Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das menschliche Hirn wächst länger und funktionsspezifischer als gedacht

18.01.2017

Wie wirken sich Entwicklungen in der Kindheit auf das Nervengewebe im Gehirn aus? Anders als bisher angenommen, wächst in bestimmten Bereichen des Gehirns das Gewebe bis ins Erwachsenenalter. Das zeigte eine in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Studie.

"Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Gewebestruktur und unserer Fähigkeit, Gesichter zu erkennen", erklärt Prof. Katrin Amunts, Direktorin des Jülicher Instituts für Neurowissenschaften und Medizin. Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam aus Jülich, Aachen, Düsseldorf, Jerusalem und Stanford analysierte dazu die Gehirne von Kindern und Erwachsenen in einem Magnetresonanztomografen und im Mikroskop.


Karten aus dem JuBrain-Atlas für zwei Regionen des Gysus Fusiformus

Der Gyrus Fusiformis, dargestellt von der Unterseite des Gehirns. Die dunklen Bereiche zeigen Furchen, die hellen Bereiche entsprechen Windungen. Die beiden Areale für das Erkennen von Gesichtern und Orten sind durch Wahrscheinlichkeits-Karten repräsentiert: Sie zeigen an, wie wahrscheinlich es ist, dass dieses Areal an einer bestimmten Stelle gefunden wird (höchste Wahrscheinlichkeit in Rot). Die Befunde basieren auf Kartierungen an Gewebeschnitten, die das Forschungszentrum Jülich auch der Öffentlichkeit über den JuBrain-Atlas zur Verfügung stellt. Die Funktion - also ob ein Areal in Orts- oder Gesichtserkennung eingebunden ist - wurde durch die Überlagerung der Karten mit den Ergebnissen funktionell bildgebender Untersuchungen (funktionelle MRT) festgestellt. Die anschließende Analyse der Feinstruktur der Hirnschnitte ermöglichte den Rückschluss auf das Wachstum der Dendriten.

Copyright: Forschungszentrum Jülich

Schon im Mutterleib nimmt das menschliche Gehirn Informationen auf und verarbeitet sie. Kommt ein Baby zur Welt, kann es sehen, hören und auf Berührungen reagieren. Allerdings sind all diese Funktionen noch nicht ausgereift. Bedingt durch Wahrnehmung und Erfahrung nimmt die Zahl der Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen in den ersten drei Lebensjahren rasant zu.

Mit zwei Jahren entspricht die Menge der Synapsen derjenigen von Erwachsenen; ein Dreijähriger hat mit einer Anzahl von 200 Billionen bereits doppelt so viele. Bis zum Jugendalter wird dann rund die Hälfte davon wieder abgebaut, bis die für Erwachsene typische Menge von 100 Billionen erreicht wird. Man nahm bisher an, dass ein großer Teil der Gehirnentwicklung und plastischen Anpassung an Lebensbedingungen bei Kindern im Abbau der für ihre Lebenswelt nicht relevanten Synapsen besteht, dem sogenannten "Pruning" oder der "Ausdünnung".

Die Wissenschaftler untersuchten über mehrere Monate die funktionelle Organisation und mikroskopische Struktur von Gehirnen von Kindern und jungen Erwachsenen. Die Kinder in der Studie waren zwischen fünf und zwölf Jahre alt, die Erwachsenen zwischen 22 und 28 – ein Alter, in dem bisher die strukturelle und funktionelle Entwicklung des sogenannten Schläfenlappens, einem Teil des Großhirns, als abgeschlossen angesehen wurde.

Sie konzentrierten sich dabei auf eine bestimmte Hirnregion, den sogenannten Gyrus fusiformis, der unter anderem wichtige Strukturen für kognitive Leistungen wie Gesichts- und Worterkennung, aber auch für die Erkennung bestimmter räumlicher Aspekte sowie für Symbole (z.B. Buchstaben) enthält.

Alle Versuchsteilnehmer betrachteten eine Reihe von Bildern: Gesichter, Körper, Orte, Objekte und Symbole. Mithilfe von funktioneller Magnetresonanztomografie identifizierten die Forscher dabei die Bereiche des Gehirns mit der größten spezifischen Aktivität für diese Stimuli. So lokalisierten sie zwei benachbarte Hirnregionen: Mit der einen erkennt der Mensch Orte, mit der anderen Gesichter.

Erst Erwachsene können sich Gesichter gut merken

Ein Vergleich der Daten zeigte zusätzliches Gewebe bei den Erwachsenen – jedoch nur in einer der beiden Hirnregionen, der für die Gesichtserkennung. Die Forscher vermuten, dass besonders das Wachstum der sogenannten Dendriten – Zellfortsätze der Nervenzellen, welche vorwiegend der Reizaufnahme dienen – für das zusätzliche Gewebe sorgt. "Dendriten sammeln Informationen aus unterschiedlichen Hirnregionen und bringen sie zu den einzelnen Nervenzellen", erklärt Karl Zilles, JARA Senior-Professor am Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin und an der Klinik für Psychiatrie der RWTH Aachen. "Wir denken, dass sich die Dendriten und somit auch Synapsen sowie das Myelin um die dort vorhandenen Axone der Nervenzellen stark in der Region für Gesichtserkennung entwickeln."

