Studie aus Cambridge: Vier topologische Wendepunkte im Gehirn über die Lebensspanne

Unser Gehirn verändert sich in klaren Entwicklungsabschnitten – vom Augenblick der Geburt bis ganz ans Ende des Lebens. Mal laufen diese Anpassungen gleichmässig ab, mal treten sie überraschend abrupt auf. Genau dadurch beeinflussen sie, wie wir lernen, denken, erinnern und auf unsere Umwelt reagieren.

Eine neue Studie zeichnet diesen langen Weg auf eine ungewohnte, strukturierte Weise nach. Das Forschungsteam beschreibt vier grosse topologische Wendepunkte über die menschliche Lebensspanne hinweg – und leitet daraus fünf übergeordnete Epochen der „Verschaltung“ des Gehirns ab.

Dass das Gehirn zwischen Geburt und hohem Alter viermal gewissermassen „den Gang wechselt“, verleiht einem Thema, das oft komplex und schwer greifbar wirkt, eine neue Ordnung.

Nach Einschätzung der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler könnten diese Umbrüche erklären, weshalb sich Fähigkeiten, Gesundheit und auch bestimmte Anfälligkeiten mit dem Älterwerden verändern.

Langfristig könnten solche Erkenntnisse helfen, besser zu verstehen, warum manche Kinder in der Schule Schwierigkeiten haben oder weshalb bei einigen Erwachsenen später Gedächtnisprobleme auftreten.

Kartierung der Entwicklungsabschnitte des Gehirns

Ein Team der University of Cambridge analysierte MRT-Diffusionsaufnahmen von 3,802 Personen – von Neugeborenen bis zu 90-jährigen Erwachsenen.

Mit diesen Scans wurde erfasst, wie sich Wassermoleküle durch das Hirngewebe bewegen. Daraus lässt sich ableiten, wie neuronale Netzwerke miteinander verbunden sind.

Auf Basis der Gesamtauswertung identifizierten die Forschenden vier grosse „Wendepunkte“, die das Leben in fünf Epochen der Gehirnverschaltung unterteilen.

Zeitliche Einordnung der Gehirnphasen

Die erste Epoche reicht von der Geburt bis etwa zum 9. Lebensjahr. Die nächste Phase umfasst die Adoleszenz und zieht sich bis ungefähr zum Alter von 32.

Die dritte Epoche – das Erwachsenenalter – erstreckt sich über mehr als drei Jahrzehnte. Um etwa 66 beginnt eine frühe Alterungsphase, auf die ab ungefähr 83 eine späte Alterungsphase folgt.

„Wir wissen, dass die Verschaltung des Gehirns entscheidend für unsere Entwicklung ist, aber uns fehlt ein Gesamtbild davon, wie sie sich über unser Leben hinweg verändert und warum“, sagte Dr. Alexa Mousley, Gates-Cambridge-Stipendiatin und Leiterin der Studie.

„Diese Studie ist die erste, die grosse Phasen der Gehirnverschaltung über eine menschliche Lebensspanne hinweg identifiziert.“

Gehirnphase in der Kindheit

In der Kindheit steht das Gehirn stark im Zeichen der „Netzwerk-Konsolidierung“. Säuglinge starten mit einer sehr grossen Zahl an Synapsen.

Mit der Zeit bleiben die Verbindungen erhalten, die häufig genutzt werden, während andere zurückgebaut werden. Bis ungefähr zum 9. Lebensjahr verläuft dieses Muster laut Studie bei den meisten Menschen ähnlich.

In dieser Zeit nehmen graue und weisse Substanz rasch zu. Die Dicke der Grosshirnrinde wächst, und die Faltungen an der Gehirnoberfläche stabilisieren sich.

Um das 9. Lebensjahr herum kommt es dann zu einer Verschiebung in der kognitiven Leistungsfähigkeit – zugleich steigt das Risiko für bestimmte psychische Erkrankungen.

Lange Phase der Adoleszenz

Die Adoleszenz beginnt demnach etwa mit 9 und dauert bis ungefähr 32. In diesen Jahren wächst die weisse Substanz weiter, und die Netzwerke im Gehirn werden geordneter. Die Kommunikation zwischen Regionen wird schneller und effizienter.

