Die Entwicklung eines Gehirns

Grafik: MW

Author: Dr. Manuela Lenzen

Unser Gehirn ist die komplexeste Struktur, die wir kennen: Rund 86 Milliarden Nervenzellen, verbunden in einem einzigartigen Muster durch Billionen Synapsen. Bis es ausgereift ist, dauert es Jahre. Wirklich fertig wird es nie.

Scientific support: Prof. Dr. Mark Hübener

Published: 17.03.2016

Difficulty: serious

Das Wichtigste in Kürze

Die Entwicklung des Organismus beginnt mit zahlreichen Zellteilungen. Aus der befruchteten Eizelle entsteht die Morula, dann die Blastula. In ihr finden sich die Zellen zusammen, aus denen der Embryo entsteht.
Die Gehirnentwicklung beginnt um den 18. Tag mit der Abschnürung des Neuralrohrs.
Später entstehen erst die Hirnbläschen, um die sechste Woche dann die Anlagen zu den großen Hirnstrukturen.
Die Bildung der typischen Furchen des Großhirns setzt um die 24. Woche ein und dauert etwa bis zum ersten Geburtstag fort.
Wachstumsfaktoren und Nachbarzellen leiten die Neuronen an ihren Platz im Gehirn.
Neuronen und Synapsen werden zuerst in viel zu großer Zahl gebildet, nur die stabilsten bleiben bestehen. So stellt sich das Gehirn auf seine Umwelt ein.
Das Gehirn ist mit der Geburt keineswegs fertig, vielmehr beginnt nach der Geburt ein enormes Wachstum.
Radiale Gliazellen bilden den Ursprung vieler Neuronen.

Radiale Gliazellen bilden Neuronen

Bei der Entwicklung des Gehirns spielt eine besondere Art von Gliazellen eine wichtige Rolle, die radialen Gliazellen. Radiale Gliazellen entstehen zu Beginn der Neurogenese aus den Epithelzellen des Neuralrohrs. Als „Progenitorzellen“ stehen sie zwischen den Stammzellen und den ausdifferenzierten Zellen: Sie können einige, aber nicht alle Zellarten hervorbringen, wie Studien zeigen. Ein Teil der radialen Gliazellen erzeugt andere Arten von Gliazellen, darunter die Oligodendrozyten, die Isolierhüllen der Axone, und die Astrozyten, die erst als Wegweiser und später unter anderem als Ernährer der Neurone wirken. Ein anderer Teil aber generiert bei der Teilung die Neuronen selbst. Im späten Entwicklungsstadium des Embryos und nach der Geburt haben sich die meisten radialen Gliazellen zu anderen Zellformen ausdifferenziert. Aus den verbleibenden können bis ins hohe Alter weiter Neuronen entstehen.

Auch die komplexeste Struktur des Körpers beginnt ihre Entwicklung mit dem Zusammentreffen von Ei– und Samenzelle: Etwa 24 Stunden nach der Befruchtung haben sich die mütterlichen und väterlichen Chromosomen zur Erbanlage des neuen Individuums zusammengefunden. Die erste Zellteilung beginnt. Nach 96 Stunden ist aus der befruchteten Eizelle ein Ball aus etwa 30 Zellen entstanden, der ein wenig aussieht wie eine reife Maulbeere, daher sein Name: Morula. Die Zellen der Morula sind winzig, denn die ersten Zellen teilen sich durch Furchung immer wieder in zwei Hälften, ohne an Größe zuzulegen. In der Morula beginnen sich die Zellen in äußere und innere zu differenzieren. Drei bis vier Tage nach der Befruchtung hat sich Flüssigkeit in der Mitte der Zellkugel gesammelt – aus der Morula ist die Blastocyste geworden. An einer Stelle dieser Hohlkugel bildet sich aus den innersten Zellen ein kleiner Haufen, Embryoblast genannt. Nur aus diesen Zellen entsteht der Embryo, aus den übrigen werden Hilfsorgane wie die kindlichen Anteile der Plazenta und die Eihäute.

Während der Embryo den Eileiter hinunter wandert und die Mutter von den Vorgängen in ihrem Körper noch gar nichts ahnt, schreitet die Arbeitsteilung im werdenden Menschen voran. Die Zellen des Embryoblast falten sich zu den drei Keimblättern Endoderm, Mesoderm und Ektoderm. Aus dem Endoderm entstehen später die inneren Organe, aus dem Mesoderm Knochen, Muskeln und Bindegewebe. Aus dem Ektoderm entsteht die Haut – und, in einem Prozess namens Neurulation, das zentrale Nervensystem samt Gehirn.

