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Weiße Materie: Die flexible, aber unterschätzte Superhighway des Gehirns

Historisch wurde graue Substanz normalerweise als Organschleifer des Gehirns angesehen, und weiße Substanz war nur der Affe. Aber in den letzten Jahren wurde klar, dass der Affe genauso wichtig ist wie sein Meister.

Querschnitt des Gehirns und Verkabelung

Unsere exquisit gefaltete graue Substanz war lange Zeit das Show-Pony des Gehirns; es geht um das starke Zahlenknacken, auf das wir alle angewiesen sind, um der Welt einen Sinn zu geben. Die weiße Materie, so dachte man, führt einfach die Aufgabe aus, Nachrichten hin und her zu senden, als wenig mehr als eine Ansammlung von passiven Drähten.

Obwohl diese Arbeitsteilung etwas Wahres an sich hat, hat die Weiße Materie einen großen Nachteil. Mit zunehmendem wissenschaftlichen Wissen rückt die Bedeutung der weißen Substanz in den Fokus. Diese neuronale Informationsautobahn ist heute dafür bekannt, an einer Reihe von Zuständen und Krankheiten beteiligt zu sein und spielt eine entscheidende Rolle bei der Gehirnfunktion, dem Lernen und der Koordination weit entfernter Hirnzentren.

Was ist weiße Substanz?

Weiße Materie macht den Großteil der tiefen Teile des Gehirns aus. Im Gegensatz zur grauen Substanz, deren Entwicklung im Alter von 11 oder 12 Jahren ihren Höhepunkt erreicht, entwickelt sich die weiße Substanz bis in unsere 20er Jahre (und vielleicht auf subtilere Weise bis in unsere 50er Jahre).

Es besteht aus Bündeln von Axonen oder Traktaten, die die langen, schlanken Projektionen von Nervenzellen darstellen. Wie der Name schon sagt, ist die weiße Substanz weißer als die graue Substanz und ihre berühmte Weiße ist auf eine wachsartige Beschichtung namens Myelin zurückzuführen, die auf jedem der Axone zu finden ist.

Myelinisiertes Axon gif. Kredit: Dr. Jana

Myelin beschichtet die Oberfläche aller Nervenzellen und hinterlässt kleine Lücken – auch bekannt als die Knoten von Ranvier – jeden Millimeter oder so.

Bei myelinisierten Nerven kann es eher als ein Impuls, der sich entlang der Länge der Zelle fortbewegt, wie bei der grauen Substanz, von Knoten zu Knoten springen, wodurch die Geschwindigkeit der Leitung erhöht wird.

Als primärer Messenger-Dienst des Gehirns ermöglicht die Myelinisierung der weißen Substanz, Noten mit hoher Geschwindigkeit zwischen entfernten Regionen zu passieren.

In der Tat können myelinisierte Nerven Impulse bis zu 100-mal schneller als nicht-myelinisierte Fasern tragen.

Im Gehirn wird Myelin von Oligodendrozyten gebildet. Bei der Geburt ist die Myelinabdeckung relativ gering; Die Myelinisierung bewegt sich in einer Welle, wobei sie zuerst die weiße Substanz in der Hirnrinde nahe dem Nacken bedeckt und sich allmählich vorwärts bewegt, um schließlich die Frontallappen in unserer Mitte bis Ende der 20er Jahre zu beschichten.

Die Frontallappen sind wichtig für Planung, Argumentation und Beurteilung. Einige Wissenschaftler theoretisieren, dass die eingeschränkte Myelinisierung dieser Bereiche in der Jugend für die Unfähigkeit von Teenagern verantwortlich sein könnte, angemessene Entscheidungen für Erwachsene zu treffen.

Da mehr wissenschaftliches Interesse auf die weiße Materie gelegt wurde, ist klar geworden, dass es weit davon entfernt ist, ein passiver Teil der Verkabelung zu sein; es ist dynamisch – sein Volumen wächst und schrumpft mit der Erfahrung, es verarbeitet Informationen – nicht nur gedankenlos zwischen den Punkten.

Weiße Substanz bei psychiatrischer Krankheit

Bestimmte Bedingungen wurden lange mit einer Schädigung der Myelinscheide in Verbindung gebracht. Zum Beispiel greift das Immunsystem von Individuen mit Guillain-Barré-Syndrom und Multipler Sklerose Myelin an, was zu einer sich allmählich verschlechternden Schwäche führt, die zu Lähmungen führen kann.