Mousley erläuterte: „Neuronale Effizienz ist, wie man es sich vorstellt, eine gute Verbindung über kurze Wege, und die Adoleszenz ist die einzige Phase, in der diese Effizienz zunimmt.“

Diese Epoche erreicht ihren Höhepunkt in den frühen Dreissigern; das Team bezeichnete diesen Zeitpunkt als den „stärksten topologischen Wendepunkt“ im Leben.

„Um das Alter von 32 sehen wir im Vergleich zu allen anderen Wendepunkten die stärksten gerichteten Veränderungen in der Verschaltung und die grösste Gesamtverschiebung der Entwicklungskurve“, sagte Mousley.

„Während die Pubertät einen klaren Beginn bietet, ist das Ende der Adoleszenz wissenschaftlich viel schwerer festzulegen. Rein anhand der neuronalen Architektur haben wir festgestellt, dass adoleszenzähnliche Veränderungen der Gehirnstruktur etwa in den frühen Dreissigern enden.“

Stabile Jahre im Erwachsenenalter

Etwa mit 32 beginnt für das Gehirn die längste Epoche. Die Muster stabilisieren sich. Das Team sieht darin eine Entsprechung zu einem „Plateau bei Intelligenz und Persönlichkeit“.

Ausserdem beobachteten die Forschenden, dass „Segregation“ deutlicher wird – also dass sich Regionen allmählich stärker voneinander abgrenzen und gewissermassen stärker in Teilbereiche aufteilen.

Frühe Alterung ab Mitte sechzig

Der nächste Umbruch fällt weniger ausgeprägt aus. Um etwa 66 kommt es nicht zu einem dramatischen Sprung, dennoch reorganisieren sich die Netzwerke weiterhin in relevanter Weise.

„Die Daten deuten darauf hin, dass eine allmähliche Reorganisation der Gehirnnetzwerke in der Mitte sechzig kulminiert“, sagte Mousley.

„Das hängt wahrscheinlich mit dem Altern zusammen, mit weiter abnehmender Konnektivität, da die weisse Substanz zu degenerieren beginnt. In diesem Alter steigt das Risiko für verschiedene Gesundheitszustände, die das Gehirn beeinträchtigen können, wie zum Beispiel Bluthochdruck.“

Späte Phase und letzte Gehirnalterung

Der letzte Wendepunkt liegt um etwa 83. In dieser Phase stützt sich das Gehirn stärker auf lokale Verbindungen, während die globale Konnektivität nachlässt.

Für diese Altersgruppe lagen den Forschenden weniger Scans vor, dennoch zeigte sich ein klares Muster: eine stärkere Abhängigkeit von bestimmten Regionen.

„Wenn wir zurückblicken, haben viele von uns das Gefühl, dass unser Leben durch unterschiedliche Phasen geprägt war. Es stellt sich heraus, dass Gehirne diese Epochen ebenfalls durchlaufen“, sagte Seniorautor Prof. Duncan Astle, Professor für Neuroinformatik in Cambridge.

Er ergänzte, dass viele Störungen, die Aufmerksamkeit, Sprache, Gedächtnis und Verhalten betreffen, mit der Art zusammenhängen, wie das Gehirn verschaltet ist.

„Zu verstehen, dass die strukturelle Reise des Gehirns keine Frage stetiger Entwicklung ist, sondern eher aus einigen wenigen grossen Wendepunkten besteht, wird uns helfen zu erkennen, wann und wie seine Verschaltung anfällig für Störungen ist“, erklärte er.

Warum diese Studie zur alternden Gehirnstruktur wichtig ist

Die Ergebnisse sprechen dafür, dass das Gehirn einer eigenen zeitlichen Logik folgt, die nicht immer unseren Erwartungen entspricht.

Die Kindheit endet demnach früher als häufig angenommen. Die Adoleszenz reicht weit in das Erwachsenenalter hinein. Und die späteren Lebensabschnitte sind von feineren Veränderungen geprägt, als viele vermuten.

Diese Befunde könnten Forschenden helfen, besser einzuordnen, wann das Gehirn besonders veränderungsfähig ist – und wann es möglicherweise zusätzliche Unterstützung braucht.

Mit besseren Methoden zur Untersuchung des Gehirns könnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler künftig noch genauer verstehen, wie diese Phasen Lernen, psychische Gesundheit und Alterung beeinflussen. Vorerst bietet die Studie einen neuen Blick auf die lange Entwicklungsgeschichte des menschlichen Gehirns.

Die vollständige Studie erschien in der Fachzeitschrift Nature Communications.