Tutorat zur Vorlesung „Gehirnentwicklung“ im HS 2010

Tutorat zur Vorlesung „Gehirnentwicklung“ im HS 2010
Was versteht man unter der „Präformationshypothese“
welche Bedeutung hat sie heute noch?
und
Präformationshypothese: Die Idee der „Präformation“ wurde vor ca.
2000 Jahren vom Philosophen Seneca geprägt. Er postulierte, dass der
menschliche Embryo einen Menschen in Miniaturform darstellt, bei
welchem alle Anlagen des Körpers schon vorhanden und richtig geformt
sind. Die einzige Aufgabe der Entwicklung besteht demnach darin, zu
wachsen.
In der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Präformationshypothese
immer mehr in Frage gestellt. Die Forscher realisierten, dass sich humane
Embryos deutlich vom erwachsenen Menschen unterscheiden, wohingegen
sich
Embryos
von
verschiedenen
Spezies
in
einem
frühen
Entwicklungsstadium sehr ähnlich sind. Diese verblüffende Ähnlichkeit der
Embryos von verschiedenen Spezies unterstützt Darwins Sichtweise, die
besagt, dass alle Vertebraten von einem gemeinsamen Vorfahren
abstammen.
Ab wann in der fötalen Entwicklung
grundsätzlichen Hirnstrukturen?
Nach ca. 25 Tagen erkennt man die
Hirnstrukturen:
1. Prosencephalon (Vorderhirn)
2. Mesencephalon (Mittelhirn)
3. Rhombencephalon (Rautenhirn)
4. Neuralrohr (bildet das Rückenmark)
erkennt
folgenden
man
ca.
die
grundsätzlichen
Wann entwickeln sich ca. der „Primitivkörper“ (embryonic disc),
die Neuralrinne und das Neuralrohr incl. der Vorläufer von Auge
und Ohr?
- 15. Tag: Primitivkörper
- 18-21. Tag: Neuralrinne
- 23. Tag: Neuralrohr: Aus dem vorderen, im Kopfabschnitt gelegenen
Ende des Neuralrohrs bildet sich das Gehirn,
während aus dem hinteren im Rumpfabschnitt
gelegenen Teil das Rückenmark entsteht. Aus dem
Neuralrohr, welches aus Neuroepithel besteht,
entwickeln sich später die Nerven- und Gliazellen.
Aus dem Hohlraum des Rohrs entwickeln sich
später
das
Ventrikelsystem
und
der
Rückenmarkkanal.
Ab wann entwickelt sich ungefähr die Sylvische Fissur (Sulcus
lateralis)?
Gyri und Sulci beginnen sich ungefähr im 6.-7. Schwangerschaftsmonat
(SSW) zu bilden, ebenso die Sylvische Fissur. Frühestens entdeckt man
die Sylvische Fissur im 5. SSW.
Ab wann beginnt sich das Gehirn des Föten „aufzurichten“ und
sich in die endgültige Position zu bewegen?
Ungefähr zwischen dem 40. und 50. Tag beginnt sich das Gehirn
aufzurichten, wobei die finale aufgerichtete Position des Gehirns ungefähr
im 5. Monat erreicht wird.
Aus welchen Zellen entwickeln sich Neuro- und Glioblasten?
Aus den pluripotenten Progenitor-Zellen.
Sind Neuro- und Glioblasten noch teilungsfähig?
Nein.
Welche Zellen sind noch teilungsfähig?
1. Stammzellen – totipotent (Fähigkeit zur Bildung des Ganzen)
2. Progenitor-Zellen – pluripotent (können sich zu Zellen der drei
Keimblätter entwickeln)
Was sind neurotrophe Faktoren und welche kennen sie?
Definition: Eine Klasse von Signalstoffen, welche das Wachstum und die
Differenzierung in den sich entwickelnden Neuronen unterstützen.
Es lassen sich folgende neurotrophe Faktoren unterscheiden:
1. Epidermal growth factor (EGF): Dieser neurotrophe Faktor
stimuliert Stammzellen zur Produktion von Progenitor-Zellen.
2. Basic fibroblast growth factor (bFGF): Dieser neurotrophe
Faktor stimuliert Progenitor-Zellen zur Produktion von
Neuroblasten.
