Gehirnentwicklung: Das „Infrastrukturkraftwerk“ über unseren Köpfen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Fei (PhD in Neurowissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Seit dem Jahr 2000 ist der 16. September eines jeden Jahres der „China Brain Health Day“. Mit dem zunehmenden Gesundheitsbewusstsein der Menschen rückt die Gesundheit des Gehirns zunehmend in den Fokus aller. Viele von uns verstehen dieses zentrale Organ jedoch nicht wirklich und haben viele Fragen zur Entwicklung und Funktion des Gehirns.

Gehirn: Kennen Sie dieses Organ in Ihrem Körper wirklich?

Warum gibt es so große Unterschiede im IQ zwischen Menschen? Hat Einstein, der das klügste Gehirn hat, wirklich ein größeres Gehirn als der Durchschnittsmensch?

Albert Einstein

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Tatsächlich gibt es aus anatomischer Sicht nicht viele Unterschiede zwischen den Gehirnen verschiedener Menschen. Die Funktionsweise des Gehirns ist so fein reguliert und so vielschichtig eingeschränkt, dass jeder relativ große Unterschied fatal wäre. Die Unterschiede zwischen uns Menschen sind eher auf die unterschiedliche Geschwindigkeit der Gehirnentwicklung zurückzuführen.

Bei manchen Menschen wächst das Gehirn schneller und sie können schon in jungen Jahren Wunderkinder sein. Bei manchen Menschen hingegen wächst das Gehirn langsamer und sie reagieren möglicherweise immer langsam.

Doch egal, ob sie schlau oder dumm sind, ihre Gehirnentwicklung ist ein langer und komplexer Prozess, komplexer und anspruchsvoller als jeder industrielle Prozess in der heutigen menschlichen Gesellschaft.

Tatsächlich ist unser Gehirn auch ein „Infrastrukturkraftwerk“. Man kann sagen, dass seine Entwicklungsgeschwindigkeit die schnellste im menschlichen Körpergewebe ist . Als nächstes werde ich über die vier Merkmale der Gehirnentwicklung sprechen. Nachdem wir uns diese vier Eigenschaften angehört haben, wollen wir beurteilen, ob unser Gehirn den Titel „Infrastruktur-Kraftpaket“ verdienen kann.

Lange Entwicklung: lange Gesamtzeit, viele Projekte

Zunächst einmal ist das erste Merkmal der Gehirnentwicklung, dass sie lange dauert . Bitte beachten Sie, dass „lang“ nicht „langsam“ bedeutet, sondern dass die Gesamtzeit lang ist und viele Projekte durchgeführt werden müssen.

Anders als bei anderen Tieren benötigt das menschliche Gehirn fast ein Jahrzehnt der Entwicklung und des Lernens, bevor es sich zu einem eigenständigen Gehirn entwickeln kann. Im Vergleich zu den Rehkitzen, die gleich nach der Geburt laufen können, oder den Vögeln, die gleich nach dem Schlüpfen singen können, sind wir Menschen wirklich zu „Spätzünder“.

Fötale Gehirnentwicklung

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Wir alle wissen, dass das menschliche Gehirn ein multifunktionales Organ ist, das nicht nur Informationen sammelt, sondern auch Bewegungen steuert. Es bedarf nicht nur der Sprachentwicklung, sondern auch der Schulung des Denkvermögens.

Allein am Beispiel des Erlernens einer Sprache können wir den langen Prozess der Gehirnentwicklung spüren.

Babys beginnen im Alter von zwei Monaten zu plappern, aber das ist erst der Anfang. Das Gehirn beginnt, den Muskeln zu befehlen, Geräusche zu erzeugen. Auch in den kommenden Lernjahren müssen sich die Menschen noch viele Substantive merken und ihre Aussprache kennen. Aber es reicht nicht, einfach nur „Worte rauszuwerfen“. Wenn eine Person ihre Ideen präzise ausdrücken möchte, muss sie viel Erfahrung sammeln und zusammenfassen. Wenn jemand lesen lernen und Ideen mit anderen kommunizieren möchte, reicht eine jahrzehntelange Ausbildung von der Grundschule bis zur weiterführenden Schule nicht aus.

Während dieses langen und komplexen Prozesses der Gehirnentwicklung beeinflussen sowohl Gene als auch die Umwelt ständig die Bildung jedes einzelnen Gehirns.

Dreidimensionales Strukturmodell der DNA

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Von der Schwangerschaft bis zur Geburt und dann nach mehr als zehn Jahren der Entwicklung ist die äußere Umgebung, der jeder Mensch ausgesetzt ist, sehr unterschiedlich. Auch die äußeren Reize, die das Gehirn in den einzelnen Phasen empfängt, sind unterschiedlich, was zu Unterschieden in jedem unserer Gehirne führt.