Aber in jüngerer Zeit wurden Veränderungen im Myelin mit einer Reihe von psychiatrischen Zuständen in Verbindung gebracht, wie Schizophrenie, schwere Depression, Autismus, posttraumatische Belastungsstörung, Alzheimer-Krankheit, Dyslexie, Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung, Zwangsstörung und Tourette . Weiße Substanz wurde sogar mit Stottern und Tonschwerhörigkeit in Verbindung gebracht.

Eine der am meisten untersuchten psychiatrischen Erkrankungen in Bezug auf die weiße Substanz ist die Schizophrenie. Eine Studie, die 6.000 Gene im präfrontalen Kortex von schizophrenen Gehirnen untersuchte, lieferte verblüffende Beweise: Von den 89 Genen, von denen eine abnormale Regulation festgestellt wurde, waren 35 an der Myelinisierung beteiligt.

In anderen Studien wurde die weiße Substanz post mortem untersucht, wobei einige Abnormitäten in den weißen Substanzbahnen und eine verminderte Anzahl von Oligodendrozyten in einigen Regionen des Gehirns zeigten.

In der Tat wurde in jüngerer Zeit gezeigt, dass weiße Substanzbahnen in der Mehrheit des Gehirns bei Schizophrenie gestört sind.

Schizophrenie neigt dazu, sich während der Adoleszenz zu entwickeln, eine Zeit, in der das Vorderhirn endlich seine Myelinbeschichtung erhält. Einige Wissenschaftler glauben, dass dies mehr als ein Zufall sein könnte.

Ob diese Veränderungen die Ursache des Zustands oder eine Folge der abnormalen Hirnfunktion sind, ist noch zu verstehen, aber es ist wahrscheinlich ein verflochtener Zweiweg. Dies wurde in einem 2007 von Dr. Gabriel Corfas veröffentlichten Papier bestätigt. Er zeigte, dass die Störung der genetischen Kontrolle von Oligodendrozyten zu bemerkenswerten Verhaltensänderungen führen kann, die denen bei Schizophrenie ähnlich sind.

Weiße Substanz betrachten

Ein Bildgebungsverfahren namens Diffusion Tensor Imaging (DTI), das auf MRI-Technologie basiert, zeigt die relative Bewegung von Wasser in Geweben. Es kann verwendet werden, um weiße Substanz zu beobachten.

Weiße Sache - Bildnachweis - Thomas Schultz

DTI basiert auf der Prämisse, dass Wasser in normalem Hirngewebe gleichermaßen in jede Richtung wandern kann.

In Bahnen, die parallel ausgerichtet und mit Myelin bedeckt sind, ist es jedoch wahrscheinlicher, dass sie sich entlang derselben bewegen, anstatt von Seite zu Seite.

Mit dieser Technologie kann die Mikrostruktur der weißen Substanz betrachtet werden; dichter gepackte Fasern mit dickeren Myelinschichten ergeben stärkere DTI-Signale. Diese relativ neue Technologie wurde verwendet, um nach Verbindungen zwischen weißer Substanz und kognitiven Ergebnissen zu suchen.

Eine Studie zum Beispiel fand eine Beziehung zwischen der Struktur der weißen Substanz und dem IQ, deren Autoren folgerten, dass "kognitive Funktion mit größerer Faserorganisation korreliert". Ähnlich haben andere Wissenschaftler Verbindungen zwischen der Qualität der weißen Substanz im Gehirn eines Erwachsenen und ihrer Lesefähigkeit gefunden.

Forscher haben auch gezeigt, dass die gezielte Nutzung unserer Gehirne die Struktur der weißen Substanz verändern kann. Zum Beispiel hat ein Experiment herausgefunden, dass das regelmäßige Üben eines Musikinstruments das Organisationsniveau innerhalb der weißen Substanz in den für die musikalische Aufführung wichtigen Bereichen erhöht. Die Forscher zeigten, dass das Ausmaß der Veränderung proportional zur Anzahl der Stunden war, die das Individuum praktizierte. Je mehr Sie arbeiten, desto mehr weiße Substanz wird modifiziert.

Wie Myelination in die Geschichte passt

Bei Tieren, die sehr bald nach der Geburt laufen und fressen können – wie Pferde und Mäuse – ist die Myelinisierung von Geburt an fast abgeschlossen. Wie bereits erwähnt, setzt sich die Myelinisierung bei Menschen bis in unsere 20er oder 30er Jahre fort. Die Tatsache, dass es so lange dauert, ist ein guter Hinweis darauf, dass es mehr als nur eine isolierende Rolle spielt.

