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 Wie Reize auf dem Weg ins Bewusstsein versickern
22.09.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Lebendiges Gewebe aus dem Drucker
22.09.2017 | Universitätsklinikum Freiburg

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: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie