14.02.2024

Knowledge

Happy Birthday, Brain!

Der Dachverband der Schweizer Wissenschafts-Olympiaden feiert sein 20-jähriges Jubiläum. Im Verlauf der letzten zwei Dekaden haben zehntausende Teilnehmende an 10 Wettbewerben immer wieder gezeigt, was ihr jugendliches Gehirn so drauf hat. Nichts liegt also näher, als an diesem 20. Geburtstag der Olympiaden einmal die Entwicklung des menschlichen Gehirns unter die Lupe zu nehmen. Wie bildet es sich? Wie verändert sich unser Gehirn während der Jugend? Wie sieht es aus, wenn wir 20 Jahre alt sind?

Den Anfang machen Stammzellen

Wir alle entstehen aus einer einzigen Zelle - der befruchteten Eizelle. Sie ist eine totipotente Stammzelle, denn sie kann sich teilen und alle Zelltypen des ausgewachsenen Organismus produzieren. Um das Gehirn eines Neugeborenen mit seinen etwa 100 Milliarden Neuronen aufzubauen, müssen Stammzellen ganz schön viel leisten: Sie produzieren während der Schwangerschaft im Durchschnitt etwa 250'000 Neuronen pro Minute! Nach einigen Zellteilungen und der sogenannten Gastrulation, welche drei Zellschichten produziert, entsteht ab der dritten Entwicklungswoche das Nervensystem und damit auch das Gehirn. Es bildet sich zuerst eine Röhre aus Nervengewebe, das Neuronalrohr, das etwa 3 Millimeter misst. Es besteht aus neuronalen Stammzellen, die sich kontinuierlich teilen und so mehr Stammzellen produzieren. Während der folgenden Wochen bilden sich im Neuronalrohr Ausbuchtungen, aus denen die verschiedenen Hirnareale entstehen. Übrigens: Die folgenden Prozesse werden hier der Einfachheit halber chronologisch dargestellt, tatsächlich überlappen sie sich in gewissem Masse.

 

Neurogenese und Migration

Die neuronalen Stammzellen beginnen nach einiger Zeit, sich in je eine weitere Stammzelle und eine zweite Zelle zu teilen, die durch den Prozess der Differenzierung zu einem Neuron wird – die sogenannte Neurogenese. Die meisten differenzierenden Neuronen finden ihre Endposition, indem sie an länglichen Helferzellen, den Gliazellen, entlanggleiten. Der Cortex entsteht zum Beispiel durch ganz präzise regulierte Migration: Die jüngsten Neuronen bilden die innersten Schichten, ältere wandern weiter nach oben, bis sich sechs Lagen gebildet haben. Manche Neuronen bewegen sich übrigens auch am äusseren Rand des Gehirns entlang – manchmal sogar von einer Hirnhälfte zur anderen. Die Zellen sind ganz schön agil: sie bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 0.1 mm pro Tag, wobei manche insgesamt mehrere Millimeter weit wandern! 

 

Die harte Konkurrenz zwischen Neuronen

Nachdem die Migration abgeschlossen ist heisst es, die Differenzierung abzuschliessen und Verbindungen (Synapsen) zwischen den Zellen herzustellen. Zu diesem Zweck bilden Neuronen verschiedene Fortsätze aus, die Signale versenden und empfangen: die langen, von Gliazellen umhüllten Axonen und die verästelten Dendriten. Zwischen Axonen und Dendriten sowie Dendriten und Dendriten entsteht ein dichtes Netzwerk. Übrigens ist es ab der Entstehung der ersten Synapsen auch möglich, die Bewegungen des Babys per Ultraschall oder MRI zu beobachten, auch wenn die Mutter diese noch nicht fühlen kann.

 

In der Hirnentwicklung herrscht erstmal Überfluss. Von allem wird zu viel produziert und anschliessen abgebaut Neuronen, Dendriten, Synapsen… Die Menge der Zellen, die im menschlichen Gehirn eliminiert werden, ist beachtlich: Je nach Hirnregion sterben bis zu 85% der Neuronen durch programmierten Zelltod (Apoptose). Dies wird unter anderem durch Konkurrenz hervorgerufen: Die Neuronen konkurrieren um synaptische Kontakte. Zellen, die nicht genug Verbindungen herstellen können, sterben ab. 

 

Geboren mit einem unreifen Gehirn

Bei der Geburt hat ein Menschenkind zwar mehr oder weniger alle seine Neuronen, doch vieles sieht ganz anders aus als in einem erwachsenen Gehirn. Zum einen wäre da die Grösse: Während des ersten Lebensjahres verdoppelt sich diese nämlich. Mit 3 Jahren ist das Volumen bei etwa 80% eines erwachsenen Gehirns angekommen. Unter anderem ist dies auf die noch nicht vollendete Myelinisierung zurückzuführen. Der isolierende Mantel um die Axone, der deren Leitungsfähigkeit enorm verbessert, bildet sich zwar schon ab dem zweiten Drittel der Schwangerschaft, doch seine Entwicklung erreicht erst nach der Geburt ihren Höhepunkt.

