Gehirnentwicklung beim Menschen

Überblick und zeitlicher Ablauf

Die Gehirnentwicklung beim Menschen beginnt in der dritten Schwangerschaftswoche. Nach der Geburt reift das Gehirn weiter; sein Wachstum und die Vernetzung verlaufen besonders bis zum sechsten Lebensjahr schnell. Weitgehend abgeschlossen ist die Entwicklung erst nach der Pubertät, mehr als 20 Jahre nach der Geburt. Der Text nennt zugleich zwei Einordnungen: Ab dem zwölften Lebensjahr sei der Mensch hirnphysiologisch mehr oder weniger erwachsen und der größte Teil des Hirnwachstums beendet; neuere Forschung zufolge sei die vollständige Entwicklung erst mit 30 Jahren abgeschlossen.

Der Mensch besitzt unter den Primaten das größte Gehirn im Verhältnis zur Körpermasse. Damit werden ausgeprägte Lernfähigkeit, komplexes Sozialverhalten und Kommunikation durch Sprache ermöglicht. Die Entwicklungsabschnitte gehen ineinander über: neuronale Induktion, neuronale Proliferation, Migration, Aggregation und Differenzierung, Bildung von Verbindungen sowie neuronale Apoptose und Selektion synaptischer Verschaltungen.

Frühe Entwicklung vor der Geburt

Ab der dritten Entwicklungswoche entsteht aus der Neuralplatte, einer Zellplatte am Rücken des Embryos, das Neuralrohr. Es ist ein Rohr aus Nervengewebe; darin wandern neu entstehende Nervenzellen entlang radial ausgerichteter Gliazellen zu ihrem Bestimmungsort.

In der vierten bis sechsten Woche bilden Neuronen drei Ausbuchtungen, die Primärvesikel. Daraus entstehen Vorderhirn, Mittelhirn und Hinterhirn. Auf dem Vorderhirn liegt die Augenknospe, auf dem Hinterhirn die Ohrknospe. Zwei Ausbuchtungen des Vorderhirns werden zu den beiden Gehirnhälften, die rasch wachsen und sich über das Hinterhirn ausbreiten. Ab der elften Woche entwickelt sich das Kleinhirn. Bei der Geburt besitzt das Gehirn seine vollständige Anzahl an Nervenzellen.

Während der gesamten Schwangerschaft ist das neuronale Netzwerk sehr fragil und für schädliche Umwelteinflüsse anfällig. Alkohol kann beispielsweise zum fetalen Alkoholsyndrom mit erheblichen Schäden führen.

Entstehung und Spezialisierung von Nervenzellen

Bei der neuronalen Induktion wird ein Teil des Ektoderms, der äußeren Zellschicht des Embryos, zum Neuroektoderm beziehungsweise zur Neuralplatte umgewandelt. Damit entsteht die Voraussetzung für ein Nervensystem. Entscheidend ist die Hemmung von BMP (bone morphogenetic protein), das sonst die neuronale Entwicklung verhindern würde. Follistatin, Chordin und Noggin aus dem Chordafortsatz hemmen BMP. Auch FGF (fibroblast growth factor) unterdrückt die BMP-Transkription und ist für die neuronale Ausgestaltung nötig.

Die weitere Differenzierung des Neuralrohrs führt zu Vorderhirn, Mittelhirn, Hinterhirn und Rückenmark. Sie beruht auf veränderter Genexpression. Am Vorderhirn wirken unter anderem Transkriptionsfaktoren Emx, Lim und Otx; bei Mittel- und Hinterhirn wirken Chordafortsatz und paraxiales Mesoderm. Der Isthmus-Organisator trägt durch FGF und en zur Gliederung bei. In diesem frühen Zustand können kleinere Gewebeschäden noch durch zusätzliche Zellteilung ausgeglichen werden.

Etwa ab dem 23. Tag beginnt die neuronale Proliferation, eine Phase verstärkter Teilung neuronaler Stammzellen. Nach dem Verschluss des Neuralrohrs steigt die Teilungsrate stark an. Symmetrische Teilungen erzeugen zwei weiter teilungsfähige Zellen; asymmetrische Teilungen eine teilungsfähige und eine nicht erneut teilungsfähige Zelle. Zellen verlassen später die Ventrikularschicht, wandern in die intermediäre Schicht und werden zu postmitotischen, also nicht mehr teilungsfähigen, Neuronen. Diese Teilung und Differenzierung heißt Neurogenese.

Signale außerhalb des Neuralrohrs geben Vorläuferzellen eine Positionsinformation. Besonders der Konzentrationsgradient von SHH (sonic hedgehog) bestimmt die spätere Region und führt zu fünf Streifen ventraler Vorläuferzellen. Auch der Zeitpunkt, zu dem Zellen den Teilungszyklus verlassen, beeinflusst ihr Schicksal: Große Neuronen oder Neuronen mit langen Axonen entstehen meist früher. Gliazellen entstehen anfangs zusammen mit Neuronen, werden aber länger weitergebildet.

Wanderung, Vernetzung und Auswahl

Nervenzellen wandern amöboid: Sie bilden einen Fortsatz und „fließen“ daran entlang. Dabei nutzen sie spezielle Gliazellen als Orientierung; ihre durchschnittliche Wanderungsgeschwindigkeit beträgt etwa 0,1 Millimeter pro Tag. Am Zielort bilden sie Aggregate, also Zellansammlungen, und damit Hirnstrukturen. Zelloberflächenmoleküle ermöglichen wahrscheinlich das Erkennen und Binden der Zellen. Neuronen erhalten außerdem eine typische Orientierung, etwa Pyramidenzellen mit apikalen Dendriten senkrecht zur Gehirnoberfläche und Axonen in Richtung der weißen Substanz.

