Neuroplastizität im Gehirn - Grundlagen

 

 

Neuroplastizität oder auch die Veränderbarkeit der neuronalen Strukturen und Verbindungen im Gehirn hat in den letzten Jahren für viel Aufsehen gesorgt. Vor allem die Relevanz im Zusammenhang mit Lernen wurde häufig von Medien oder der Wissenschaft herausgestellt. Lerne ich etwas Neues, so entstehen neue synaptische Verbindungen im Gehirn. Der Begriff Plastizität kommt dabei von dem griechischen Wort "plastos" und kann als "Fähigkeit zur Formveränderung" umschrieben werden. Dieser Blogeintrag betrachtet das Thema Neuroplastizität anhand eines Experiments.

 

Das Konzept der Plastizität

Um überhaupt nachvollziehen zu können, wie wir psychologisch funktionieren und warum Erfahrungen uns verändern können, ist es wichtig das Konzept der Neuroplastizität zu verstehen. Neuroplastizität beschreibt die lebenslang existierende Eigenschaft des Nervensystems (und dem Gehirn als Teil des Nervensystems) sich an äußere Umstände, Druck oder Erfahrungen anzupassen. Daher ist es als der ständige, zugrunde liegende Mechanismus für Lernen oder persönliche Weiterentwicklung aufzufassen. Wenn sich etwas in den äußeren Lebensumständen eines Menschen verändert, gehen Forscher davon aus, dass diese Veränderungen auch auf physiologischer Ebene, auf der Verhaltensebene und sogar auf molekularer Ebene nachgewiesen werden können. 

"[...] changes in the input of any neural system [...] lead to system reorganization that might be demonstrable at the level of behavior, anatomy, and physiology and down to the cellular and molecular levels." [Pascual-Leone et al., 2005]

Das Gehirn verändert sich kontinuierlich mit sensorischem Input, motorischen Handlungen, Assoziationen, Belohnungen, etc., wobei viele dieser Veränderungen nicht dauerhaft sind und sich wieder zurückentwickeln. Wenn ich beispielsweise ein Instrument lerne, wie das folgende Experiment zeigt, hat sich nach der Übung mein Gehirn verändert. Je länger ich übe, desto stärker und dauerhafter zeigt sich diese Veränderung. Höre ich jedoch mit dem Üben auf, dann entwickeln sich die jeweiligen Gehirnareale wieder auf den Ausgangszustand zurück. Wie genau dieser Veränderungsprozess funktioniert erklärt der nächste Abschnitt.

 

Motorische und auch mentale Aktivitäten können das Gehirn verändern

Der Veränderungsprozess im Gehirn kann in zwei Schritte unterteilt werden. Zunächst werden im ersten Schritt bereits existierende synaptische Verbindungen gestärkt. Durch regelmäßige Stärkung dieser Verbindungen werden anschließend sukzessive neue Verbindungen aufgebaut. Dieser Prozess wird anhand eines von Pascual-Leone und seinen Kollegen durchgeführten Experiments verdeutlicht.

Die Versuchsteilnehmer lernten eine Fünf-Finger Übung für das Klavier und erhielten die Anweisung diese Übung über einen Zeitraum von fünf aufeinanderfolgenden Tagen täglich für zwei Stunden zu spielen. Nach jeder Trainingseinheit durchliefen die Probanden einen Test, bei welchem überprüft wurde, wie stark sich die Versuchsteilnehmer beim Spielen der Fünf-Finger Übung verbessert hatten (gemessen beispielsweise an der Anzahl an Fehlern und dem Taktgefühl). Erwartungsgemäß konnte festgestellt werden, dass sich die Probanden täglich verbesserten.

Was aber passierte dabei im Gehirn? Um dieser Frage nachzugehen benutzten die Forscher eine Methode (Transkranielle Magnetstimulation - TMS), durch welche Bereiche im Gehirn gezielt stimuliert oder gehemmt werden können. Vereinfacht dargestellt konnte damit überprüft werden, wie stark die für die Übung relevanten Neuronen im Motorcortex stimuliert werden müssen, um die zugeordneten Muskelgruppen (Finger, Hand) zu aktivieren. Dabei fanden sie heraus, dass sich die notwendige Stimulation für die Aktivierung der Muskelgruppen mit zunehmendem Training verringerte. Außerdem konnten die Forscher feststellen, dass sich das Gehirnareal, welches für die Muskelgruppen zuständig ist (die sogenannte kortikale Repräsentation), 20-30 Minuten nach einer Übungseinheit signifikant vergrößert hatte.