Am 18. Lebenstag des Embryos, also etwa um die Zeit, zu der die Mutter feststellt, dass sie schwanger sein könnte, bildet sich im Ektoderm eine erste Vertiefung, die sich kurz darauf abschnürt: das Neuralrohr, der Vorläufer des Rückenmarks. An seinem vorderen Ende bilden sich drei Ausstülpungen, Hirnbläschen genannt. Der Embryo hat seine Wanderung inzwischen beendet und sich einen Platz in der Gebärmutterschleimhaut gesucht. Er ist jetzt etwa zwei Millimeter groß.

In den folgenden Tagen knickt der oberste Bereich des Neuralrohrs mit den Hirnbläschen ein wenig ab, erste Ansätze der Hirnhälften werden erkennbar. Massive Zellwanderungen führen dazu, dass dieser Bereich sich stark vergrößert und immer deutlicher vom Rückenmark unterscheidet. Vier Wochen nach der Befruchtung bilden sich die Augenflecken und das Herz beginnt zu schlagen. Nach sechs Wochen entstehen die Anlagen zu Hirnstrukturen wie Brücke und Kleinhirn, Thalamus, Basalganglien und Großhirnrinde. In der neunten Woche, winzige Finger und Zehen sind schon zu erkennen, beginnt das Rückenmark, erste Bewegungen zu steuern.

Nach drei Monaten ist der Embryo, der inzwischen Fetus heißt, zwölf Zentimeter groß, hat gut ausgebildete Strukturen im Mittel– und Hinterhirn, aber seine Großhirnrinde ist noch glatt und undifferenziert. Erst um die 24. Woche bilden sich die ersten Furchen, wie sie für das menschliche Gehirn typisch sind. Dieser Prozess setzt sich auch nach der Geburt fort – bis etwa zum ersten Geburtstag des Kindes.

Wanderwege durch das Gehirn

Der Aufbau des menschlichen Gehirns ist nur in groben Zügen genetisch vorgegeben. Seine Feinstruktur ist das Ergebnis eines komplexen Organisationsprozesses, bei dem auch Umweltfaktoren eine Rolle spielen. Dazu gehören die Ernährung der Mutter und eventuelle Erkrankungen oder Kontakte mit Giftstoffen Wie die Schwangere, so die Kinder.

Die jungen Neuronen entstehen aus Stammzellen in einer Gewebeschicht des Neuralrohrs. Um sich eine grobe Vorstellung von diesem Prozess zu machen, kann man die Anzahl der Neuronen im Gehirn durch die Monate der Schwangerschaft teilen: dann erhält man einen durchschnittlichen Wert von 250.000 neuen Neuronen pro Minute. Von dort wandern sie an ihre Zielorte im Gehirn und beginnen bereits während dieser Wanderung, sich für ihre Aufgabe zu spezialisieren: in Sehzellen etwa oder Riechzellen. Was ihre Aufgabe sein wird, hängt von ihrer Entstehungszeit und von chemischen Faktoren in ihrer Umgebung ab. Zuerst entstehen die inneren Schichten des Großhirns, die jüngeren Zellen wandern an den älteren vorbei und bilden die weiter außenliegende Schicht. Dabei nutzen sie radiale Gliazellen, eine Art der Gliazellen, deren lange Fortsätze quer zur Schichtung des Gehirns nach außen wachsen, als eine Art Geländer, an dem sie sich entlanghangeln (siehe Info-Kasten).

Ist ein Neuron an seinem Platz angekommen, muss es sich mit seiner Zielregion verbinden. Sitzt ein Neuron etwa in der Netzhaut des Auges, muss es an das Sehzentrum im Thalamus andocken. Dazu streckt es einen „Arm“ aus, einen Neuriten, an dessen Spitze ein Wachstumskegel sitzt Das Neuron: Form und Funktion. Er bahnt dem Neuriten, etwa einem Axon, den Weg durch das dichte Gewebe, manchmal sogar bis in die andere Hälfte des Gehirns. Wohin dieser Wachstumskegel wächst, bestimmen zum einen anziehende und abstoßende Stoffe auf den Oberflächen der umgebenden Zellen. „So können richtige Straßen oder Kanäle entstehen, an denen sich die Neuriten orientieren“, erklärt Paul G. Layer, Professor für Entwicklungsbiologie und Neurogenetik an der Technischen Universität Darmstadt. Zum anderen beeinflussen Wachstumsfaktoren, wohin der Neurit sich reckt. Das sind kleine Proteine, die von den Zielregionen der Neuriten ausgesandt werden und die der Wachstumskegel mit Rezeptoren auf seinen zahlreichen Tentakeln wahrnehmen kann. „Anders als die Stoffe auf den Zelloberflächen können die Wachstumsfaktoren über gewisse Entfernungen hinweg wirken“, erklärt Layer. Der Neurit wächst dann dorthin, wo die Konzentration des Wachstumsfaktors am höchsten ist.