Entwicklungsskala: Ein riesiges Projekt in einem kleinen Gehirn

Zweitens ist das Ausmaß der Gehirnentwicklung enorm. Der Grund, warum der Entwicklungsprozess des menschlichen Gehirns so lange dauert, liegt darin, dass die Entwicklung des menschlichen Gehirns ein riesiges Projekt ist. Dieses Projekt ist noch ehrgeiziger als der Bau eines Flugzeugträgers oder die Landung eines Menschen auf dem Mond.

Obwohl dieser Prozess auf unsere kleinen Köpfe beschränkt ist, war bisher kein Land in der Lage, auch nur ein Prozent dieses Projekts zu simulieren. In diesem Projekt geht es sowohl um Zelldifferenzierung als auch um Zellmigration, also nicht nur um die Kombination unterschiedlicher Strukturen, sondern auch um die Kontrolle komplexer Informationen.

Einfach ausgedrückt ähnelt die Entwicklung des Gehirns einer traditionellen nordischen Kunst: dem Pusten von Zuckerfiguren.

Pusten von Zuckerfiguren

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Die Zellschicht auf der dorsalen Seite der oberen Oberfläche des Embryos entwickelt sich zu einem Pfannkuchen , der sogenannten Neuralplatte . Vierzehn Tage nach der Geburt faltet sich die Neuralplatte allmählich zum Neuralrohr . Am 25. Tag ähnelt das Neuralrohr einem aufgeblasenen Zuckermann, wobei drei geschwollene Kugeln zum Vorschein kommen, aus denen sich später das Vorderhirn, das Mittelhirn und das Hinterhirn entwickeln.

Mit diesen Grundstrukturen bleibt nur noch die Verfeinerung. Aus der Wölbung an der Vorderseite waren ein paar kleine Vorsprünge herausgedrückt, aus denen sich später die Augen entwickelten. Aus dem langen, dünnen Schlauch am Rücken entwickelt sich allmählich das Rückenmark. Gehirn und Rückenmark bilden das zentrale Nervensystem, während das periphere Nervensystem aus den Nervenfasern besteht, die vom Gehirn und Rückenmark ausgehen und die Bewegung der Gliedmaßen und inneren Organe steuern. Das Gehirn sendet Hunderte von Nervenfasern zu den Gliedmaßen, die Verbindungen zu Muskeln und Rezeptoren herstellen.

Embryonale Entwicklung

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Bis zum Tag der Geburt des Fötus verändert sich das Gehirn noch. Das Gehirnwachstum erreicht im Alter von sechs Monaten die Hälfte des Gehirnwachstums eines Erwachsenen, im Alter von einem Jahr 60 %, im Alter von zweieinhalb Jahren 75 %, im Alter von sechs Jahren 90 % und entspricht erst im Alter von zehn Jahren dem eines Erwachsenen .

Von einer befruchteten Eizelle bis zu den 14 Milliarden Zellen im Gehirn eines Erwachsenen. Dieses Projekt ist, als würde man alle Menschen auf der Erde bitten, eine neue Stadt auf dem Mars zu bauen. Nicht nur wird jeder ein Haus zum Wohnen haben, sondern es wird auch Transportmöglichkeiten, materielle Versorgung usw. geben. Tatsächlich ist die Entwicklung des Gehirns viel komplizierter als der Bau einer neuen Stadt.

Dramatisches Wachstum: Ein Sprung von einer auf zehn Milliarden

Ein weiteres Merkmal der Zellentwicklung im Gehirn ist, dass sie dramatisch bzw. schnell ist. Denn die Hauptarbeiten dieses Mammutprojekts konnten in nur wenigen hundert Tagen abgeschlossen werden .

Die Entwicklung keines anderen Organs im menschlichen Körper verläuft so dramatisch wie die des Gehirns. In den zehn Monaten von der Befruchtung bis zur Geburt steigt die Anzahl der Neuronen von „einem“ auf fast „zehn Milliarden“ .

Und es handelt sich nicht nur um eine Änderung der Zahlen; Diese Neuronen müssen auch miteinander verbunden sein, um ein komplexes Informationsnetzwerk aufzubauen. Dieses Netzwerk ist sogar noch komplexer als das aktuelle Internet. Stellen Sie sich vor, das neuronale Netzwerk in unserem Gehirn wäre so, als ob jeder von uns Hunderte von Mobiltelefonen in der Hand halten würde, um mit allen Menschen auf der Erde zu kommunizieren. Was für ein spektakulärer Anblick!

Neuronen

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Schauen wir uns einen anderen Datensatz an, der vielleicht intuitiver ist.

Im Gehirn des Fötus entstehen pro Sekunde mehr als 4.000 Nervenzellen und innerhalb eines Quadratzentimeters werden pro Sekunde 30.000 synaptische Verbindungen gebildet. Diese Geschwindigkeit ist mit keiner aktuellen Internetübertragung erreichbar.

