CogniFit - Neuroplastizität

"Gehirnplastizität bezieht sich auf die Fähigkeit des Nervensystems, seine Struktur und Funktionen im Laufe seiner gesamten Lebensdauer an sich ändernde Umweltbedingungen anzupassen. Auch wenn dieser Ausdruck mittlerweile in der Psychologie und Neurowissenschaft sehr häufig verwendet wird, ist seine Begriffsabgrenzung schwierig. Er wird vor allem dann verwendet, wenn man sich auf Veränderungen des Nervensystems bezieht, die sich auf verschiedenen Ebenen abspielen und von molekularen Prozessen, wie z.B. Veränderungen in der Genexpression bis hin zu Verhaltensänderungen reichen können."

Die Neuroplastizität ermöglicht es, Neuronen anatomisch und auch funktionell zu regenerieren und neue synaptische Verbindungen herzustellen. Die Gehirnplastizität oder Neuroplastizität ist die Fähigkeit des Gehirns, sich selbst zu regenerieren und erneut zu strukturieren. Dieses adaptative Potential des Nervensystems erlaubt es dem Gehirn sich nach einer Störung oder Verletzung wieder zu erholen und die Effekte der aufgrund von Pathologien veränderten Strukturen zu reduzieren. Diese können beispielsweise durch Multiple Sklerose, Parkinson, kognitivem Verfall, Alzheimer, Legasthenie, ADHS, Schlaflosigkeit usw. verursacht werden.

Neuronale Netzwerke vor dem TrainingNeuronale Netzwerke 2 Wochen nach der StimulationNeuronale Netzwerke 2 Monate nach der Stimulation

Synaptische Plastizität

Durch neue Erfahrungen und Lernprozesse legt das Gehirn neue Pfade an. Bei diesen neuronalen Pfaden oder Schaltkreisen handelt es sich um Verbindungen zwischen Nervenzellen. Diese Verbindungswege bilden sich im Gehirn durch tägliches Verwenden und Üben, vergleichbar mit einem Gebirgspfad, der sich beim täglichen Begehen durch einen Hirten und seiner Herde bildet. Die Neuronen eines solchen Pfades kommunizieren miteinander über einen Berührungspunkt, die Synapse. Diese Kommunikationswege können das ganze Leben lang regeneriert werden. Jedes Mal wenn neues Wissen erworben wird (durch wiederholtes Praktizieren), wird die synaptische Kommunikation zwischen den Neuronen gestärkt. Eine bessere Kommunikation zwischen den Neuronen bedeutet, dass die elektrischen Signale viel effizienter übertragen werden, wenn ein neuer Pfad gebildet oder verwendet wird. Wenn du beispielsweise versuchst, einen Vogel zu erkennen, werden neue Verbindungen zwischen spezifischen Neuronen angelegt. Die Neuronen der Sehrinde vermerken die Farbe, Neuronen der Hörrinde identifizieren den Gesang und andere den Namen des Vogels. Um zu wissen, um welchen Vogel es sich handelt, werden Attribute wie Farbe, Gesang und Name oft wiederholt. Bei jeder erneuten Verwendung des neuronalen Pfades und bei jeder neuronalen Übertragung zwischen den für diese Information verantwortlichen Neuronen, bei jedem neuen Versuch verbessert sich die Effizienz der synaptischen Übertragung. Die Kommunikation zwischen relevanten Neuronen ermöglicht es, die Kognition ständig zu verbessern. Die Synaptische Plastizität ist wohl der Grundpfeiler auf dem die erstaunliche Formbarkeit des Gehirns ruht.

