Hirnforschung

Zwischen Wahnsinn und Demenz

Unser Gehirn bleibt ein Leben lang plastisch veränderbar. Es ermöglicht uns, neue Dinge zu erlernen. Die Tatsache, dass das Lernen im Alter schwieriger ist, kann man nicht der mangelnden Plastizität des Gehirns zuschreiben.

Professor Dr. Bruno Preilowski
Gastprofessor für Methoden in Verhaltens- und Hirnforschung
 
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    Zur Person
    Professor Dr. Bruno Preilowski

    Professor Dr. Bruno Preilowski hat an der ZU eine Gastprofessur für Methoden in Verhaltens- und Hirnforschung inne und ist Mitbegründer des Hugo-Eckener-Labors für Experimentalpsychologie und Hirnforschung. Der approbierte Klinische Neuropsychologe war am California Institute of Technology in Pasadena (USA) als Mitarbeiter von Roger W. Sperry an der sogenannten „Split-Brain“-Forschung beteiligt, für die Sperry 1981 den Nobelpreis für Medizin erhielt. Neben Forschungsschwerpunkten in der Zerebralen Asymmetrie und der Gehirnplastizität widmet er sich auch besonders entwicklungsbedingten schulischen Lernproblemen.

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Generell versteht man unter Gehirnplastizität die Fähigkeit des Zentralnervensystems, sich strukturell und funktionell aufgrund von Erfahrungen zu verändern. Es gibt unterschiedlich enge, durch genetische Programme vorgegebene Möglichkeiten und Grenzen der plastischen Veränderungen der verschiedenen Gehirnstrukturen. Ebenso ergeben sich im Verlauf der Ontogenese wechselnde Phasen der Labilität, in denen das Nervensystem mehr oder weniger anfällig oder - positiven gesehen - bereit ist, sich zu verändern.


Aber bei allen Formen möglicher Plastizität gilt das Prinzip des Wettbewerbs um Kontakte zwischen den Nervenzellen und um die sich daraus ergebende gegenseitige wachstumsfördernde Unterstützung. Werden die Kontakte einer Nervenzelle nicht aktiviert, dann verkümmern die Verbindungen und schließlich auch die von der trophischen Unterstützung abgeschnittene Zelle selbst. Im wahrsten Sinne des Wortes gilt: „Use it or loose it“.

Lernt Hans wirklich nicht mehr, was Hänschen nicht lernte?

Ursprünglich vermutete man aufgrund der durch die Enge des Geburtskanals eingeschränkten Kopfgröße und des typischen „Nesthockerverhaltens“ des menschlichen Säuglings, dass sich das Gehirn und Nervensystem erst nach der Geburt entwickelt und dann die Verhaltensmöglichkeiten stetig zunehmen können.

Etwa mit dem Erreichen der Geschlechtsreife sei dann auch das Zentralnervensystem vollständig ausgebaut. Nach der Pubertät wäre somit auch keine Veränderung des Zentralnervensystems mehr möglich („Was Hänschen nicht lernt...“). 


Tatsächlich würde zu dieser Zeit auch schon wieder der Verlust von Nervenzellen einsetzen. Dieser sei zwar aufgrund der riesigen Menge an Zellen nicht unmittelbar bemerkbar, aber schließlich würde doch mit zunehmendem Alter die Leistungsfähigkeit stetig abnehmen und nur durch bessere Nutzung von zuvor erworbenen Fertigkeiten kaschiert werden können. Zu diesen Annahmen schien auch die klinische Erfahrung zu passen, dass im Zentralnervensystem weder neue Zellen gebildet werden, noch sich geschädigte Zellen regenerieren können.


Der Großteil dieser Vorstellungen kann mittlerweile als korrekturbedürftig bezeichnet werden. Bezüglich der letzten Aussage müssen wir allerdings feststellen, dass im Zentralnervensystem neue Zellen und eine Regeneration geschädigter Neurone tatsächlich nur unter bestimmten Bedingungen im Tierversuch nachgewiesen werden konnten. Wir müssen also vorerst davon ausgehen, dass die nachfolgend beschriebenen Plastizitätsphänomene ohne die Bildung neuer Zellen möglich sind.

Wie entwickelt sich die Plastizität im Säuglings- und Kindesalter?

Bereits im ersten und zweiten Trimester der Schwangerschaft werden Neurone geboren und wandern zu den verschiedenen Gehirnteilen. Im dritten Trimester geht die Ausdifferenzierung und das Wachstum des Nervensystems weiter.

