Das Geheimnis der neuronalen Reserve

Das Leben ist nicht unbedingt fair, das offenbart sich schon zu seinem Beginn. Manche Menschen kommen mit beeindruckenden Gaben zur Welt, andere sind weniger gesegnet. Und auch gegen Ende des Lebens verteilt die Biologie die Karten unterschiedlich. Zwar kann jeder durch körperliche und geistige Aktivität den Alterungsprozess bis zu einem gewissen Grad beeinflussen. Doch die Genlotterie mischt beim Altern kräftig mit. So kommt es, dass es manchen Menschen mit 80 und 90 noch leichtfällt, konzentriert zu denken, sich Dinge zu merken oder komplexe Entscheidungen zu treffen – während andere schon viel früher geistig abbauen. Genau an dieser Ungleichheit setzt der Sonderforschungsbereich 1436 an. Sein Ziel: herauszufinden, welche neuronalen Ressourcen unser Gehirn besitzt, warum sie bei manchen Menschen stabil bleiben – und wie sie sich trainieren lassen.  

„In unseren Untersuchungen schauen wir uns an, wie sich kognitive Ressourcen – konkret etwa Gedächtnisleistungen im Zuge des Alterns verändern“, sagt die Anatomin und Neurowissenschaftlerin Anne Albrecht von der Uni Magdeburg. Das nehmen die Forscher auf verschiedenen Ebenen unter die Lupe. Auf der sogenannten Makrobene untersuchen sie das Gehirn im Maßstab von mehreren Millimetern bis Zentimetern. Zum Einsatz kommen dabei Methoden wie die funktionelle Magnetresonanztomographie. „Auf der Makroebene geht es darum, wie Gehirnareale miteinander interagieren”, sagt Albrecht. Eine zentrale Rolle für das Gedächtnis spielt der Hippocampus. „Er steht mit zahlreichen anderen Hirnarealen in Verbindung wie beispielsweise dem Neocortex“, erklärt die Neurowissenschaftlerin. „In dessen Netzwerken werden Erinnerungen langfristig abgespeichert.” Die Stärke der Verknüpfung zwischen Hirnarealen sei sehr wichtig für kognitive Ressourcen, betont sie. Manchmal entstehen sogar neue Interaktionen zwischen Arealen, die vorher kaum miteinander kommuniziert haben – ein potenzieller Schutzfaktor gegen den geistigen Abbau.

Zoomt man nun weiter in das Gehirn hinein, gelangt man auf die so genannte Mesoebene, mit einer Auflösung im Bereich von Mikrometern bis hin zu wenigen Millimetern. „Hier schauen wir uns lokale und benachbarte Schaltkreise an, wie zum Beispiel Verschaltungen innerhalb der Hirnrinde oder auch spezifische Inputs“, erklärt Anne Albrecht. So liefert etwa der entorhinale Cortex dem Hippocampus über synaptische Verbindungen wichtige Informationen. Besonders wenn wir uns an ein emotional bedeutsames Ereignis erinnern, speichert das Gehirn Informationen von den verschiedenen Sinnesorganen. Wie sah der Raum aus, in dem ich Freunde getroffen habe? Welche Hintergrundgeräusche waren zu hören? „Der entorhinale Cortex sammelt diese verschiedenen Informationen, verknüpft sie und verarbeitet sie vor”, so Albrecht. „Der Hippocampus entscheidet dann, was in die Gedächtnisspur mit eingeht.” 

Im entorhinalen Cortex sitzen auch sogenannte Gitterzellen. Dabei handelt es sich um spezialisierte Zellen, die eine Art inneres Koordinatensystem erstellen. Sie feuern bei der Fortbewegung in einem regelmäßigen Muster, das sich wie ein Gitter über den Raum legen lässt. Das macht sie zu einem neuronalen Navigationssystem, mit dessen Hilfe man sich räumlich orientiert. „Allein deshalb sind die Gitterzellen schon eine wichtige neuronale Ressource”, sagt der Psychologe und Neurowissenschaftler Thomas Wolbers vom DZNE Magdeburg. Eine Ressource allerdings, die Alzheimer-Patienten schon früh im Krankheitsverlauf abhandenkommt. Doch Wolbers interessiert noch etwas anderes: Das Gitterzellsystem könnte auch für das episodische Gedächtnis wichtig sei – also dafür, was, wann und wo passiert ist. Und auch das episodische Gedächtnis funktioniert nicht mehr bei Betroffenen mit fortgeschrittener Alzheimererkrankung. 