"[...] As the subjects' performance improved, the threshold for TMS activation of the finger flexor and extensor muscles decreased steadily [...] the size of the cortical representation for both muscle groups increased significantly." [Pascual-Leone et al., 2005]

Dieses Phänomen mag noch recht logisch erscheinen. Eine Person übt Klavier und weil sie dadurch bestimmte Muskelgruppen trainiert, verändert sich die jeweilige Repräsentation im Gehirn. Viel erstaunlicher hingegen war jedoch die Entdeckung der Forscher, dass nicht nur das tatsächliche Üben, sondern auch das mentale Üben Veränderungen im Gehirn hervorrief. Personen, die im Rahmen des Experiments gedanklich die Bewegungen der Übung durchspielten, aktivierten dabei ebenfalls einen Teil der zuständigen neuronalen Strukturen im Motorkortex, was zu einer vergleichbaren und messbaren, neuronale Veränderung führte.  

"Remarkably, mental practice resulted in a similar reorganization of the motor outputs to the one observed in the group of subjects that physically practiced the movements." [Pascual-Leone et al., 2005]

Im Anschluss an die erste Woche des Experiments wurde die Gruppe der Versuchsteilnehmer aufgeteilt. Ein Teil der Gruppe erhielt nun die Anweisung, die erlernte Übung über einen Zeitraum von vier Wochen von Montag bis Freitag weiterzupraktizieren, während der andere Teil der Gruppe mit der Übung aufhörte. Nach Ablauf der vier Wochen hatten sich die neuronalen Strukturen im Motorcortex der letztgenannten Gruppe zurückentwickelt. Bei der erstgenannten Gruppe hingegen konnte eine Weiterentwicklung der neuronalen Strukturen (abgeleitet aus einer erhöhten, gemessenen Spannungsamplitude nach einer Stimulation der jeweiligen Bereiche) festgestellt werden. Besonders auffällig war diese gemessene Weiterentwicklung an jedem Montag. Nach einem Wochenende ohne Übung fiel die gemessene Gehirnaktivität am Montag zurück. Dieser Abfall war jedoch nach vier Wochen bedeutend geringer, als nach der ersten Woche, was dafür spricht, dass sich neue synaptische Verbindungen gebildet haben. Regelmäßiges Üben kann folglich in sich sukzessive verändernden Gehirnstrukturen nachvollzogen werden, wenn bereits existierende neuronale Verbindungen durch Stimulation (hier Übung) gefördert werden.

"[...] flexible, short-term modulation of existing pathways represents a first and necessary step leading up to longer-term structural changes in the intracortical and subcortical networks as skills become overlearned and automatic." [Pascual-Leone et al., 2005]

 

Fazit

Mit Hilfe dieses Experiments konnten Forscher zeigen, dass sich bestimmte Strukturen im Gehirn durch regelmäßige Übungen verändern können. Als Einschränkung hierbei muss jedoch berücksichtigt werden, dass in diesem Experiment lediglich der für Bewegungen zuständige Teil des Gehirns untersucht wurde. Rückschlüsse auf die anderen Areale des Gehirns sind daher nicht ohne weiteres möglich. Dennoch wird hierdurch gezeigt, dass motorische Fähigkeiten, wie Klavierspielen, Tanzen, o.ä. ein Leben lang (zumindest solange der körperliche Zustand es zulässt) erlernt werden können. Wie aber sieht es mit Emotionen aus? Ist es möglich zu lernen, mehr positive Emotionen zu empfinden und dadurch sein subjektives Wohlbefinden zu erhöhen? Ein Anhaltspunkt dafür ist die auf diesem Blog vorgestellte Studie, welche zeigt, dass geeignete Musik und eine Intention seine Stimmung zu verbessern tatsächlich in der Lage sind die eigene Stimmung zu steigern. Mehr Antworten auf diese Fragen gibt es im nächsten Blogeintrag zum Thema Neuroplastizität: Neuroplastizität im Gehirn - Emotionen.

 
 

Informationen zum Artikel

 

Autoren: Alvaro Pascual-Leone, Amir Amedi, Felipe Fregni, Lotfi B. Merabet

Titel: The plastic human brain cortex

Zeitschrift: Annual Review of Neuroscience

Publikationsjahr: 2005

 

 

Bildquelle: Ars Electronica / flickr.com