Hier findet auch eine überschießende Produktion von synaptischen Verbindungen zwischen den Neuronen statt, die sich bis in das zweite Jahr nach der Geburt fortsetzt. Da erscheint es scheinbar widersinnig, dass zur gleichen Zeit schon ein Abbau bestimmter Zellen und Verbindungen beginnt, so dass am Ende des ersten Lebensjahres die Gesamtzahl der Synapsen schon wieder abnimmt.


Die messbare Zunahme des Gehirngewichts nach der Geburt ist also vor allem auf das Wachstum der schon vorhandenen Nervenzellen und die fortschreitende Ausdifferenzierung ihrer Fortsätze sowie auf den Zuwachs an nicht-neuronalen Zellen zurückzuführen.

Ein Querschnitt des menschlichen Gehirns.
Ein Querschnitt des menschlichen Gehirns.

Die erste plastische Phase ist tatsächlich eine sehr fragile: In dieser prä-, peri- und postnatalen Zeit ist das Gehirn besonders anfällig für traumatische und toxische Einflüsse, die zu lebenslangen Beeinträchtigungen von sensomotorischen und kognitiven Funktionen führen können. Ebenso ergeben sich hier kritische Phasen, in denen das Nervensystem Umweltstimulation und Erfahrungen benötigt, um die richtigen Verbindungen zu verstärken und nicht benötigte abzubauen. 


Für die verschiedenen Modalitäten und Funktionen ergeben sich in dieser Periode unterschiedlich lang geöffnete „windows of opportunity“ für die Aufnahme und Verarbeitung von Informationen. Das Besondere der Plastizität in diesen kritischen Phasen ist, dass die Veränderungen nicht mehr rückgängig gemacht werden können: Ein Organismus ohne optische Stimulation nach der Geburt wird also keine visuelle Wahrnehmung entwickeln oder sogar erblinden. Die auditive Wahrnehmung wird sich auf den Bereich der Laute beschränken, die der Säugling in dieser Phase erfahren hat. Ein im asiatischen Sprachraum aufwachsendes Kind wird daher den Unterschied zwischen einem „l“ und einem „r“ nicht wahrnehmen und später auch nicht mehr erlernen können.

Welchen Einfluss hat die Pubertät?

Gesunde Kinder im Vorschulalter entwickeln sensomotorische und insbesondere sprachliche Funktionen mit einer atemberaubenden Geschwindigkeit. Neben dem stetigen Zuwachs an Fähigkeiten und Fertigkeiten begeistern uns unsere Kinder etwa ab dem vierten Lebensjahr mit kreativen Anwendungen dieser Fertigkeiten, und zwar mit einfachsten Mitteln, mit spielerischem Witz und unbändigem Ausdruck, was unsere Pinnwände und Fotoalben bis zum etwa zehnten Lebensjahr überquellen lässt.


Aber dann beginnt diese lustvolle Kreativität allmählich verloren zu gehen, die ungewöhnlichen, aber originellen Zeichnungen und Malereien, werden immer mehr durch wirklichkeitsnähere, jedoch auch sehr stereotype Abbildungen verdrängt. Hier wirkt sich aus, dass die Kinder sich den Bewertungsmaßstäben ihrer Altersgenossen anpassen. Aber es gibt offensichtlich auch Unsicherheiten, die ihre Grundlagen in Veränderungen des Gehirns haben, die zumindest mit hormonellen Reifungsprozessen korrelieren.

Je weniger Testosteron, desto musikalischer

Hinweise finden sich in einer Langzeitstudie. Hier wurden Kinder, die von Musiklehrern als begabt eingestuft worden waren, über mehrere Jahre bezüglich ihrer musikalischen Leistungen getestet. Es wurden dabei nicht nur Tests des Gehörs und der sensomotorischen Fähigkeiten angewendet, sondern auch die kompositorischen und konzertanten Leistungen beurteilt.


Mit Beginn der Pubertät kam es bei Jungen und in noch stärkerem Maße bei Mädchen zu einer rapiden Abnahme der musikalischen Leistungen und des Interesses an kompositorischen Aktivitäten. Gleichzeitig stieg jedoch die Leistung, vor allem von Mädchen, in räumlichen Tests an. Für die Jungen konnte eine Korrelation mit dem Anstieg des Hormons Testosteron festgestellt werden. Generell übertreffen Männer die Frauen in räumlichen Leistungen, während Frauen in sprachlichen Funktionen dominieren.


Hier wird ein Zusammenhang mit der der unterschiedlichen Spezialisierung der linken und rechten Gehirnhälfte für sprachliche und räumliche Aufgaben vermutet; diese asymmetrische Spezialisierung scheint bei Männern stärker ausgeprägt zu sein als bei Frauen. Indirekt schließt man daraus, dass die musikalische Kreativität durch ein Gehirn begünstigt wird, dass noch keine geschlechtliche Festlegung erfahren hat. Sobald diese in der Pubertät erfolgt, kann es zu einem Verlust dieser Kreativität kommen. Einige Autoren sehen diese Annahme dadurch bestätigt, dass bei sehr produktiven Künstler, insbesondere Musikern, androgyne Züge zu beobachten seien.

