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Bis ins 20. Jahrhundert dachte man, dass das Wirbeltiergehirn nach der Geburt ein starres System sei, dessen Zellen sich nicht mehr teilen oder erneuern. Heute weiß man, dass das Gehirn ein dynamisches System ist, das sich lebenslang an neue Anforderungen und Erfahrungen anpasst und sogar im Alter noch adulte Neurogenese betreibt.
Bei allen Wirbeltieren besteht das Gehirn aus fünf Teilen: dem Großhirn, dem Zwischenhirn, dem Mittelhirn, dem Hinterhirn und dem Nachhirn. Diese Abschnitte werden auch als Telencephalon, Diencephalon, Mesencephalon, Metencephalon und Myelencephalon bezeichnet und sind in ihrer Grundanlage bei Fischen, Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren vorhanden (Bayer & Altman, 2006). Die Ausprägung dieser Abschnitte variiert dabei deutlich: Beispielsweise besitzen Vögel im Verhältnis ein größeres Kleinhirn (Cerebellum, Teil des Metencephalons), was unter anderem ihre außergewöhnliche Bewegungskoordination ermöglicht, wie zum Beispiel das Navigieren im dreidimensionalen Raum (Boire & Baron, 1994; Iwaniuk et al., 2007).
Das Gehirn entwickelt sich im Verlauf der Embryonalentwicklung aus dem sogenannten Neuralrohr. Das Neuralrohr ist eine röhrenförmige Struktur, die sich sehr früh nach der Befruchtung aus einer Zellplatte (Neuralplatte) abschnürt. Es bildet den Vorläufer des gesamten zentralen Nervensystems, also sowohl des Gehirns als auch des Rückenmarks. Das Neuralrohr ist zu Beginn noch relativ einfach aufgebaut; seine Zellen teilen sich jedoch rasch und bilden verschiedene Segmente, aus denen sich die einzelnen Gehirnabschnitte herausdifferenzieren (Colas & Schoenwolf, 2001).
In den nächsten Entwicklungsschritten erfolgt die sogenannte Musterbildung (Patterning): Signale von bestimmten Regionen, zum Beispiel durch molekulare Botenstoffe wie „Sonic hedgehog“ oder „Wnt“-Proteine, sorgen dafür, dass im Neuralrohr verschiedene Funktionsbereiche entstehen. Diese Funktionsbereiche werden als Neuromere bezeichnet und legen die spätere Gliederung des Wirbeltiergehirns fest (Altman & Brivanlou, 2001; Le Dréau & Marti, 2002).
Im weiteren Verlauf setzen dann Prozesse wie die Neurogenese ein – also die eigentliche Entstehung und Vermehrung von Nervenzellen (Neuronen) sowie sogenannten Gliazellen, welche die Nervenzellen in ihrer Funktion unterstützen. Zunächst teilen sich Stammzellen symmetrisch, um die Zellzahl zu erhöhen. Später entstehen durch asymmetrische Zellteilungen differenzierte Neuronen und Gliazellen, die sich entlang von besonderen Bahnen aus dem Neuralrohr in ihr Zielgebiet bewegen (Zhong & Chia, 2008; Götz & Wieland, 2005).
Sobald die jungen Nervenzellen ihren Bestimmungsort erreicht haben, reifen sie weiter aus: Sie verzweigen und vernetzen sich mit anderen Neuronen und bilden erste Synapsen. Bereits vor der Geburt entstehen so die grundlegenden Schaltpläne für spätere Wahrnehmung und Verhalten. Nach der Geburt kommt es durch Umwelteinflüsse und Aktivität zu einer weiteren Verfeinerung dieser Netzwerke: Überflüssige Verbindungen werden zurückgebaut, während nützliche verstärkt werden. Dieses Phänomen nennt man auch neuronale Plastizität (Kolb & Gibb, 2011).
Beim Menschen verändert sich das Volumen des Gehirns im Verlauf des Lebens deutlich. In den ersten Lebensjahren wachsen sowohl graue als auch weiße Substanz besonders schnell bis etwa zum sechsten Lebensjahr (Abbildung 1). Ab dem sechsten Lebensjahr sieht man vor allem einen Abfall in dem Volumen der grauen Substanz (Betlehem et al., 2022).
Die Neurogenese beschreibt die Bildung neuer Nervenzellen aus Stamm- oder Vorläuferzellen und findet sowohl im sich entwickelnden als auch im erwachsenen Gehirn (adulte Neurogenese) statt (Gulati, 2015; Gage, 2002).
Im Jahre 1913 stellte Santiago Ramón y Cajal fest, dass Nervenzellen nur während der Entwicklung des Gehirns generiert werden. Man ging davon aus, dass nach der Embryonalentwicklung keine neuen Neuronen entstehen würden. Erst seit Ende des 20. Jahrhunderts ist nachgewiesen, dass das erwachsene Gehirn über ein Reservoir neuronaler Stammzellen verfügt, die neue Nervenzellen hervorbringen können (Altman & Das, 1965).
Adulte Neurogenese findet in Vögeln (Goldman et al., 1983), Nagetieren (Altman & Das, 1965), Primaten (Gould et al., 1999) und Menschen (Eriksson et al., 1998) statt.
Funktionell ist die adulte Neurogenese eng mit Lernen, Gedächtnisbildung und neuronaler Plastizität verknüpft (Ambrogini et al., 2000; Hairston et al., 2005).
Wo Neurogenese stattfindet, teilen sich Zellen. Wo sich Zellen teilen, wird DNA synthetisiert. Ein Grundbaustein von DNA ist hierbei die Base Thymidin, deren Einbau bei der Synthese man sich zu Nutzen machen kann, indem man BrdU (5-Bromo-2’-deoxyuridin) verwendet. BrdU ist hierbei ein Analogon von Thymidin und wird an seiner Stelle in die neue DNA eingebaut. Die Verwendung von Antikörpern, welche an BrdU binden, ermöglicht die Detektion der neuen Zellen mit der neuen BrdU-enthaltenden DNA. Dadurch wird eine Visualisierung der Zellteilung und damit der Neurogenese ermöglicht (Thermo Fisher Scientific, o.D.).
Bei Nagetieren und Vögeln findet die adulte Neurogenese vor allem in zwei spezifischen Bereichen des Gehirns statt: dem Gyrus dentatus, welcher zum Hippocampus gehört, und der Subventrikulären Zone (SVZ), welche sich entlang der Seitenventrikel befindet (Goldman et al., 1983; Altman & Das, 1965; Allen 1912).
Eine 2025 publizierte Studie von Herold et al. kommt zu dem Ergebnis, dass sich der Prozess der adulten Neurogenese in Tauben und Mäusen nicht nur in den zuvor beschriebenen Zonen abspielt, sondern zudem im Striatum, wobei sie bei Tauben signifikant höher ist.
Auch bei Primaten, zu denen der Mensch gehört, findet die adulte Neurogenese im Gyrus dentatus des Hippocampus und in der subventrikulären Zone statt (Kukekov et al., 1999; Eriksson et al., 1998).
Quellen
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Altmann, C. R., & Brivanlou, A. H. (2001). Neural patterning in the vertebrate embryo. International Review of Cytology, 203, 447-482. https://doi.org/10.1016/s0074-7696(01)03013-3
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Bethlehem, R. A. I., Seidlitz, J., White, S. R., Vogel, J. W., Anderson, K. M., Adamson, C., Adler, S., Alexopoulos, G. S., Anagnostou, E., Areces-Gonzalez, A., Astle, D. E., Auyeung, B., Ayub, M., Bae, J., Ball, G., Baron-Cohen, S., Beare, R., Bedford, S. A., Benegal, V., … Alexander-Bloch, A. F. (2022). Brain charts for the human lifespan. Nature, 604(7906), 525–533. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04554-y
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