 

Noch drastischer sieht es bei den Synapsen aus: Bei der Geburt hat jedes Neuron durchschnittlich etwa 2'500 Synapsen.  In den Gehirnen von Kleinkindern bilden sich dann in rasendem Tempo zusätzliche Verbindungen. Das Gehirn eines Zweijährigen hat bereits so viele Synapsen wie das eines Erwachsenen. Bei Dreijährigen sind es sogar doppelt so viele. Sie werden in den folgenden Jahren langsam wieder abgebaut. Die enorme Menge an Verbindungen bildet die Basis für die sehr hohe Anpassungs- und Lernfähigkeit im Kindesalter. Was ein Kind in diesen Jahren erlebt, beeinflusst das Gehirn auf dramatische Art und Weise. Ein Grossteil der Hirnentwicklung findet also in den ersten Lebensjahren statt – wenn wir etwa 5 Jahre alt sind, ist schon sehr viel passiert. 

 

Das Teenager-Gehirn

 

Eine wichtige Hirnregion verändert sich jedoch auch noch in der Jugend und bis in die Zwanziger dramatisch: der Frontallappen. Dieser kontrolliert viele wichtige Funktionen, unter anderem wird er für die ausserordentlichen kognitiven Fähigkeiten von uns Menschen verantwortlich gemacht. Einen wichtigen Einfluss haben dabei Hormone. MRI-Studien konnten zeigen, dass sich die neuronalen Netzwerke auch in der Jugend verändern und dass auch die Myelinisierung fortschreitet und sich somit die Leitungsfähigkeit der Hirnzellen weiter verbessert. Zum Beispiel wird das Corpus Callosum, also die Nervenstränge, welche die zwei Hirnhälften verbinden, besser myelinisiert. Dies erhöht wohl sowohl die analytischen Fähigkeiten als auch das kreative Denken. Beide können helfen, auf komplizierte Situationen, die während der Pubertät durchaus oft entstehen, zu reagieren – oder bei einer Wissenschafts-Olympiade mitzumachen. In der Jugend findet auch eine zweite Welle der Synapsenbildung statt. Darauf folgt dann wieder ein Abbau, der recht lange dauert. Während der Jugend verändert sich auch die Ausschüttung verschiedener Botenstoffe im Gehirn, die zum Beispiel die Risikobereitschaft betreffen. Veränderungen im Dopamin-System können Gemütsschwankungen hervorrufen und beeinflussen auch das Suchtverhalten. Somit ist es nicht erstaunlich, dass Jugendliche sich für actionreiche Aktivitäten begeistern und sich vielleicht im Strassenverkehr etwas rücksichtslos verhalten. Auch beginnen Drogenabhängigkeiten leider oft in diesem Alter, denn Substanzen können das noch nicht ausgereifte Dopamin-System ungünstig verändern. 

 

Mit 20 sind wir relativ reif, aber noch nicht voll entwickelt

Es dauert etwa bis wir 25 sind, bis alle Veränderungen im präfrontalen Kortex, also dem Teil des Gehirns, der ganz vorne liegt, abgeschlossen sind. Dieser Teil des Gehirns übernimmt wichtige Funktionen: Entscheidungen werden hier getroffen, das Leben wird geplant und Prioritäten gesetzt. MRI-Studien zeigen, dass Jugendliche eher auf das limbische System (Emotionszentrum) setzen, wenn sie Entscheidungen treffen. Erwachsene dagegen aktivieren vermehrt den präfrontalen Kortex, da er voll ausgereift ist. 

 

Und wie sieht es jetzt mit den Schweizer Wissenschafts-Olympiaden aus? Der Dachverband ist 20. Wäre er ein Gehirn, so befände er sich noch in den letzten Zügen der Myelinisierung und auch bei den Synapsen würden noch Veränderungen stattfinden. Und tatsächlich: Die Fachvereine haben ihren Groove gefunden, emotionale Ausbrüche gibt es vor allem bei den Medaillen-Zeremonien und auch sonst klappt das mit den exekutiven Funktionen super! Und keine Angst: Das Gehirn bleibt auch nach 25 noch plastisch. Bestimmt werden sich auch die Wissenschafts-Olympiaden stets weiterentwickeln – mit neuen Mitgliedern, Netzwerken und Ideen. Und wer weiss: Vielleicht schreibe ich in 20 Jahren dann ein Update über das Gehirn mit 40.  

 

Über die Autorin: Dr. Cora Olpe forscht als Postdoc an der Universität Zürich, wo sie in der Gruppe von Professor Sebastian Jessberger die Stammzellen im Gehirn untersucht. Vor etwas über 10 Jahren gewann sie die Schweizer Biologie-Olympiade und holte in Südkorea eine Bronzemedaille. Danach studierte und doktorierte sie in Cambridge (UK). Cora liegt die Förderung des Forschungs-Nachwuchses sehr am Herzen, daher engagiert sie sich freiwillig im Redaktionsteam der Wissenschafts-Olympiade.

 

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