Spielen soziale Reize ebenfalls eine Rolle?

Auch Eltern weniger musisch begabter Kinder werden die Jahre der Pubertät und Adoleszenz oft als eine schwierige Zeit in Erinnerung bleiben; einige Kinder ziehen sich zurück, wechseln sprunghaft ihre Vorlieben und Einstellungen, manche werden als emotional schwierig beschrieben, erscheinen wie ausgewechselt oder gar „wie von einem anderen Stern.“


Hirnforscher machten für diese Phase des „temporären Wahnsinns“ vor allem den noch unterentwickelten präfrontalen Kortex, der mit Verhaltensplanung und Verhaltenskontrolle in Verbindung gebracht wird, verantwortlich. Neuere Untersuchungen stellten nun fest, dass in dieser Zeit das präfrontale Gehirn nicht nur noch nicht fertig ist, sondern dass es, genau vor Beginn der Pubertät, zu einer zweiten Phase der Proliferation von synaptischen Verbindungen und der selektiven Ausmerzung kommt. 


Offensichtlich beginnt damit für das Gehirn zum zweiten Mal ein sehr fragiler Zustand, der alle Eigenschaften einer kritischen Phase besitzt. Das bedeutet, dass es in dieser Zeit wiederum auf bestimmte Reize angewiesen ist. Man vermutet, dass es sich hierbei nicht oder nicht nur um Reize handelt, die die sensorischen und motorischen Fertigkeiten weiter ausformen, sondern dass das Gehirn jetzt besonders empfänglich für den Einfluss von sozialen Reizen ist.

„Use it or loose it“ – gilt das auch im Alter?

Wie bereits kurz angedeutet, bleibt unser menschliches Gehirn ein Leben lang plastisch veränderbar. Es ermöglicht uns also auch, neue Dinge zu erlernen. Die Tatsache, dass das Lernen im Alter schwieriger ist, kann man nicht der mangelnden Plastizität des Gehirns zuschreiben. Das Lernen, das ja eine Veränderung von Nervenverbindungen beinhaltet, wird wahrscheinlich deshalb schwerer, weil das ältere Gehirn sehr viel mehr an fester gewordenen Verbindungen besitzt, die es zu überwinden gilt. Auch könnten die eingefahrenen Verhaltensweisen dazu beitragen, die Konzentration auf das Wesentliche zu beeinträchtigen und, bei anfänglichen Problemen, die Motivation zu verringern. Beides aber, Konzentration und Motivation, sind Vorbedingungen für jegliche Form erfolgreichen Lernens.


Pathologische Veränderungen des Gehirns nehmen im Alter zu. Noch weitgehend ungeklärte Prozesse führen zu Ansammlungen von bestimmten Stoffen in kritischen Gehirnstrukturen und führen dort zum Absterben bestimmter Neurone und Zellen sowie den Verlust an wichtigen Botenstoffen und Übertragungssubstanzen.

Demenz ist nicht heilbar

Es wäre nun nicht gerechtfertigt, hier die Hoffnung aufzubauen, dass man nach dem Prinzip „use it or lose it“ , auch über die normalen Plastizitätsprozesse hinaus, diese pathologischen Veränderungen beeinflussen oder gar verhindern könnte. Im Augenblick müssen wir davon ausgehen, dass dementielle Veränderungen letztendlich der neokortikalen Plastizität ein Ende bereiten. Ein Trost besteht zur Zeit nur darin, dass die Kontrolle von hochgeübten Fertigkeiten, für deren Ausbildung der Neokortex unabdingbar ist, mit zunehmender Automatisierung auf andere Gehirnstrukturen, wie beispielsweise die Basalganglien und das Kleinhirn übergehen. 


Wenn also die Demenz die neokortikalen Strukturen zerstört und so kein neues Lernen mehr möglich macht, besteht doch immer noch die Möglichkeit, hochgeübte Fertigkeiten anzuwenden. Insbesondere musische Aktivitäten, wie Singen, Tanzen und Musizieren scheinen den Patienten gut zu tun. Wenn man auch über die Empfindungen der Demenzkranken keine Auskünfte mehr bekommen kann, so scheint doch zumindest die Ausübung eine gewisse Ruhe für den Patienten mit sich zu bringen. Die ansonsten oft vorherrschenden Ängste und Unsicherheiten können so um einiges gemindert werden.

Titelfoto: nicolasberlin / photocase.com

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