Die verlängerte Zeit, die die Myelinisierung bei Menschen einnimmt, entspricht der gleichen Zeitspanne, in der die menschliche Großhirnrinde eine enorme Umstrukturierung der synaptischen Verbindungen durchmacht. Diese Umgestaltung soll das Gehirn erfahrungsgemäß verändern. Aus diesem Grund glauben einige Forscher, dass Myelin und somit die weiße Substanz eine Rolle bei der Gestaltung des Gehirns durch unsere Erfahrungen spielt, während wir uns entwickeln.

Diese Theorie trifft in einer Reihe von Tierstudien zu. Zum Beispiel fand eine Studie über Alaska-Wiesenmäuse heraus, dass die Myelinisierung im Gehirn durch saisonale Veränderungen der Tageslänge reguliert wird. Tiere, die in einer Umgebung mit konstant langen Tagen gehalten wurden, hatten mehr weißes Substanzvolumen.

Bei Ratten verursacht Stress während der letzten 6 Tage der Schwangerschaft in den ersten 2 bis 3 Wochen des Lebens eine erhöhte Myelinisierung bei den Nachkommen, wobei sich die Werte am Tag 40 wieder normalisieren.

Umgekehrt kann eine angenehmere Erfahrung auch die Struktur der weißen Substanz verändern. Oligodendrozyten erhöhen sich im visuellen Kortex von Ratten, die in angereicherten Umgebungen, einschließlich sozialer Interaktion und Dingen zum Spielen, aufgewachsen sind.

Einige Studien am Menschen haben auch eine Wechselwirkung zwischen früher Erfahrung und Volumen der weißen Substanz gefunden. Eine veröffentlichte Studie verglich die Gehirne von Kindern, die missbraucht oder vernachlässigt worden waren, mit den Gehirnen von Kindern, die dies nicht getan hatten.

Das Corpus callosum – das heißt die größte Struktur der weißen Substanz im Gehirn, die die linke und die rechte Gehirnhälfte verbindet – war bei den Missbrauchten um 17 Prozent kleiner.

Warum ist die Wachsschicht so wichtig?

Kurz gesagt, wir haben nicht die volle Antwort auf diese Frage, aber es gibt einige zwingende Themen, die man auswählen kann.

Die Synchronisation der grauen Substanz ist wichtig für die neurale Entwicklung und das Lernen. Das Sprichwort lautet: "Neuronen, die zusammen feuern, miteinander verbinden." Mit anderen Worten, Neuronen, die synchron feuern, werden wahrscheinlicher dauerhaft verbunden; Nerven, die zusammen brennen, gelten als wichtig und werden gestärkt und erhalten.

Myelinisiertes Axon. Bildguthaben Roadnottaken

Nun, wenn zwei zusammenwirkende Nerven aus verschiedenen Entfernungen kommen und identisch sind, werden die Signale nicht zusammen ankommen; Um die Zündung zu koordinieren, muss einer der Axone entweder beschleunigt oder verlangsamt werden.

Millisekundengenauigkeit ist wichtig.

Wenn wir eine komplexe Aufgabe wie das Spielen eines Instruments ausführen, werden Informationen aus einer Reihe von Gehirnzentren gesendet und fließen hin und her. Synchrony ist ein Muss, und einfach Nachrichten mit der größtmöglichen Geschwindigkeit zu zünden wäre keine praktikable Lösung.

Wenn neue Entdeckungen auftauchen, scheint es klar zu sein, dass Myelin eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Synchronität spielt, und es kann die Leitungsgeschwindigkeit von Bereichen der weißen Substanz auf verschiedene Arten verändern.

Zum Beispiel kann Myelin den Durchmesser des Axons physikalisch verändern (breitere Nerven passieren Signale schneller). Außerdem können Oligodendrozyten die Anzahl der Myelinlagen, die bis zu 150 Blatt pro Faser betragen können, verändern, was wiederum die Leitungsgeschwindigkeit verändert. Durch Ändern der Anzahl oder des Abstands der Knoten von Ranvier können die Geschwindigkeiten außerdem optimiert werden, wobei mehr Knoten näher zusammen die Impulse verlangsamen.

Wir fangen gerade erst an, die Mechanismen hinter dem Einfluss der weißen Substanz auf die kognitive Funktion zu beseitigen, aber bereits jetzt eröffnen sich mögliche Wege.

Die weiße Substanz ist so wichtig für die Funktion des Gehirns wie ihr grauer Nachbar; Es ist dynamisch, mit dem Lernen verbunden und hilft uns, Fähigkeiten und Erinnerungen festzuhalten. Ohne Zweifel wird die Bedeutung von Myelin und weißer Substanz weiter zunehmen, wenn die Forschung fortschreitet und das Bild schärfer wird.

Weiße Materie ist wirklich wichtig.

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