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Das Gehirn ist in der Lage, sich rasant an verändernde Bedingungen anzupassen. So etwa bei extremen Vorfällen, wie bei einem Schlaganfall oder bei einer Amputation. Bei letzterem kommen anfangs noch Empfindungen des amputierten Körperteils vor und werden im Zuge der Reorganisation der Hirnrinde kleiner oder kürzer. Dieses Phänomen lässt sich mit der Fähigkeit des Gehirns, sich anzupassen – genauer der kortikalen Plastizität – erklären.
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Team Kortikale Plastizität Lehrer
Um den Begriff kortikale Plastizität zu verstehen, wollen wir ihn zunächst in seine Einzelteile zerlegen. Kortikal bezeichnet hierbei “den Kortex (Hirnrinde) betreffend”. Der Begriff Plastizität bedeutet Formbarkeit, also die Fähigkeit sich je nach vorliegenden Bedingungen mit strukturellen und funktionellen Veränderungen zu reagieren.
Setzt man die Bedeutungen der einzelnen Begriffe nun zusammen und mit dem Gehirn in Bezug, ergibt sich folgende Definition für kortikale Plastizität.
Unter kortikale Plastizität versteht man die Formbarkeit von Größe, Verbindungen oder den Aktivierungsschemata von kortikalen Netzwerken.
Der Begriff wird häufig in Bezug auf das gesamte Gehirn genutzt und bezieht hiermit auch nicht kortikale Areale ein. Die Prinzipien der kortikalen Plastizität sind nämlich nicht allein auf kortikale Areale begrenzt, sondern lassen sich auf andere Areale ausweiten. Das liegt daran, dass die Plastizität des Gehirns zur Folge hat, dass gewisse Funktionen im Gehirn von einem Ort zum anderen wandern können.
Was genau ist der Kortex bzw. die Hirnrinde? Betrachten wir dies nochmal genauer.
Die Hirnrinde, auch Kortex oder Hirnmantel genannt, bezeichnet eine Ansammlung von Nervenzellen, die sich als Hirnrinde an der äußersten Schicht von Groß- (cortex cerebri) und Kleinhirn (cortex cerebelli) befindet.
Der Cortex cerebri, auch Großhirnrinde genannt, übernimmt wesentliche Aufgaben bei der Sinneswahrnehmung und macht etwa die Hälfte des Hirnvolumens aus. Aufgrund der hohen Anzahl an Nervenzellen – insbesondere der Zellkörper der Neuronen –, die der Hirnrinde eine graue Farbe verleihen, wird sie auch als graue Substanz (substantia grisea) bezeichnet.
Die tieferen Hirnareale enthalten eine weiße Substanz, auch substantia alba genannt. Der aus den Fortsätzen der Neuronen (Axone) besteht. Die graue und weiße Substanz umhüllen die Gehirnventrikel.
Doch was sind Neuronen? Neurone, auch Nervenzellen genannt, sind elektrisch erregbare Zellen, die der Reizweiterleitung dienen.
Eine Nervenzelle besteht grob aus drei Zellabschnitten:
Die Großhirnrinde kann grob in vier bis sechs Lappen (Lobi) unterteilt werden, die jeweils spezifische Aufgaben haben. Die verschiedenen Gehirnabschnitte arbeiten miteinander, um komplexe Funktionen und Verhaltensmuster auszuüben. Zu den Funktionen gehören bspw. das Sprechen, Sehen, Schmecken und Bewegungen.
Genauer:
Der Temporallappen (Lobus temporalis) ist zuständig für Gehör, Geruch und Sprache.
Der Frontallappen (Lobus frontalis) wird bei der Bewegung, beim Denken und der Sprache aktiv.
Der Parietallappen (Lobus parietalis) ist zuständig für das Schmecken und den Tastsinn.
Der Okzipitallappen (Lobus occipitalis) ist für das Sehen relevant.
Die Großhirnrinde spielt darüber hinaus eine wichtige Rolle bei der Speicherung von Informationen und macht somit eine wichtige Komponente unseres Gedächtnisses aus.
Das Gehirn muss sich in verschiedenen Situationen anpassen, so auch bei einem Unfall oder bei Verletzungen. Dies stellt zwar eine sehr extreme Situation dar, soll Dir aber die Idee der kortikalen Plastizität und der kortikalen Karten näher bringen.
Nehmen wir Sinneseindrücke wahr, wie eine Berührung am Arm, verläuft dieser Reiz an einer Stelle des Kortex. Wird eine andere Stelle am Körper berührt, findet sich der Reiz an einer anderen Stelle im Kortex wieder. So lässt sich jeder Körperregion ein Nervenzellareal im Gehirn zuordnen. Man spricht von der sog. Somatopie. Du kannst Dir das wie eine Karte des Körpers im Kortex vorstellen. Deshalb spricht man auch von kortikalen Karten.
Unter Somatopie versteht man die Abbildung der Körperregionen auf Nervenzellareale im Gehirn.
Wichtig hierbei ist, dass diese Zuordnungen bzw. die Karten nicht “in Stein gemeißelt”, sondern plastisch sind. Studien haben bspw. gezeigt, dass gezieltes Training oder das Fehlen einer Übung die kortikale Karten verändern kann.