Die Fähigkeit, Gesichter zu erkennen, ist bei Kindern noch nicht voll ausgeprägt. Sie wird im Laufe des Erwachsenwerdens entwickelt. Auch diese Annahme überprüften die Wissenschaftler. Sie unterzogen die Kinder und Erwachsenen zwei verschiedenen Tests, um festzustellen, wie gut sie Gesichter und Orte wiedererkennen konnten. Für die Gesichtserkennung benutzten sie eine Variante des sogenannten Cambridge Face Memory Tests. Dieser prüft die Fähigkeit, einmal gesehene Gesichter wiederzuerkennen, unter zunehmend schwierigeren Bedingungen – etwa die Paarung mit ähnlichen Gesichtern, anderen Lichtverhältnissen oder überlagerten Bildstörungen. Während die Originalform des Cambridge-Tests mit Gesichtern von erwachsenen Männern arbeitet, wurden hier Bilder von Kindergesichtern verwendet – denn für die jungen Testteilnehmer ist es schwieriger, Gesichter von Erwachsenen auseinanderzuhalten. Für die Ortserkennung wurde ein ähnlicher Test benutzt, in dem Häuser und Korridore wiederzuerkennen waren.

Kinder schnitten bei beiden Tests ähnlich ab. Anders war es bei den Erwachsenen. "Sie konnten sich einmal eingeprägte Gesichter wesentlich besser merken als Orte", erklärt Katrin Amunts. "Das unterstützt die Hypothese, dass Gesichtserkennung eine Fähigkeit ist, die sich noch im Jugendalter weiterentwickelt." Diese Entwicklung hängt eng zusammen mit dem Wachstum von Dendriten, Synapsen und Myelin in der entsprechenden Region im Schläfenlappen. "Im Hirnareal für Gesichtserkennung war das Gewebewachstum nachzuweisen, nicht jedoch im Gebiet für Ortserkennung. Dies stimmt mit den funktionellen Befunden perfekt überein", stellt Karl Zilles fest.

Ähnliche Wachstumsprozesse seien auch in anderen Bereichen zu vermuten, so Amunts – etwa im Sprachzentrum. "Schließlich entwickeln sich die sprachlichen Fähigkeiten über einen relativ großen Zeitraum." Die vorliegende Publikation zeigt somit erstmals ein regional- und funktionsspezifisches Wachstum bestimmter, aber nicht aller Hirnregionen im Zeitraum zwischen Kindes- und Erwachsenenalter.

Originalpublikation:

"Microstructural proliferation in human cortex is coupled with the development of face processing" Jesse Gomez, Michael A. Barnett, Vaidehi Natu, Aviv Mezer, Nicola Palomero-Gallagher, Kevin S. Weiner, Katrin Amunts, Karl Zilles, Kalanit Grill-Spector, Science 06 Jan 2017, Vol. 355, Issue 6320, pp. 68-71, DOI: 10.1126/science.aag0311, http://science.sciencemag.org/content/355/6320/68

Weitere Informationen:

Institut für Neurowissenschaften und Medizin
Bereich Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns (INM-1):
http://www.fz-juelich.de/inm/inm-1/DE/Home/home_node.html

JuBrain: Juelich Brain Model (englisch):

http://www.fz-juelich.de/JuBrain/EN/_node.html

Youtube-Video der Stanford University (englisch):

https://www.youtube.com/watch?v=YmGpgS4c6IM

Ansprechpartner:

Prof. Katrin Amunts
Institut für Neurowissenschaften und Medizin
Bereich Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns (INM-1)
Tel.: 02461 61-4300
Email: k.amunts@fz-juelich.de

Prof. Karl Zilles
Institut für Neurowissenschaften und Medizin
Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns
Tel.: 02461 61-3015
Email: k.zilles@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation
Tel.: 02461 61-9054
Email: r.panknin@fz-juelich.de

Dr. Regine Panknin | Forschungszentrum Jülich GmbH
Weitere Informationen:
http://fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht
25.04.2018 | Universitätsklinikum Heidelberg

nachricht Demographie beeinflusst Brutfürsorge bei Regenpfeifern
25.04.2018 | Max-Planck-Institut für Ornithologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht

25.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Erkheimer Ökohaus-Pionier eröffnet neues Musterhaus „Heimat 4.0“

25.04.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

25.04.2018 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics