Weiß, aber nicht unbeschrieben - Modifikationen der weißen (Gehirn-)Substanz durch Training
Gehirnjogging und Geschicklichkeitsspiele regen – zumindest behauptet es der Volksmund – unsere grauen Zellen an. Für gewöhnlich bezieht sich dieser Ausspruch auf unser Gehirn im Allgemeinen. Schaut man sich das Ganze allerdings ein wenig genauer an, stellt man fest, dass nicht alles grau in grau ist in unserem Oberstübchen. Vielmehr lassen sich in den meisten Strukturen des Zentralnervensystems Regionen, die Nervenzellkörper (Somata) enthalten von solchen, die keine Zellkörper sondern lediglich Nervenzellfortsätze (Dendriten und Axone) enthalten, unterscheiden. Aufgrund des schon im unbehandelten Zustand erkennbaren Unterschieds der Färbung dieser beiden Regionen, nennt man erstere Bereiche allgemein graue Substanz, während man letztere als weiße Substanz bezeichnet. Je nachdem welche Region oder Struktur des Zentralnervensystems wir betrachteten, verändern sich zwar die Formen der Schichten, aber die Schichtung bleibt nahezu überall erhalten.
Soviel dazu ... Was aber hat das jetzt
mit Denksport und den umgangssprachlichen grauen Zellen zu tun?
Richtig, wir bemühen keine einheitliche graue Masse. Zugegeben, das
klingt nach Haarspalterei. Wenn wir allerdings im Zuge einer geistig
oder koordinativ anspruchsvollen Aufgabe neue Fähigkeiten erlernen,
wird schnell klar, dass diese Haarspalterei durchaus angebracht sein
könnte. Lernvorgänge erfordern durchweg Umstrukturierungen unserer
Nervenschaltkreise. Bisher wurden derartige erfahrungsabhängige
Veränderungen der Netzwerkstruktur hauptsächlich in der grauen
Substanz nachgewiesen, wobei den beobachteten Strukturveränderungen
zelluläre Prozesse wie z.B. Synaptogenese und Verzweigung von
Dendriten zugrunde liegen können. Eine Gruppe von Hirnforschern um
Heidi Johansen-Berg von der Universität Oxford konnte nun erstmals
mittels moderner bildgebender Verfahren im Magnetresonaztomographen
(MRT) zeigen, dass das Training einer komplexen Aufgabe (hier
Jonglieren) auch zu erfahrungsabhängigen Modifikationen der weißen
Substanz im gesunden menschlichen Gehirn führt.
Mittels Diffusion Tensor Imaging (DTI)
einer MR-Methode, die es erlaubt das Diffusionsverhalten von Wasser
im Gewebe zu erfassen, waren die Wissenschaftler in der Lage, sich
einen Eindruck der Mikrostruktur in der weißen Substanz der
Probanden zu verschaffen. Durch entsprechende mathematische Verfahren
ist es möglich, die sogenannte fraktionelle Anisotropie (FA), ein
Maß für die Richtungsabhängigkeit der Wasserdiffusion, zu
errechnen, was Rückschlüsse auf die anatomische Beschaffenheit der
weißen Substanz, wie Durchmesser der Axone, Faserdichte und
Myelinisierungsgrad zulässt.
Während sich bisher ausschließlich
Querschnittsstudien mit dem Einfluss von Erfahrung und Übung auf die
Struktur und Integrität der weißen Substanz befasst haben, führten
die Forscher aus Oxford nun erstmals eine Längsschnittstudie durch.
48 Probanden wurden in zwei Gruppen à 24 Personen eingeteilt. Eine
Gruppe erhielt 6 Wochen lang Jongliertraining, während die Probanden
der anderen Gruppe keinen Jonglierunterricht nahmen. Nach der
Trainingsphase waren alle Probanden in der Lage, drei Bälle zwei
klassische Jonglierkaskaden in der Luft zu halten. Beide Gruppen
wurden insgesamt dreimal im MRT-Scanner untersucht. Einmal vor und
ein zweites Mal nach den 6 Wochen Jongliertraining, sowie ein drittes
Mal nach 4 Wochen ohne Jonglieren.
Im Verlauf der Datenanalyse zeigte
sich, dass die trainierte Subgruppe eine spezifische und signifikante
Zunahme der fraktionalen Anisotropie im rechten posterioren
intraparietalen Sulkus aufwiesen, die auch nach der vierwöchigen
Pause weiterhin signifikant blieb. Zusätzlich zu diesen
Veränderungen in der weißen Substanz wies die trainierte Gruppe auch
eine spezifische Zunahme der Dichte in der grauen Substanz auf. Diese
Zunahme der Dichte war im medialen Okzipital- und Parietallappen in
räumlicher Nähe der FA-Zunahme lokalisiert. Die Forscher vermuten,
dass es sich bei den Gehirnregionen, die Veränderungen durchlaufen,
genau um die Regionen handelt, die an der Koordination der komplexen
motorischen Aufgabe des Jonglierens beteiligt sind.
Interessanterweise korrelieren die beobachteten strukturellen
Modifikationen nur in einem kleinen Volumen der grauen Substanz mit
dem tatsächlichen Trainingsfortschritt. Vielmehr scheinen die
Modifikationen mit der Zeit, die für das Training aufgewendet wird
zusammenzuhängen, da diese innerhalb der Studie konstant gehalten
wurde. Weiterhin waren die Regionen in denen Veränderungen weißer
und grauer Substanz auftraten zwar räumlich sehr nah beieinander,
allerdings konnten die Forscher keine Korrelation zwischen den
Beträgen beider Modifikationen finden, was auf eine relative
Unabhängigkeit der Umstrukturierungsprozesse hindeutet. Um mehr über
das exakte Zusammenspiel zwischen den Modifikationen der weißen und
grauen Substanz zu erfahren, werden in Zukunft weitere Studien nötig
sein.
Auch was die biologische Interpretation der Ergebnisse angeht, stehen die Wissenschaftler vor einer Herausforderung, denn wie einleitend bereits erläutert, handelt es sich bei der für die Analysen genutzten fraktionellen Anisotropie um ein indirektes Maß. Als solches lässt sie keinen genauen Rückschluss darauf zu, ob ein einzelner oder mehrere die FA bestimmende Faktoren Veränderungen durchlaufen, die die FA-Veränderung bedingen. Zur Erinnerung: Die Größe FA liefert einen Eindruck über die Mikrostruktur der weißen Substanz und reflektiert damit eine Mischung aus Axondurchmesser, Axondichte und Myelinisierungsgrad. Veränderungen dieser Faktoren können die Verhaltensleistung beeinflussen indem sie die Leitgeschwindigkeit von Axonen, sowie die Synchronisation neuronaler Signale bedingen. Tatsächlich gibt es bereits Studien, deren Ergebnisse andeuten, dass der Myelinisierungsgrad eines Axons durch dessen elektrische Aktivierung reguliert werden kann. Diese aktivitätsabhängige Myelomodulation, wie die Autoren den Vorgang nennen, stellt daher einen potenziellen Mechanimus dar, über den die Struktur der weißen Substanz durch unsere Erfahrung modifiziert werden könnte. Trotz dessen glauben die Autoren, dass auch Veränderungen in der Axondichte, sowie dem Axondurchmesser, welcher wiederum durch den Myelinisierungsgrad beeinflusst werden könnte, zu den Beobachtungen beitragen könnten.
Die Wissenschaftler um Johanson-Berg
präsentieren mit ihrer Studie den ersten direkten Beweis für
erfahrungsbedingte Modifikationen in der weißen Substanz im
gesunden, menschlichen Gehirn. Letztendlich weisen sie allerdings
darauf hin, dass es sich bei DTI um eine Methode für Messungen am
ganzen, intakten Gehirn handelt, aber Magnetresonanzmethoden immer
nur indirekte Maße liefern und daher schwierig und mit Bedacht zu
interpretieren sind. Hier möchte ich in diesem Zusammenhang auch
noch einmal auf die kürzlich geführte Diskussion zum „Voodoo“
in der Hirnforschung hingewiesen werden (Siehe hierzu die Beiträge im Brainlog "Menschen-Bilder". Artikel 1 / 2).
Im Folgenden werden Studien auf
zellulärer und biochemischer Ebene nicht zu umgehen sein, wenn man
das ganze Potenzial des Gehirns für plastische Veränderungen
verstehen und ergründen will. Die Studie legt allerdings nahe, dass
unser Gehirn zu mehr plastischen Veränderungen in der Lage ist, als
wir bisher annahmen: Die weiße Substanz also weiß, aber nicht
unbeschrieben ist.
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Literatur:
- Scholz, J. et al. Training induces changes in white-matter architecture. Nature Neuroscience Oct 11 2009 doi:10.1038/nn.2412 Brief Communication
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