Multipolare Nervenzellen bilden viele Dendriten, aber nur ein Axon. Beim Wachstum der Axone sind drei Fragen wichtig: die Wegfindung (pathway selection), die Erkennung des Zielgebiets (target selection) und der Zielzelle (address selection). Chemische Gradienten, benachbarte Nervenfasern, genetische Vorgaben und aktivitätsabhängige Prozesse spielen dabei eine Rolle. Nach der Zielerkennung entstehen Synapsen; NGF (Nerve Growth Factor) ist dafür entscheidend. Die Synaptogenese beginnt je nach Hirnregion zu verschiedenen Zeitpunkten und dauert im präfrontalen Kortex bis ins Jugendalter.

Gleichzeitig sterben durch Apoptose, den kontrollierten Zelltod, je nach Hirnregion bis zu 85 % der Neuronen. Zellen konkurrieren um synaptische Kontakte; wer nicht genügend Verschaltungen bildet, stirbt. So werden die Größe miteinander verbundener Neuronengruppen ausgeglichen und fehlerhafte Verbindungen entfernt. Auslöser sind unter anderem aktivierte Rezeptoren, Stressfaktoren und besonders fehlende Überlebenssignale wie NGF, BDNF und CNTF. Im Durchschnitt degenerieren etwa 40 % der ursprünglich gebildeten Synapsen. Die Auswahl der Verbindungen ist aktivitätsabhängig.

Großhirn und Kleinhirn

Die beiden Großhirnhälften entstehen aus Ausstülpungen der lateralen Wand des Prosencephalus. Im Gehirn liegen die Perikaryen, also Zellkörper und graue Substanz, grundsätzlich um den zentralen Liquorraum; Axone als weiße Substanz liegen weiter außen. In Großhirnhemisphäre und Kleinhirn bildet sich zusätzlich an der Oberfläche graue Substanz als Rinde.

Neuronen wandern von den Bereichen nahe den Vesikeln nach außen. Dadurch entsteht die sechs-schichtige, etwa 2 mm dicke Großhirnrinde mit 10 bis 14 Milliarden Nervenzellen und etwa zehnmal so vielen Gliazellen. Ab der 18. Schwangerschaftswoche besitzt sie ihre typische Form mit Fissuren, Sulci und Gyri. Neuronen im Inneren bilden die Basalganglien.

Im Kleinhirn gibt es graue Substanz als Kerngebiet im Inneren und als dreigliedrige Rinde an der Oberfläche. Seine Histogenese beginnt ab der fünften Woche in zwei Zonen. Die innere Keimschicht der Flügelplatten des Metencephalons bildet Kerngebiete sowie Vorläufer von Purkinje-, Stern-, Korb- und Golgi-Zellen. Der rostrale Teil der Rautenlippen bildet Körnerzellen, die ab der elften Woche zur Oberfläche wandern und die äußere Körnerschicht bilden. Das Netzwerk der Purkinje-Zellen und die Wanderung der Neuronen aus der äußeren Körnerschicht setzen sich noch Jahre nach der Geburt fort.

Reifung nach der Geburt und Denken

Bei der Geburt sind zwar alle Nervenzellen vorhanden, doch das funktionsfähige Netzwerk ist erst als grobes Gerüst angelegt. Die Myelinisierung umhüllt Nervenzellen mit einem Mantel aus Oligodendrogliazellen. Dadurch wird die Leitfähigkeit deutlich verbessert; zusammen mit der Auswahl von Verbindungen erhöht sich die Geschwindigkeit der Nervenimpulse um das 16fache. Sie beginnt im zweiten Drittel der Schwangerschaft und erreicht in den ersten acht Lebensmonaten ihren Höhepunkt. Myelinisierung erklärt auch das weitere Größenwachstum des Gehirns, obwohl die Zahl der Neuronen nicht mehr steigt.

Dabei werden proximale vor distalen Verbindungen, sensorische vor motorischen Neuronen, spezifische vor unspezifischen thalamischen Afferenzen, zentrale vor polaren Großhirnbereichen sowie occipitale vor temporalen Polen myelinisiert. Bei der Geburt besitzt ein Neuron durchschnittlich 2.500 Synapsen, bei Kleinkindern 15.000. Ein zweijähriges Gehirn hat bereits so viele Synapsen wie ein erwachsenes, ein dreijähriges doppelt so viele; bis zum zehnten Lebensjahr werden sie wieder abgebaut. Die Umwelt bestimmt diese Entwicklung maßgeblich mit, während pränatal vor allem die Grundlage genetisch festgelegt wird.

Erinnerungen können schon Kleinkinder bilden, bleiben anfangs aber kurz gespeichert: mit 6 Monaten 24 Stunden, mit 9 Monaten 1 Monat. Deshalb erinnert man sich im Allgemeinen nicht an Ereignisse aus dem 3. bis 4. Lebensjahr und nur schwach an solche aus dem 5. bis 6. Lebensjahr. Ab etwa vier Jahren verbessert sich die Kommunikation der Gehirnhälften entscheidend und ermöglicht logisches, analytisches Denken. MRT-Studien zeigen, dass sich ab etwa 12 Jahren bis zum Erwachsenenalter das Verhältnis von grauer zu weißer Substanz zugunsten der weißen Substanz verschiebt.

Entwicklungsstörungen können je nach Entwicklungsstadium durch äußere schädliche Einflüsse entstehen. Im ersten und zweiten Drittel der Schwangerschaft stehen genetische, toxische und infektiöse Einflüsse im Vordergrund, im letzten Drittel hypoxisch-ischämische, infektiöse oder thromboembolische Ereignisse.