3. Neuroblasten können prinzipiell zu jedem Neuronentyp werden.
Dies ist abhängig vom neurotrophen Faktor, der auf die
Neuroblasten einwirkt.
Nennen und beschreiben Sie die Stadien der Hirnentwicklung
(siehe Folie 14 der Vorlesung „Entwicklung“).
1. Zellgeburt
Die Zellgeburt umfasst die Neuro- und die Gliogenese. Die Stammzellen
entwickeln sich über Progenitor-Zellen in Neuro- und Glioblasten. Das
menschliche Gehirn benötigt eine immense Anzahl von Zellen, so dass am
Höhepunkt der Gehirnentwicklung 250'000 Neurone pro Minute produziert
werden.
2. Zellmigration
Die generierten Zellen müssen von ihrem Entstehungsort zu ihrem
Bestimmungsort wandern. Dieser Prozess wird „Migration“ genannt und ist
genetisch determiniert.
3. Zelldifferenzierung
In diesem Stadium entwickeln
Neuronentypen.
sich
Neuroblasten
in
spezifische
4. Zellreifung
Die Zellreifung umfasst das dendritische und das axonale Wachstum. Das
dendritische Wachstum (1 Micrometer/Tag) ist langsamer als das axonale
Wachstum (1 Millimeter/Tag). Es könnte demnach sein, dass das Axon
eine wichtige Rolle bei der dendritischen Differenzierung spielt. Das
dendritische
Wachstum
umfasst
die
dendritische
Arborisierung
(Verästelung) und das Wachstum von dendritischen Knospen (Spines).
Das Bilden von axonalen Verbindungen wird durch verschiedene Moleküle,
welche das sich entwickelnde Axon anziehen oder abstossen, beeinflusst.
5. Synaptogenese
In diesem Stadium werden sehr viele Synapsen gebildet. Bereits im 5.
Schwangerschaftsmonat existieren einfache synaptische Verbindungen.
Nach der Geburt nimmt die Anzahl der Synapsen drastisch zu. Die Bildung
von Synapsen wird nicht nur durch das genetische Programm, sondern vor
allem von einer Vielzahl verschiedener Hinweisreize und Signalen
determiniert, ist also viel stärker umweltabhängig als die Neuro-,
Dendrito- und Axongenese.
6. Zelltod und Synapsenreduktion
Zunächst wird ein Überschuss an Neuronen und Synapsen gebildet, die
später wieder teilweise eliminiert werden müssen. Letzter Vorgang wird
auch als „Pruning“ bezeichnet Der Prozess des Zellsterbens und der
Synapsenreduktion geschieht nicht zufällig, sondern ist das Resultat eines
Wettbewerbs zwischen den Neuronen bezüglich Verbindungen und
metabolischen Ressourcen. Hierbei werden „unnötige“ Zellen und
Verbindungen eliminiert.
→ Neurone, die von neurotrophen Faktoren depriviert sind, sterben. Dieser
genetisch programmierte Zelltod wird „Apoptose“ genannt.
→ Synapsen überleben nur dann, wenn sie Teil eines funktionellen
Netzwerks geworden sind. Welche Synapsen überleben, ist unter anderem
von den Erfahrungen, die eine Person macht abhängig. Es wird geschätzt,
dass 42% aller Synapsen des menschlichen Kortex eliminiert werden (im
Gegensatz zu bspw. 10% aller Synapsen im Hirn der infantilen Ratte).
7. Myelogenese
In diesem Stadium werden die Axone mit einer Myelinschicht ummantelt.
Die Myelinisierung des Kortex beginnt unmittelbar nach der Geburt und
setzt sich bis zum 22. Lebensjahr fort, wobei unterschiedliche Hirngebiete
zu unterschiedlichen Zeitpunkten myelinisiert werden. Der Neuroanatom
Flechsig beschrieb unterschiedliche Entwicklungsgradienten für distinkte
Hirnregionen. Sensorische Rindengebiete werden rascher als assoziative
Kortexfelder myeliniert.
Wann beginnt die Neurogenese und wann nimmt sie ab?
Die Neurogenese beginnt 7 Wochen nach der Befruchtung und nimmt
nach der 20. Schwangerschaftswoche deutlich ab.
