Die weiße Substanz ist eine essenzielle Struktur des zentralen Nervensystems und spielt eine Schlüsselrolle in der Signalübertragung zwischen verschiedenen Hirnregionen sowie zwischen Gehirn und Rückenmark. Sie besteht hauptsächlich aus myelinisierten Nervenfasern, die für eine schnelle Weiterleitung elektrischer Signale sorgen.
Was ist die Weiße Substanz?
Im Gehirn lassen sich zwei grundlegende Gewebetypen unterscheiden: die graue und die weiße Substanz. Die graue Substanz bildet den Kortex, die aus Milliarden Neuronen bestehende Schicht an der Oberfläche des Gehirns. Die weiße Substanz beherbergt tiefer im Gehirn verlaufende, gebündelte Nervenfasern, die die Neuronen durch millionenfache Verbindungen verschalten. Die weiße Substanz (Substantia alba) umfasst alle Bereiche des zentralen Nervensystems, die überwiegend aus myelinisierten Axonen bestehen und nur in geringer Anzahl unmyelinisiert vorliegen. Diese Axone sind von Myelinscheiden umhüllt, die aus Lipiden und Proteinen bestehen und eine elektrische Isolation bewirken. Die Bezeichnung stammt von ihrer hellen Farbe, die im Vergleich zur grauen Substanz auffällt.
Graue Substanz vs. Weiße Substanz
Der wichtigste Unterschied zur grauen Substanz liegt in ihrer Zusammensetzung und Funktion. Während die graue Substanz überwiegend aus Zellkörpern, Dendriten und Synapsen besteht und somit vor allem für die Verarbeitung und Integration von Informationen zuständig ist, enthält die weiße Substanz vor allem lange, myelinisierte Nervenfasern, die Informationen über weite Strecken leiten. Die Hirnzellen in der grauen Substanz spielen die gleiche Rolle wie Computer, während die weiße Substanz mit den Verbindungskabeln zwischen den Computern vergleichbar ist.
Aufbau 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:
- Assoziationsfasern: Sie verlaufen innerhalb einer Gehirnhälfte und verbinden dort verschiedene kortikale Regionen miteinander.
- Kommissurenfasern: Sie 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: Sie 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. Die Myelinisierung ist ein Prozess, der im Rahmen der Gehirnentwicklung von der Kindheit bis ins junge Erwachsenalter voranschreitet. Ebenso wie die Isolation eines Stromkabels einen störungsfreien Stromfluss ermöglicht, verbessern myelinisierte Nervenbahnen die Signalübertragung und erhöhen dadurch die kognitiven Fähigkeiten einer Person.
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Myelin und seine Bedeutung
Schon lange hatten mikroskopische Untersuchungen gezeigt, dass die extrem langen, dünnen Ausläufer von Nervenzellen - die Axone - oft in einen fetthaltigen, weißlich erscheinenden Mantel gehüllt sind. Doch glaubten die Forscher zunächst, diese Myelin- oder Markscheide diene allein der elektrischen Isolierung - ähnlich wie der Gummiüberzug bei einem Kupferkabel. Erst viel später stellte sich heraus, dass Nervenimpulse an einem myelinisierten Axon grob gesagt 100-mal schneller vorwärtskommen 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. Myelin macht die weiße Substanz weiß. Es bildet die Fettschicht der Axone der Nervenzellen, die die Informationsübertragung durch das Gehirn beschleunigt. Dieser Prozess kann während der gesamten Lebensspanne auftreten, ist aber in der frühen Entwicklung des Gehirns vorherrschend. 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.
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.
Die oberflächliche Weiße Substanz (OWS)
Eine entscheidende Rolle in diesem komplexen Netzwerk kommt der sogenannten oberflächlichen weißen Substanz zu, einer weniger als einen Millimeter dicken Grenzschicht zwischen weißer und grauer Substanz. Diese Schicht enthält die U-Fasern, kürzeste Nervenfasern, die über 90 Prozent aller Verbindungen in der weißen Substanz bilden. Die oberflächliche weiße Substanz unterscheidet sich in ihrer Entwicklung und Physiologie sowohl von der grauen als auch von der weißen Substanz. So werden die U-Fasern erst in einem späten Entwicklungsstadium mit isolierendem Myelin umhüllt. In manchen Gehirnregionen geschieht dies sogar bis in das Erwachsenenalter hinein, das weist auf eine besondere Rolle der U-Fasern für die Gehirnplastizität hin.
Eisen in der OWS
Die quantitativen MR-Karten zeigten, dass das Gewebe der oberflächlichen weißen Substanz sehr viel Eisen enthält. Bemerkenswerterweise ist aber das Eisen in verschiedenen Regionen dieser Schicht nicht gleichmäßig verteilt. So zeigten die primären Gehirnareale, wie etwa der primäre visuelle Kortex, eine relativ niedrige Eisenkonzentration, während sich in den höheren Gehirnarealen mit höherer U-Faserdichte eine stärkere Eisendichte fand. Mikroskopische Untersuchungen mit Hilfe protoneninduzierter Röntgenemission zeigten, dass die höchste Eisenkonzentration in den myelinbildenden Zellen, sogenannten Oligodendrozyten enthalten ist. Was nicht erstaunt, da Eisen für den Prozess der Myelinisierung notwendig ist. 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.
Erkrankungen 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.