Tatsächlich können wir es auch am Wachstum eines Babys erkennen. In nur wenigen Jahren entwickelt er sich von einem Menschen, der nichts über die Welt weiß, zu einem Menschen, der alles weiß wie ein „kleiner Erwachsener“. Das ist viel schneller als die Roboter, die wir heute haben!

Die Eingabe von Informationen, die Entwicklung von Intelligenz, die kontinuierliche Aktualisierung der Struktur und die Entwicklung verschiedener komplexer Funktionen des Gehirns können alle als „sprunghafte Fortschritte“ beschrieben werden.

Neuronales Netzwerk im menschlichen Gehirn

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Es gibt auch eine kritische Phase für die Entwicklung des Gehirns. Während dieser Zeit entwickelt sich das Gehirn schnell und lernt alles schneller. Wenn wir diese kritische Phase verpassen, müssen wir uns um ein Vielfaches mehr anstrengen, um dasselbe zu lernen und dieselben Funktionen zu erwerben.

Während der kritischen Phase kommt es im Gehirn zu gewaltigen Veränderungen. Die dendritischen Dornfortsätze der Nervenzellen werden beschnitten und ihre Zahl ändert sich von einem ständigen Anstieg zu einem Rückgang. Die Zahl der Zellen im Gehirn nimmt nicht weiter zu. Einige Zellen sterben während der Entwicklung aktiv ab. Dieser Vorgang wird als programmierter Zelltod bezeichnet .

Entwicklungskomplex: starke Plastizität, die ständig aktualisiert wird

Betrachten wir abschließend ein weiteres Merkmal der Entwicklung von Gehirnfunktionen: die Komplexität.

Seien Sie nicht überrascht, wie raffiniert Schweizer Uhren sind, denn sie bestehen aus Tausenden von Teilen, die auf kleinstem Raum zusammengedrängt sind. Lassen Sie sich nicht zu sehr von der Komplexität des Motors eines Sportwagens beeindrucken; Im Vergleich zur Komplexität und Raffinesse des Gehirns ist es nichts weiter als ein großer Brocken.

Man kann sagen, dass das menschliche Gehirn die komplexeste Maschine der Welt ist. Selbst das Gehirn einer winzigen Fliege ist unseren heutigen Riesencomputern möglicherweise nicht gewachsen.

Wir haben gerade gesagt, dass ein ausgewachsenes Gehirn etwa 14 Milliarden Nervenzellen enthält und jede Nervenzelle über Hunderte von Synapsen verfügt, und dass diese Zellen über Synapsen mit anderen Zellen kommunizieren.

Um eine einfache Aktion abzuschließen, müssen oft Dutzende von Zellen arbeiten. Nervenzellen können Informationen durch elektrische oder chemische Signale übertragen. Dutzende von Zellen bilden einen Schaltkreis , der als neuronaler Schaltkreis bezeichnet wird .

Verbundene neuronale Schaltkreise

(Bildquelle: Science)

Das menschliche Gehirn verfügt über weitaus mehr neuronale Schaltkreise als ein Computer, und jeder Schaltkreis kann sich je nach Umgebung verändern. Aus dieser Perspektive ist unser Gehirn wie das Straßennetz einer Stadt: kreuz und quer verlaufend und dicht gedrängt.

Noch schwieriger ist es für uns, uns vorzustellen, dass sich das Gehirn von der Kindheit bis zum Erwachsenenalter verändert. Dieses Phänomen der Veränderung des Gehirns aufgrund von Änderungen in der äußeren Umgebung wird als Plastizität des Gehirns bezeichnet.

Mit anderen Worten: Das Gehirn ist wie Plastik, das von der Umgebung geknetet wird und ständig seine Struktur und Funktion verändert, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen.

Aus diesem Grund ist das Gehirn heute komplexer als jede Maschine, denn wenn eine künstliche Maschine erst einmal geschaffen ist, lässt sie sich nur schwer verändern und kann nur ihre ursprünglichen Funktionen beibehalten. Unser Gehirn verändert sich ständig, seine Struktur ändert sich und seine Funktionen werden aktualisiert.

Abschluss

Wenn wir die Entwicklung des Gehirns verstehen, werden wir über diesen empfindlichen Prozess staunen. Ein voll entwickeltes Gehirn ist wie ein feines Stück gebranntes Porzellan, das uns keine Veränderungen erlaubt.

Man kann auch sagen, dass das Gehirn in jedem unserer Köpfe ein Internet ist. Täglich werden unzählige Informationen zwischen Neuronen ausgetauscht, wodurch die komplexeste Netzwerkstruktur der Welt entsteht. Ein solches Meisterwerk ist mit keinem von Menschenhand geschaffenen Produkt vergleichbar. Der langwierige, gewaltige, intensive und komplexe Bauprozess reiche aus, um das Land zu einem „leistungsfähigen Infrastrukturland“ zu machen.