Wann beginnt die neuronale Migration und wann nimmt sie ab?
Die
neuronale
Migration
beginnt
ungefähr
in
der
8.
Schwangerschaftswoche, kurz nachdem die ersten Neurone generiert
wurden und ist nach 29. Wochen beinahe vollständig abgeschlossen.
Wann beginnt die neuronale Reifung und wann nimmt sie ab?
Die neuronale Reifung beginnt in der 20. Schwangerschaftswoche. Diese
Phase setzt sich auch nach der Geburt noch eine Weile fort.
Bilden sich nach der Geburt neue Neurone?
Nach heutigem Wissen entstehen im adulten Säugergehirn neue
Nervenzellen in zwei Regionen.
1. Im Ependym der Ventrikel. Die dort entstandenen Neurone wandern
in den bulbus olfactoris und ersetzen Zellen im Riechhirn.
2. In der Nähe des Hippocampus, in dem sie dann Zellen ersetzen.
Neuere Daten nennen die Zahl von bis zu 2000 neuen Nervenzellen
pro Stunde (abhängig von externer Stimulation).
Durch welche Faktoren wird die neuronale Migration unterstützt
bzw. möglich?
1. Die ventrikuläre Zone enthält eine primitive Karte des Kortex: Zellen,
die in einer bestimmten ventrikulären Region gebildet werden, wandern zu
einer bestimmten kortikalen Region.
2. Radiale Gliazellen: Diese Zellen besitzen Fasern, die sich von
der ventrikulären Zone zur Oberfläche des Kortex erstrecken. Die
Zellen einer bestimmten ventrikulären Zone müssen nur diesen
radialen Gliazellen folgen, um am richten Ort zu enden.
3. Zeit: Die Neurone der Schicht VI (innerste Kortexschicht)
wandern zuerst zu ihrem Bestimmungsort. Anschliessend folgen die
Neuronen der Schicht V und so wird der Prozess weiter fortgesetzt,
bis alle Schichten des Kortex gebildet sind. Es wird angenommen,
dass Zellen, die in derselben Kortexschicht enden sollten, zur selben
Zeit in der ventrikulären Zone generiert werden und gemeinsam in
einem bestimmten Zeitfenster zu ihrem Zielort wandern.
4. Chemische Signale: Eine geringe Anzahl von Neuronen folgen
bei ihrer Migration chemischen Signalen (somale Translokation).
Das dendritische und axonale Wachstum hat im Laufe der
Ontogenese eine bestimmte Geschwindigkeit. Geben sie diese an.
Das dendritische Wachstum beträgt ungefähr ein Mikrometer pro Tag.
Das axonale Wachstum beträgt ungefähr einen Millimeter pro Tag.
Was versteht man unter tropischen Molekülen?
Tropische Moleküle übernehmen im Zusammenhang mit dem axonalen
Wachstum eine wichtige Rolle. Die wachsende Spitze des Axons (=
Growth cone oder Wachstumskegel) sendet Triebe (= Filopodia) aus,
welche potentielle Ziele suchen. Erreicht ein Filopod ein angemessenes
Ziel, folgen die anderen Filopodia.
Die Wachstumskegel sind gegenüber zwei Hinweisreizen sensibel:
1. Cell-adhesion molecules (CAM)
2. Tropische Moleküle: Signalmolekül, welche die Wachstumskegel
anziehen oder abstossen. Diese Moleküle werden von den Zielen,
welche von den Axonen aufgesucht werden, produziert. Bis zum
heutigen Zeitpunkt wurde lediglich eine Gruppe von tropischen
Molekülen, die Netrine, zuverlässig identifiziert.
Beschreiben sie den Verlauf der Synaptogenese in V1 beim
Menschen (siehe Folie 20).
Die synaptische Dichte verdoppelt sich zwischen dem 2. und 4. Monat
nach der Geburt und nimmt bis zum ersten Lebensjahr weiter zu. Danach
nimmt die Anzahl der Synapsen bis zum 10. Lebensjahr wiederum ab.
Vom 10. Lebensjahr bis ins frühe Erwachsenenalter bleibt die Anzahl der
Synapsen stabil. Anschliessend ist wiederum eine Abnahme der
Synapsendichte erkennbar.