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Hat der Wachstumskegel sein Ziel erreicht, ist das Neuron noch längst nicht fertig. „Erst muss der Zellkern davon erfahren, dass der Neurit angekommen ist“, sagt Layer: „Dazu muss der Wachstumsfaktor rückwärts durch den Neuriten in den Zellkörper befördert werden. Dort angekommen, löst er eine Signalkaskade aus, die im Zellkern dazu führt, dass Gene für den Fortbestand des Neurons aktiviert werden. Bleibt dieses Signal aus, weil der Neurit sein Ziel nicht gefunden hat, fällt das Neuron in Apoptose, das heißt es begeht Selbstmord.“ Der Wachstumsfaktor ist also eher ein Überlebensfaktor.

Tatsächlich führt die massenhafte Produktion von Neuronen im Gehirn des Embryos dazu, dass es zeitweise viel zu viele Neurone gibt. Sie konkurrieren miteinander: Nur die mit den stabilsten Verbindungen bleiben bestehen. Bis zu 80 Prozent der Neurone werden wieder abgebaut.

Ein Großteil der erfolgreichen Axone wird später von Oligodendrozyten, einer Art der Gliazellen, umkleidet Gliazellen – Unterschätzter Klebstoff. Diese so genannte Myelinisierung beginnt in den ältesten Strukturen des Gehirns, dem Hirnstamm Der Hirnstamm, und setzt sich bis in die jüngsten fort. Sie isolieren die Axone von den Vorgängen in ihrer Umgebung und ermöglichen eine bis zu hundert Mal schnellere Weiterleitung der elektrischen Impulse, mit denen die Zellen kommunizieren Nervenzellen im Gespräch. Im Frontallappen des Großhirns dauert die Myelinisierung das ganze Leben lang an Der Frontallappen.

Endlich draußen

Das Gehirn ist bei der Geburt des Kindes keineswegs fertig. Die Geburt ist vielmehr Startschuss zu einem enormen Wachstumsschub: Im ersten Lebensjahr wächst das Gehirn um das Dreifache, der Kopf erreicht drei Viertel seiner erwachsenen Größe. Dieser Wachstumsschub geht zum Teil auf die Entstehung neuer Neuronen und zum Teil darauf zurück, dass die Nervenfasern durch die Myelinisierung dicker werden und die Neurone zahlreiche Synapsen zu ihren Nachbarn aufbauen. Dieser Aufbau von Synapsen geschieht zunächst einmal rasant und wahllos, so als würde man auf einer Party erst einmal versuchen, mit „speed dating“ alle Anwesenden kennenzulernen. Mit drei Jahren haben Kinder doppelt so viele Synapsen wie Erwachsene. Auf der Party muss man sich irgendwann entscheiden, mit wem man sich tatsächlich unterhalten möchte. Ähnlich ergeht es den Neuronen: Nur die aktivsten Synapsen bleiben erhalten, die anderen werden abgebaut Bildhauern mit dem Meißel der Erfahrungen. Dieser Prozess heißt synaptic pruning und dauert bei Wirbeltieren bis zum Einsetzen der Pubertät an. Er kann uns in der Kindheit phasenweise viele Milliarden Synapsen täglich kosten. Das klingt bedrohlich, führt aber dazu, dass die kognitiven Prozesse effizienter funktionieren.

Diese langsame Entwicklung des Gehirns unter massivem Einfluss der Erfahrungen, die ein Kind in seiner Umwelt erlebt, macht den Menschen so anpassungsfähig, so klug, aber auch so beeinflussbar.

zum Weiterlesen:

Dan H. Sanes, Thomas A. Reh, William A. Harris: Development oft he Nervous System. Elsevier Publisher 2012.
Lise Eliot: Was geht da drinnen vor? Die Gehirnentwicklung in den ersten fünf Lebensjahren. Berlin 2001.
Mari Sild, Edward S. Ruthazer: Radial Glia: Progenitor, Pathway, and Partner. Neuroscientist June 2011 vol. 17 no. 3288 – 302 (abstract).
Online-Embryologiekurs für Studierende der Medizin. Entwickelt von den Universitäten Fribourg, Lausanne und Bern (Schweiz); zur Webseite.