Neurogenese

Während die synaptische Plastizität durch die Verbesserung der Kommunikation zwischen bestehenden Neuronen an der Synapse erzielt wird, handelt es sich bei der Neurogenese um die Bildung und Vermehrung neuer Neuronen im Gehirn. Lange Zeit wurde die Auffassung als Irrglaube bezeichnet, dass ein erwachsenes Gehirn kontinuierlich Neuronen bilden kann. Viele Wissenschaftler gingen davon aus, dass abgestorbene Neuronen nie wieder durch neue ersetzt werden können. Seit 1944 und insbesondere in den letzten Jahren wurde die Existenz der Neurogenese von der Wissenschaft jedoch anerkannt. Wir wissen jetzt, dass die Neurogenese in den Stammzellen, einem speziellen Zelltyp, der sich im Gyrus dentatus, im Hippocampus und wahrscheinlich auch im präfrontalen Cortex (Hirnrinde) befindet, durch Zellteilung stattfindet: Dadurch entstehen eine Stammzelle und eine mit Axon und Dendriten ausgestattete Nervenzelle. Diese neuen Nervenzellen wandern dann in weiter entfernte Gehirnbereiche, wo sie benötigt werden, und geben damit dem Gehirn die Möglichkeit, die Nachfrage nach Nervenzellen zu befriedigen. Forschungen an Tieren und Menschen haben ergeben, dass ein plötzliches Absterben von Nervenzellen (wie z.B. nach einem Schlaganfall) ein wichtiger Auslöser für die Neurogenese ist.

Funktionale Kompensationsplastizität

Der neurobiologische Verfall, der mit dem Alterungsprozess einhergeht, wird von der Forschungsliteratur gut dokumentiert und erklärt weshalb ältere Erwachsene bei neurokognitiven Leistungstests schlechter abschneiden als junge Erwachsene. Überraschenderweise erzielen jedoch nicht alle älteren Erwachsenen eine schlechtere Leistung. Manche schneiden genauso gut wie ihr jüngeres Gegenüber ab. Dieser unerwartete Verhaltensvorteil einer Untergruppe alternder Personen wurde wissenschaftlich erforscht. Man fand heraus, dass ältere Menschen, die eine bessere Leistung erbringen, bei der Informationsverarbeitung die gleichen Bereiche im Gehirn aktivieren wie die jüngeren Erwachsenen, sie aber zusätzliche Gehirnbereiche nutzen, die von den jungen oder den schlecht abschneidenden älteren Erwachsenen nicht aktiviert werden. Forscher gingen der Frage nach, warum zusätzliche Gehirnbereiche bei besser abschneidenden älteren Personen aktiviert wurden und kamen im Allgemeinen zum Schluss, dass die Verwendung zusätzlicher kognitiver Ressourcen einer Kompensationsstrategie gleichzusetzen ist. Trotz altersbedingter Schwächen und verminderter synaptischer Plastizität, eine weitere Folgeerscheinung des Alterns, zeigt das Gehirn wieder einmal seine vielseitige Plastizität, indem es neurokognitive Netzwerke neu organisiert. Studien zeigen auf, dass das Gehirn diese funktionale Lösung durch die Aktivierung alternativer neuraler Pfade, und zwar durch die Aktivierung von Bereichen in beiden Gehirnhälften (während bei jüngeren Erwachsenen nur eine Hälfte aktiviert wird), erreicht.

Funktion und Verhalten: Lernen, Erfahrung und Umwelt

Wir haben gesehen, dass Plastizität die Fähigkeit des Gehirns ist, seine biologischen, chemischen und physischen Eigenschaften zu verändern. Kommt es zu Veränderungen im Gehirn, werden gleichzeitig verschiedene Funktionen und das Verhalten modifiziert. In den letzten Jahren hat man gelernt, dass Gehirnveränderungen auf genetischer oder synaptischer Ebene durch eine große Vielfalt erfahrungs- und umweltbezogener Faktoren hervorgerufen werden können. Die Fähigkeit, neue Dinge zu lernen, ist die Kernaufgabe der Plastizität. Ein verändertes Gehirn ist wahrscheinlich der beste Beweis dafür, dass ein Lernprozess stattgefunden hat und von der Umwelt möglich gemacht wurde. Im Laufe unseres Lebens gibt es vielfältige Gründe und Formen für neues Lernen, das jederzeit stattfinden kann. Kinder erwerben beispielsweise neues Wissen in großen Mengen, dabei verändert sich in dieser intensiven Lernphase ihr Gehirn sehr stark. Neues Lernen kann auch bei neurologischen Beeinträchtigungen notwendig werden, die zum Beispiel durch Verletzungen oder einen Schlaganfall entstanden sind. In diesen Fällen müssen gestörte Funktionen, die normalerweise von dem geschädigten Gehirnbereich ausgeführt werden, neu erlernt werden. Neues Lernen kann im Wesen eines Menschen stecken und von seinem Wissensdurst geleitet werden. Durch die vielfältigen Umstände, die uns Gelegenheiten für neues Lernen bieten, ergibt sich die Frage, ob sich das Gehirn bei jedem Lernprozess verändert. Studien weisen darauf hin, dass dies nicht der Fall ist. Es scheint, als würde das Gehirn neues Wissen erwerben und dabei das Plastizitätspotential zu nutzen, wenn das neue Lernen für das Verhalten angebracht ist. Damit das neu Erlernte physiologische Spuren im Gehirn hinterlässt, muss es zu entsprechenden Verhaltensänderungen kommen. Anders ausgedrückt heißt das, dass neues Lernen verhaltensrelevant und notwendig sein muss. Wenn das Gelernte beispielsweise überlebenswichtig ist, wird es vom Organismus integriert und als Verhalten übernommen, wobei sich das Gehirn verändert. Noch wichtiger ist vermutlich das Ausmaß der Belohnung, die man durch eine Lernerfahrung erhält. Zum Beispiel ist Lernen durch interaktive Spiele für die Gehirnplastizität besonders förderlich und erhöht außerdem die Aktivität des Präfrontalen Cortex (PFC). In diesem Zusammenhang sind auch Anreize wichtig, mit denen Kinder nach altbewährter Tradition Unterstützung und Belohnung für fleißiges Lernen erhalten.

Bedingungen verstehen, welche die Plastizität fördern können

Wann genau im Leben verändert sich das Gehirn durch entsprechende Umweltstimuli am ehesten? Die Gehirnplastizität scheint in verschiedenen Altersabschnitten unterschiedlich zu sein. Der Zusammenhang zwischen Aktivitäten, welche die Plastizität fördern können, und dem Alter ist jedoch noch weitgehend unerforscht. Doch wir wissen, dass intellektuelle und geistige Aktivitäten bei gesunden älteren Erwachsenen und älteren Erwachsenen mit neurodegenerativen Krankheiten die Gehirnplastizität anregen. Noch wichtiger ist die Erkenntnis, dass das Gehirn auf positive und negative Veränderungen vermutlich bereits vor der Geburt reagieren kann. Tierversuche haben gezeigt, dass, wenn man die Umwelt tragender Muttertiere anregend und stimulierend gestaltet, die Anzahl der Synapsen des Nachwuchses in konkreten Gehirnbereichen höher ist. Im Gegenzug dazu wurde festgestellt, dass die Neuronenanzahl des Nachwuchses im präfrontalen Cortex (PFC) niedriger war, nachdem die Muttertiere Lichtstress ausgesetzt wurden. Außerdem scheint der PFC auf Umwelteinflüsse stärker zu reagieren als der Rest des Gehirns. Diese Erkenntnisse sind in der Diskussion über "Natur" vs. "Umwelt" von großer Wichtigkeit, da vermutlich die Umwelt Veränderungen der neuronalen Genexpression hervorrufen kann. Wie entwickelt sich die Gehirnplastizität und wie sehen die längerfristigen Auswirkungen der Umweltstimuli aus? Dabei handelt es sich um eine für die Therapierung außerordentlich wichtige Frage, die von der genetischen Tierforschung bahnbrechend beantwortet wird: Manche Gene sollen sich bereits nach einer sehr kurzen Stimulation verändern, andere benötigen hingegen eine längere Stimulation, um sich zu verändern und manche zeigen überhaupt keine Änderung oder entwickeln sich genau umgekehrt. Obwohl man dem Wort Plastizität für gewöhnlich eine positive Bedeutung einräumt, bezieht sich Plastizität auf alle Arten der Gehirnveränderung, auch auf Veränderungen, die Funktions- und Verhaltensstörungen bewirken. Das kognitive Training scheint für die Anregung der Gehirnplastizität wie geschaffen zu sein. Damit können durch systematisches Üben neue neuronale Kreisläufe gebildet und synpatische Verbindungen zwischen den Neuronen gestärkt werden. Doch wie bereits erwähnt, lernt das Gehirn nicht effizient, solange es an tatsächlichen Verhaltensvorteilen fehlt. Es ist daher von größter Wichtigkeit, Trainingsziele speziell auf die individuellen Bedürfnisse der Betroffenen anzupassen.

[1]Definition adaptiert von: Kolb, B., Muhammad, A., & Gibb, R., Searching for factors underlying cerebral plasticity in the normal and injured brain, Journal of Communication Disorders (2010), doi:10.1016/j.jcomdis.2011.04.007