Was versteht man unter Flechsigs Myelinisierungskarte?
Paul Flechsig bemerkte um 1920, dass die Myelinisierung des Kortex
unmittelbar nach der Geburt beginnt und sich bis zum 22. Lebensjahr
fortsetzt. Des Weiteren bemerkte er, dass einige kortikalen Regionen
bereits im 3. bis 4. Lebensjahr myelinisiert sind, wohingegen andere
Areale zu diesem Zeitpunkt noch keine Myelinisierung aufweisen.
Flechsigs Myelinisierungskarte zeigt auf, wann die Myelinisierung in
welchen Arealen stattfindet, wobei Areale die spät myelinisiert werden
heller dargestellt werden im Vergleich zu Arealen die früh myelinisiert
werden.
Flechsig nahm an, dass jene Areale, die früh myelinisiert sind, relativ
einfache Bewegungen und sensorische Analysen ermöglichen, wohingegen
Areale, die erst zu einem späteren Zeitpunkt myelinisiert werden, höhere
mentale Funktionen kontrollieren.
Welches Gewicht hat das Hirn eines menschlichen Neugeborenen?
400 Gramm.
Wie entwickelt sich das Hirngewicht nach der Geburt?
Geburt bis 5. Lebensjahr: Verdreifachung des Gehirngewichts von 400
Gramm bei der Geburt zu 1200 Gramm im 5.
Lebensjahr.
10. bis 90. Lebensjahr:
Das Gehirngewicht nimmt über diese
Zeitspanne um ungefähr 100- 200 Gramm ab.
Einschränkung: Neuere Befunde unterstützen diese Daten nicht
mehr. Diese „alten“ Daten entsammen noch Arbeiten, in denen
postmortem-Gehirne
untersucht
wurden.
Diese
Gehirne
entstammen von Menschen, die kurz vor ihrem Tode ihre Gehirne
der Forschung überlassen hatten. Meistens litten diese Menschen
kurz vor ihrem Tod an unheilbaren Erkrankungen. Insofern kann
man davon ausgehen, dass diese Gehirne nicht repräsentativ sind!
Wir wissen heutzutage nicht genau, wie sich das Gehirn über die
ganze Lebensspanne verändert bzw. welche Rolle Training und
mentale
Beschäftigung
bei
der
Verhinderung
von
morphologischem Abbau spielen.
Welche wichtigen sprachlichen Funktionen entwickeln sich in den
ersten
9
Monaten,
also
noch
vor
der
Etablierung
sprachsemantischen syntaktischen Wissens?
Sprachentwicklung:
Repräsentation
von
Phonemdiskrimination,
Betonungsmustern
(Akzentuierung)
und
Prosodie
(Identifikation
der
Intonationsphrasengrenzen) der Muttersprache. In der Zeit spielt es
zuerst keine Rolle, ob Kinder sich an die prälinguistischen Muster ihrer
Muttersprache oder irgendeiner anderen Sprache adaptieren. Erst im Alter
von 9 Monaten schwindet allmählich die Fähigkeit, eine Bindung an die
phonetischen und prosodischen Muster einer Fremdsprache zu entwickeln.
Was zeigen fMRI-Studien
Sprache hören?
von
Säuglingen,
die
gesprochene
Im Gegensatz zu Studien mit Erwachsenen zeigt sich bei Säuglingen eine
starke Beteilung rechtshemisphärischer Areale des auditorischen Kortex
bei geringer Aktivierung der kontralateralen Felder in der auditorischen
Region. Aufgrund unseres heutigen Wissens über die Aufgabenteilung der
linken und rechten perisylvischen Rindengebiete können wir sagen, dass
Säuglinge die typischen Laut- und Intonationsmuster der Sprache
erkennen, aber natürlich nicht verstehen, was gesagt wurde.
Warum sprechen Erwachsene auf der ganzen Welt mit kleinen
Kindern und Säuglingen eine besondere „infant-directed speech“?