Doch auch bei normal alternden Menschen zeigen sich mit den Jahren Veränderungen im Gitterzellsystem. Wolbers und seine Kollegen treibt deshalb eine Hypothese um: Könnte die unterschiedliche Anfälligkeit des Gitterzellsystems entscheidend dafür sein, ob bei einem Menschen das episodische Gedächtnis und die räumliche Orientierung erhalten bleiben oder nachlassen? Um das zu prüfen, vergleichen sie Alzheimer-Patienten, normal alternde Personen und sogenannte Superager – Hochbetagte jenseits der 80, deren Gedächtnisleistung denen von Menschen ähneln, die gut 30 Jahre jünger sind. „Wir vermuten, dass bei Superagern das Gitterzellsystem als neuronale Ressource noch intakt ist“, sagt Thomas Wolbers. Untersuchungen an Gehirnen von Verstorbenen zeigen etwa, dass der enthorinale Cortex bei Superagern strukturelle Besonderheiten aufweist – teilweise sind bei ihnen die Neurone größer.   

Doch nicht jede kognitive Ressource ist so anfällig. „Im visuellen Cortex gibt es spezialisierte Nervenzellen, die verstärkt feuern, wenn Probanden beispielsweise eine bestimmte Farbe an einem Objekt sehen“, sagt der Neurowissenschaftler Jens-Max Hopf von der Universität Magdeburg. Lange war unklar, wie das Gehirn unterschiedliche Farben eines Objekts scheinbar gleichzeitig verarbeitet. Experimente aus Hopfs Arbeitsgruppe zeigen, dass der visuelle Cortex wahrscheinlich kein wirklicher Multitasker ist. Er arbeitet die Sinneseindrücke vielmehr nacheinander ab: Wenden Probanden etwa ihre Aufmerksamkeit zwei Gruppen von Punkten zu, die ihre Farbe wechseln, verarbeitet der visuelle Cortex erst die eine Gruppe – und etwa 500 Millisekunden später die andere. Erste Daten deuten darauf hin, dass dieser Mechanismus der visuellen Wahrnehmung im Alter vergleichsweise stabil bleibt. „Abbauprozesse im visuellen Cortex scheinen eine geringere Rolle zu spielen – eine mögliche robuste kognitive Ressource.“ 

Zoomt man im Gehirn noch tiefer, gelangt man auf die Mikroebene. Hier geht es um Strukturen im Mikrometerbereich und darunter, um Neurone und Synapsen. Diese untersuchen Forscher beispielsweise mit dem Elektronenmikroskop. „Wichtig für kognitive Ressourcen sind dabei synaptische Verbindungen”, sagt Anne Albrecht. Wenn wir etwas lernen, beginnen Neurone optimiert miteinander zu kommunizieren. Das geschieht über die synaptischen Verbindungen. „Im Alter kann es dann sein, dass die Gedächtnisfunktion nicht mehr so gut funktioniert“, so Albrecht. Das könne daran liegen, dass man neue Verbindungen nicht mehr gut ausbilden kann, bestehende Verbindungen zugrunde gehen oder die Grundlage für eine Verbindung fehlt, weil Neurone im Zuge von Neurodegeneration verloren gegangen sind. Eine kognitive Ressource wiederum könnte darin bestehen, schon in jüngeren Jahren durch Training mehr synaptische Verbindungen zu schaffen, etwa durch das Lernen von mehreren Sprachen, durch das Erlernen eines Musikinstruments oder durch höhere Schuldbildung. „Durch einen größeren Grundstock an Verbindungen würde es im Zuge des Alterns nicht so schnell zum Verlust von Gedächtnisleistungen kommen.“
 
