine funktionierende Autophagie den Krebszellen selbst nämlich höhere Überlebenschancen. Deshalb erforschen Wissenschaftler gerade in jüngster Zeit, wie sich Autophagie-Prozesse nutzen lassen, um die Krebstherapie zu verbessern, vor allem, um Therapieresistenzen zu überwinden.
Autophagie und neurodegenerative Erkrankungen
Ähnlich wie in der Krebsforschung untersucht man, ob man positiven Einfluss auf den zellulären Reinigungsprozess nehmen kann, um den Ausbruch neurodegenerativer Erkrankungen zu verhindern. Auch hier gibt es positive Ergebnisse. Störungen bei der Autophagie scheinen auch mitverantwortlich für den Morbus Parkinson zu sein.
Huntington-Krankheit und Hirnflüssigkeit
Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Huntington-Krankheit durch das Huntington-Protein verursacht wird, das überlang ist und Schwierigkeiten beim Falten verursacht. Diese fehlgefalteten Proteine können in Gehirnzellen in klebrigen Klumpen enden, die Gehirnzellen krank machen können. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Hirnflüssigkeit von Menschen mit Huntington-Krankheit das Wachstum von Proteinklumpen viel leichter anstößt als Hirnflüssigkeit von Menschen ohne Huntington-Krankheit. Dies könnte eine neue Möglichkeit bieten, die Huntington-Proteinspiegel und damit das Fortschreiten der Krankheit im Laufe der Zeit zu verfolgen.
Life Kinetik
Life Kinetik ist eine Trainingsmethode, die darauf abzielt, die Konnektivität der Gehirnzellen zu erhöhen. Durch ungewöhnliche Kombinationen verschiedenster Aufgaben wird das Gehirn angeregt, neue Verbindungen zu schaffen. Je mehr Verbindungen, desto leistungsfähiger ist man. Life Kinetik kennt keine Altersbegrenzungen oder körperlichen Voraussetzungen.
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