Tägliche Klavierfingerübungen zeigten bereits nach einer Woche eine Veränderung der anatomischen Struktur, die für die Kontrolle der Fertigkeit zuständig ist. Eine Immobilisation z. B. aufgrund eines Bruchs führte hingegen zu einer Reduktion der kortikalen Dicke.
Kommt es nun aufgrund eines Unfalls bspw. zu einer Amputation, also der Entfernung eines Körperteils, ändern sich infolgedessen die kortikalen Karten. Doch wie passiert das?
Die kortikalen Karten adaptieren sich, je nach ihrer Eingabe. Als Eingabe sind die Reize gemeint, die vom Körper ausgehen. Bei einem amputierten Bein bekommt das kortikale Feld zunächst keine Eingabe mehr. Dies wird als Deafferentierung bezeichnet und führt dazu, dass in der Folge das kortikale Feld, welches bisher für das Bein zuständig war, jetzt von benachbarten kortikalen Feldern “übernommen” wird.
Im Zuge dieser Reorganisation kann es zu folgendem Phänomen kommen: sind die benachbarten kortikalen Felder bspw. das Gesicht und der rechte Arm, so kann es bei der Empfindung einer Träne im Gesicht zur gleichzeitigen Empfindung am Arm kommen. Heißt: Man spürt die Träne sowohl am Gesicht als auch Arm.
Die Reorganisation geschieht, indem die benachbarten kortikalen Felder um das Feld dazwischen “konkurrieren”. Hierbei kann es noch zu Phantom-Empfindungen kommen. Dazu gehören Schmerzen und andere Empfindungen im Körperteil, welches durch die Amputation nicht mehr vorhanden ist.
Die Empfindungen des Phantoms werden ebenso im Laufe der Zeit kleiner oder kürzer. Dies erklärt sich dadurch, dass das entsprechende kortikale Feld kleiner wird. In den Nachbararealen, die jetzt mehr kortikale Fläche zur Verfügung haben, kann es sogar zu detaillierteren Empfindungen kommen.
Mittels Studien an Affen wurde festgestellt, dass sich der Kortex, der der Wahrnehmung dient – sog. somatosensorische Kortex –, sich infolge einer Fingeramputation verändert. Nach zwei Monaten wurde beobachtet, dass die kortikale Repräsentation des Fingers zurückgegangen ist und die der benachbarten Finger sich erweitert hatte.
Diese Studien heben außerdem die Wichtigkeit von körperlicher Aktivität aus Sicht der kortikalen Plastizität hervor.
Damit Erkenntnisse zur kortikalen Plastizität gewonnen werden können, werden unterschiedliche Untersuchungsmethoden genutzt. Hierzu gehören bildgebende Verfahren und Hirnstimulationstechniken.
Bei der Untersuchung der kortikalen Plastizität konnten bisher nur einfache Leistungen untersucht werden, so etwa der Kortex, der für die Wahrnehmung wichtig ist (somatosensorischer Kortex). Das liegt unter anderem an der Schwierigkeit der Untersuchungen. Dennoch sind weitere Erkenntnisse und Studien in der Zukunft zu erwarten.
Ein Verfahren der funktionellen Bildgebung ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Bei dieser Methode wird eine schwach radioaktive Substanz in den Körper gespritzt, es handelt sich daher um ein sogenanntes invasives (eindringendes) Verfahren.
Bei der PET werden Substanzen, die der Körper metabolisiert, mit der radioaktiven Substanz gekennzeichnet. Je nach Gewebeart zerfällt diese Substanz unterschiedlich schnell.
Diese Kombination aus Radionuklid und der Substanz wird Tracer genannt. Sammelt sich dieser Tracer in einem Gewebe stärker an, können daraus Aussagen über die Aktivität des Gewebes getroffen werden. Je mehr Tracer sich anreichert, umso mehr Strahlung (Positronen) wird abgegeben, die mithilfe eines speziellen PET-Scanners gemessen werden kann.
Im Gehirn werden drei Tracer verwendet:
Neurotransmitter wie Opiate, Dopamin, Serotonin und GABA.
Die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) gehört zu den sogenannten Stimulationsverfahren. Das bedeutet, hier werden nicht nur Signale gemessen, sondern kortikale Areale direkt von außen stimuliert.
Wie funktioniert das? Bei der TMS werden Magnetspulen, die ein starkes magnetisches Feld erzeugen, sehr nah an die Schädeldecke gelegt. Das Magnetfeld ist so stark, dass es die Funktion der betroffenen Hirnregion einschränkt. Es wird sozusagen zeitweise eine Art Läsion erzeugt, also ein bestimmter Teil des Gehirns lahmgelegt.
Eine Läsion ist eine Schädigung oder Zerstörung von Gewebe durch Verletzung oder Krankheit.