Die Frage, ob eine höhere Synapsendichte vor geistigem Abbau schützt, untersucht Henryk Barthel, Nuklearmediziner des Universitätsklinikums Leipzig und des Städtischen Klinikums Dessau. Erst seit Kurzem lässt sich die Synapsendichte auch bei lebenden Menschen mit Positronenemissionstomografie (PET) bildgebend erfassen. Es gibt laut Barthel erste Hinweise, dass insbesondere bei der Alzheimer-Erkrankung die Synapsendichte in bestimmten Hirnregionen wie dem Hippocampus reduziert ist. Und das lässt sich möglicherweise relativ früh im Krankheitsverlauf beobachten. „Eine Hoffnung ist, dass man mit der Bildgebung der Synapsendichte die Frühdiagnose verbessern kann.“ Barthel und seine Kollegen schauen sich das andere Ende des Spektrums an, nämlich die Superager. Der Hypothese der Forscher: Superager haben eine bessere Hirnreserve und reagieren daher besser auf Alterungsprozesse. „Möglicherweise besteht diese Hirnreserve in einer höheren Dichte von Synapsen”, so Barthels.

Und womöglich spielt hier nicht nur die Anzahl, sondern auch die Art der Synapsen eine Rolle. Denn neben den erregenden Neuronen, die Informationen einfach weitergeben, existieren auch hemmende. „Sie beeinflussen, ob und wie Informationen weitergeben werden”, sagt Anne Abrecht. Und einige helfen dabei „… nicht relevante Informationen über die Umgebung, den Kontext, zu unterdrücken wenn gleichzeitig spezifische Informationen vorhanden sind.” Konzentration ist also immer auch eine Sache funktionierender neuronaler Hemmung.

Nun hat nicht jeder das Glück, ein Superager zu sein. Doch selbst nachlassende Ressourcen lassen sich offenbar bis zu einem gewissen Grad kompensieren. Diesen Effekt nimmt der Neuropsychologe Markus Ullsperger unter die Lupe. Um nachzustellen, was im alternden Gehirn passiert, hält er junge, gesunde Erwachsene wach. Schlafentzug dient hier als Modell dafür, wie im Alter neuronale Ressourcen nachlassen. So können die Forscher untersuchen, wie das Gehirn damit umgeht. 

„In Folge von Schlafentzug werden lokale Anteile von Hirnregionen bei der Bearbeitung von Aufgaben einige 100 Millisekunden lang in einen schlafähnlichen Zustand versetzt“, sagt Ullsperger. Das könne etwa den Okzipital- und Parietalcortex betreffen. „Dadurch können diese Hirnregionen in dieser Zeit ihre normalen Aufgaben nicht übernehmen.“ Das schränkt Ressourcen ein, etwa Wahrnehmung und Aufmerksamkeit – die Betroffenen machen mehr Fehler. Hier kommt nun das sogenannte kognitive Kontrollnetz im Gehirn ins Spiel, das Handlungen überwacht und auf Fehler achtet. Es basiert auf der Interaktion zwischen präfrontalen und parietalen Arealen, sowie den Basalganglien. „Dieses Netz kann die neuronalen Ressourcen bündeln, die ein Mensch gerade hat.” Dadurch ermögliche es beispielsweise, die Aufmerksamkeit auf eine Aufgabe zu verbessern und damit auch die Leistungsfähigkeit. Die Hoffnung von Ullsperger und seinen Kollegen: mit Hilfe des kognitiven Kontrollnetzwerks die geistige Leistungsfähigkeit bei verminderten Ressourcen zu verbessern. 
 
Das Gehirn ist wohl das komplexeste Organ, das wir haben. Womöglich auch das wichtigste, denn an ihm hängen unsere gesamten geistigen Fähigkeiten. Die Superager-Forschung ebnet mit ihren Erkenntnissen möglicherweise den Weg, das Leben neurobiologisch betrachtet ein bisschen fairer zu machen – damit mehr Menschen geistig gut altern.