NF-κB und der Verlust der Weißen Substanz
Ein Team um die Ulmer Biochemiker und Molekularmediziner Professor Thomas Wirth und PD Dr. Bernd Baumann hat nun die Rolle des Genregulators NF-κB bei solchen Prozessen untersucht. Von diesem Protein war bislang angenommen worden, dass es eine optimale Nervenfunktion garantiert, da es dem altersbedingten Absterben der Nervenhüllen, einer schützenden Isolierschicht, entgegenwirkt. „In der Studie haben wir herausgefunden, dass NF-κB vermittelte Stressreaktionen eine entscheidende Rolle beim Verlust der weißen Substanz spielen, und so auch kritisch in die Ausbildung von Demenz eingreifen kann“, erklärt Professor Thomas Wirth. Die Wissenschaftler haben nun erforscht, wie NF-κB neurophysiologische Prozesse beeinflusst. Der Transkriptionsfaktor moduliert unter anderem die Produktion von Myelin in spezifischen Glia-Zellen, den Oligodendrozyten. „Myelin ist ein wesentlicher Bestandteil der weißen Hirnmasse und sorgt als eine Art Zell-Isolator für optimale Nervenleitung“, so Wirth.
Um diese Grundannahme zu prüfen, hatte das Ulmer Team NF-κB in den Oligodendrozyten von Mäusen angeregt. Dadurch wird eine chronische, niederschwellige Entzündung, wie sie als sogenanntes „Inflammaging“ auch beim natürlichen Alterungsprozess im Gehirn auftritt, simuliert. Über ein Jahr lang wurden die Tiere beobachtet, ihr Verhalten und ihre Motorik analysiert. Zudem untersuchte das Forscherteam per Magnetresonanz-Verfahren Veränderungen in der weißen Hirnmasse der Mäuse, führte ultrastrukturelle Analysen am Elektronenmikroskop durch und beleuchtete mit molekularbiologischen und immunhistologischen Methoden genetische Prozesse. Die Forschenden machten dabei im Hinblick auf reife, sich also nicht mehr teilende Oligodendrozyten wichtige Erkenntnisse. „Bei angeregtem NF-κB kommt es zu bestimmten Stressreaktionen, die post-mitotische Seneszenz (PoMiCS) der Zellen bewirkt, also eine Art altersbedingtes Ruhestadium auslöst“, so Baumann. Dies führt wiederum dazu, dass die Oligodendrozyten die Myelinproteine nicht mehr ausreichend synthetisieren konnten. Es kommt vielmehr zu einer Demyelinisierung der Mausgehirne, also zum Verlust von weißer Hirnmasse.
Menopause und Schäden an der Weißen Substanz
Nach der Menopause ist bei Frauen das Ausmaß bestimmter Hirnschäden größer als bei gleichaltrigen Männern. Die untersuchten Gewebeschäden gelten als mögliche Risikofaktoren für Demenz und Schlaganfall. Insbesondere bei älteren Erwachsenen sind auf Aufnahmen des Gehirns, die per Magnetresonanztomografie (MRT) erstellt wurden, helle Flecken zu erkennen. Diese Flecken weisen auf Auffälligkeiten in der sogenannten weißen Hirnsubstanz hin, einem Bereich des Gehirns, der aus Nervenfasern besteht und unterhalb der Großhirnrinde im Inneren des Gehirns liegt. Im Fachjargon spricht man von „White Matter Hyperintensities“.
Diagnostik der Weißen Substanz
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein wichtiges bildgebendes Verfahren zur Beurteilung der weißen Substanz. Mit einem 7-Tesla-MRT Scanner konnten hochauflösende Karten der Grenze zwischen weißer und grauer Substanz über das gesamte lebende Gehirn hinweg erstellt werden. Die Dicke des Kortex kann auch etwas über das Alter oder die Gesundheit des Hirns aussagen. So haben Menschen mit Alzheimer-Demenz im Allgemeinen einen sehr dünnen Kortex. Die Dicke des Kortex liefert somit eine wichtige Information, welche man mittels Magnet-Resonanz-Tomographie erfassen kann. Es ist möglich, eine Karte der kortikalen Dicken für einen Menschen anzufertigen.
Astrozyten in der Weißen Substanz
Astrozyten spielen eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung von Neuronen und der Erhaltung der Gehirngesundheit. Die Astrozyten der weißen Substanz, die weitreichende neuronale Verbindungen unterstützen, sind noch wenig erforscht. Es gibt deutliche Hinweise auf spezialisierte Subtypen, darunter eine Zellart mit erheblichem proliferativem Potenzial, das für die Gehirnreparatur genutzt werden könnte. Die Studie identifizierte zwei unterschiedliche Typen von Astrozyten in der kortikalen weißen Substanz. Einer dieser Typen ist weit im Gehirn verbreitet, evolutionär konserviert und vermutlich an der Unterstützung von Nervenfasern, der Zellkommunikation und der Stoffwechselregulation beteiligt. Der andere ist ein hochspezialisierter Subtyp, der vor allem in der kortikalen weißen Substanz vorkommt. Diese Zellart zeichnet sich durch eine bemerkenswerte Fähigkeit zur Proliferation aus und wird durch spezifische Signalwege beeinflusst, die mit anderen Gehirnzellen interagieren. Bemerkenswerweise fanden die Forschenden heraus, dass einige dieser proliferierenden Astrozyten aus der weißen Substanz in die graue Substanz wandern können. Die Entdeckung proliferierender Astrozyten in der weißen Substanz eröffnet vielversprechende Möglichkeiten für die regenerative Medizin.
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