Die „infant-directed speech“ zeichnet sich dadurch aus, dass übertrieben
langsam, laut und deutlich gesprochen wird („acoustic stretching“). Vokale
und Phoneme werden deutlicher betont. Wörter und Silben werden häufig
wiederholt. Man wendet das Gesicht bewusst den Kindern zu, damit sie
auch die lautsynchronen Lippenbewegungen und andere mimische
Expressionen verfolgen können. Dies alles dient dazu, dass Säuglinge und
Kleinkinder zu einem guten Verständnis feiner Unterscheidungen
lautsprachlicher Äusserungen kommen können. Bevor sie anfangen,
Wörter und Sätze zu lernen, müssen sie die phonetischen und
prosodischen
Grundmuster
der
Sprache
erkennen
lernen
und
verinnerlichen. Die soziale Interaktion mit einem authentischen Tutor
spielt dabei eine wichtige Rolle, da sie (anders als ein Sprachtraining via
Videoband) unmittelbar verstärkend wirkt.
Was haben die Studien im Hinblick auf die Hirnentwicklung
gezeigt, in denen Ratten und Mäuse in unterschiedlich anregenden
Umgebungen (enriched environments) aufgewachsen sind?
Der kanadische Neuropsychologie Donald Hebb liess eine Gruppe von
Ratten bei sich zu Hause in der Küche (= anregende Umgebung), eine
andere Gruppe in Laborkäfigen (= Kontrollgruppe) aufwachsen. Hebb
testete die Ratten anschliessend im „Hebb-Williams Labyrinth“: Die Ratten
werden hierbei an einem Startpunkt platziert und müssen anschliessend
lernen, das Futter am Zielort zu finden. Es zeigte sich, dass die in einer
anregenden Umgebung aufgezogenen Ratten im Vergleich zu den
Laborratten eine viel bessere Leistung zeigten, woraus Hebb schloss, dass
Intelligenz durch Erfahrung beeinflusst wird.
Weitere Evidenz dafür erbrachte die Untersuchung von Rattenhirnen, die
in einer anregenden Umgebung aufgewachsen sind (also die Hirne und die
Ratten). Diese Tiere haben komplexere und grössere Neurone, mehr
Dendriten, mehr Synapsen und mehr und grössere Astrozyten im
Vergleich zu Ratten, die in Laborkäfigen aufgewachsen sind.
Was sind die Ursachen mentaler Retardierung und was ist mentale
Retardierung?
Der Begriff „mentale Retardierung“ bezeichnet eine Beeinträchtigung
der kognitiven Funktionen, welche durch eine anomale Gehirnentwicklung
entsteht.
Ursachen:
1. Genetische Anomalitäten
oder Chromosomenanomalitäten
2. Abnorme embryonale Entwicklung
3. Pränatale Erkrankung
4. Geburtstrauma
→
z.B.
→
→
→
5. Mangelernährung
-
6. eingeschränkte Umwelt
→
z.B. Giftexposition
z.B. Infektion
z.B. Anoxia
(Sauerstoffdeprivation)
z.B. anomale
Gehirnentwicklung
z.B. sensorische
Deprivation
Stoffwechseldefizite
26. Welche möglichen neuronalen Ursachen werden für die
mentale Retardierung angenommen?
Abnorme Zellmigration:
Zellen, die nicht zu ihrem Bestimmungsort gelangen und nicht absterben,
können zu Störungen der Gehirnfunktionen führen.
Abnorme Zelldifferenzierung:
1. Die Dendriten von retardierten Kindern sind verkümmert
bezüglich ihres Wachstums und der Ausbildung von Spines.
2. Neuronen bilden unnormal lange Dendriten aus und formen
unangemessen viele Verbindungen mit anderen Zellen. Die
funktionellen Konsequenzen dieser neu geformten Verbindungen
können verheerend sein: Exzitatorische Synapsen, die sich am
falschen Ort befinden, führen zu einer Beeinträchtigung der Funktion
des Neurons.
In welchem Zeitrahmen können dendritische Spines ausgebildet
werden?
Dendritische Spines werden im Stadium der Zellreifung, aber auch später
bis ins Erwachsenenalter, gebildet. Eine Studie mit Ratten zeigte, dass
innerhalb von 30 Minuten können neue dendritische Spines durch
entsprechende Stimulation ausgebildet werden (long-term potentation).