Anschließend kann man beobachten, welche kognitiven Funktionen dadurch eingeschränkt sind. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass die gelähmte Region eine Rolle bei der eingeschränkten kognitiven Funktion spielt. Das folgende Beispiel verdeutlicht das:
Versuchspersonen sollen einfache Matheaufgaben lösen. Bei der Hälfte der Versuchspersonen wird währenddessen ein bestimmter Teil des Gehirns mittels TMS gelähmt. Diese Hälfte schneidet bei den Aufgaben deutlich schlechter ab. Der gelähmte Teil scheint also eine wichtige Rolle beim Lösen von Matheaufgaben zu spielen.
Die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) ist eine Erweiterung der Magnetresonanztomografie (MRT). Die Magnetresonanztomografie wird oft als “Hirnscan” bezeichnet und ist heute die zuverlässigste Methode, um ein Bild des menschlichen Gehirns (oder anderer Organe) zu erzeugen.
Vereinfacht erklärt funktioniert ein MRT so: Der Kopf wird in einem sogenannten MRT-Scanner in ein sehr starkes Magnetfeld gelegt, nach dem sich die Atomkerne im Gehirn ausrichten. Je nachdem, wie sich die Atomkerne in diesem Magnetfeld verhalten, können Rückschlüsse auf das jeweilige Gewebe gezogen werden. Daraus wird ein Bild abgeleitet, das die verschiedenen Gewebearten in unterschiedlichen Grautönen darstellt.
Dein Körper besteht zum Großteil aus Wasser (H2O) und damit aus vielen Wasserstoffatomen. Diese bestehen aus einem positiv geladenen Proton und einem negativ geladenen Elektron und reagieren daher durch entsprechende Ausrichtung auf Magnetfelder.
Auch wenn es vielleicht gruselig klingt, dass sich Atome in Deinem Gehirn nach einem magnetischen Feld ausrichten – das MRT gehört zu den sichersten bildgebenden Verfahren der modernen Forschung. Es ist nicht-invasiv, das bedeutet, dass nichts in den Körper eindringt (wie Strahlen oder ein Kontrastmittel). Das Verfahren ist also deutlich weniger gefährlich oder gesundheitsschädlich als invasive Verfahren wie Röntgen.
Gefährlich wird es allerdings, wenn Metallteile am oder im Körper vorhanden sind, denn diese werden von dem Magneten angezogen und können zu Verletzungen führen. Daher erfolgt vor einem Scan immer eine ausführliche Aufklärung und gründliche Überprüfung auf Metallteile.
Außerdem ist ein MRT-Scanner sehr laut, eine längere Untersuchung kann also zu Kopfschmerzen oder einem leichten Tinnitus führen. Diese Nebenwirkungen sollten aber i. d. R. kurze Zeit nach der Untersuchung wieder verschwinden, ohne bleibende Schäden zu hinterlassen.
Beim funktionellen MRT machen Forschende sich die Tatsache zunutze, dass sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben. Wenn man also sehr viele Bilder hintereinander erstellt, kann man Durchblutungsänderungen im Gehirn erkennen, welche einen Hinweis darauf geben, welche Teile des Gehirns gerade aktiv sind. Der Zusammenhang von neuronaler Aktivität und der Sauerstoffanstieg im Blut wird auch als BOLD bezeichnet.
BOLD bezeichnet (Blood Level Oxygenation Dependent).
In einer Studie beobachtet man nun zuerst, wie aktiv das Gehirn im Ruhezustand ist (also wenn eine Person einfach mit offenen Augen im MRT-Scanner liegt). Im zweiten Schritt bekommt die Person eine kognitive Aufgabe (insbesondere einfache Matheaufgaben). Durch die Veränderung der Gehirnaktivität, die in diesem Schritt sichtbar wird, kann man Rückschlüsse darauf ziehen, welche Bereiche im Gehirn für das Lösen einer Matheaufgabe zuständig sind.
Funktionelle Studien lassen beobachten, dass bei einem Ausfall eines Kortexgebiets durch Umlernen andere Kortexgebiete die Funktion übernehmen und hierdurch den Ausfall kompensieren.
Das folgende Beispiel zeigt Dir eine wichtige Gehirnfunktion, die mittels fMRT-Studien entdeckt wurde:
Als Amygdala oder Mandelkern bezeichnet man eine kleine, aber essenzielle Struktur tief im älteren Teil unseres Gehirns. In fMRT Studien konnte man beobachten, dass die Amygdala unter anderem bei Emotionen aktiv ist. Eine besonders wichtige Rolle spielt sie bei der Angst.
Dies konnte man zeigen, indem man Versuchspersonen im fMRT-Scanner verschiedene Bilder zeigte, die entweder neutral waren (z. B. eine Blume) oder Angst hervorrufen sollten (z. B. die Mündung eines Revolvers, ein zähnefletschender Hund, eine große Schlange oder Spinne). Bei den angstauslösenden Bildern war die Amygdala deutlich aktiver, als bei den neutralen Bildern.
Über die Aktivierung der Amygdala (neuronaler Mechanismus) können also Rückschlüsse auf die kognitiven Fähigkeiten (Emotionen) gezogen werden, für die sie zuständig ist.
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Was versteht man unter kortikaler Plastizität?
Unter kortikale Plastizität versteht man die Formbarkeit von Größe, Verbindungen oder den Aktivierungsschemata von kortikalen Netzwerken.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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