Geschrieben von: Tim Newman am 16. August 2017Historisch gesehen wurde die graue Substanz typischerweise als die Drehorgel des Gehirns betrachtet und die weiße Substanz war nur der Affe. Aber in den letzten Jahren ist klar geworden, dass der Affe genauso wichtig ist wie sein Herrchen.
Unsere exquisit gefaltete graue Substanz war lange Zeit das Show-Pony des Gehirns; sie befasst sich mit der schweren Zahlenverarbeitung, auf die wir uns alle verlassen, um uns einen Reim auf die Welt zu machen. Die weiße Substanz, so dachte man, hat lediglich die Aufgabe, Nachrichten hin- und herzuleiten, als wenig mehr als eine Ansammlung von passiven Drähten.
Obwohl an dieser Arbeitsteilung etwas Wahres dran ist, erweist sie der weißen Substanz einen großen Bärendienst. Mit zunehmenden wissenschaftlichen Erkenntnissen rückt die Bedeutung der weißen Substanz immer mehr in den Vordergrund. Man weiß heute, dass diese neuronale Informationsautobahn bei einer Reihe von Zuständen und Krankheiten eine wichtige Rolle spielt, und zwar bei der Hirnfunktion, beim Lernen und bei der Koordination weit verzweigter Gehirnzentren.
Was ist weiße Substanz?
Die weiße Substanz macht den Großteil der tiefen Teile des Gehirns aus. Im Gegensatz zur grauen Substanz, die ihren Entwicklungshöhepunkt im Alter von 11 oder 12 Jahren erreicht, entwickelt sich die weiße Substanz bis weit in unsere 20er Jahre hinein (und vielleicht, auf subtilere Weise, bis in unsere 50er Jahre).
Sie besteht aus Bündeln von Axonen oder Bahnen, den langen, schlanken Fortsätzen der Nervenzellen. Wie der Name schon sagt, ist die weiße Substanz weißer als die graue Substanz, und ihre berühmte Weiße ist auf eine wachsartige Beschichtung zurückzuführen, die Myelin genannt wird und sich auf jedem der Axone befindet.
Myelin umhüllt die Oberfläche aller Nervenzellen und hinterlässt kleine Lücken – auch bekannt als Ranvier-Knoten – etwa alle Millimeter.
In myelinisierten Nerven kann ein Impuls, anstatt wie in der grauen Substanz entlang der Zelle zu wandern, von Knoten zu Knoten springen, was die Leitungsgeschwindigkeit erhöht.
Als primärer Botendienst des Gehirns ermöglicht die Myelinisierung der weißen Substanz, Noten zwischen entfernten Regionen mit halsbrecherischer Geschwindigkeit weiterzuleiten.
Tatsächlich können myelinisierte Nerven Impulse bis zu 100-mal schneller weiterleiten als nicht-myelinisierte Fasern.
Im Gehirn wird Myelin von Zellen, die Oligodendrozyten genannt werden, abgelegt. Bei der Geburt ist die Myelinbedeckung relativ spärlich; die Myelinisierung bewegt sich in einer Welle und bedeckt zuerst die weiße Substanz in der Großhirnrinde in der Nähe des Nackens und bewegt sich allmählich vorwärts, bis sie schließlich die Frontallappen in unseren mittleren bis späten 20ern bedeckt.
Die Frontallappen sind wichtig für die Planung, das Denken und das Urteilsvermögen. Einige Wissenschaftler stellen die Theorie auf, dass die begrenzte Myelinisierung dieser Bereiche in der Jugend die Ursache für die Unfähigkeit von Teenagern sein könnte, angemessene Entscheidungen für Erwachsene zu treffen.
Je mehr wissenschaftliches Interesse der weißen Substanz entgegengebracht wurde, desto klarer wurde, dass sie weit davon entfernt ist, ein passives Stück Verkabelung zu sein; sie ist dynamisch – ihr Volumen wächst und schrumpft mit der Erfahrung, sie verarbeitet Informationen – und leitet nicht nur gedankenlos Daten zwischen Punkten weiter.
Weiße Substanz bei psychiatrischen Erkrankungen
Bestimmte Erkrankungen werden seit langem mit Schäden an der Myelinscheide in Verbindung gebracht. So greift das Immunsystem von Menschen mit Guillain-Barré-Syndrom und Multipler Sklerose das Myelin an und verursacht eine sich allmählich verschlimmernde Schwäche, die in Lähmungen enden kann.
In jüngerer Zeit wurden Veränderungen des Myelins mit einer Reihe von psychiatrischen Erkrankungen in Verbindung gebracht, wie z. B. Schizophrenie, schwere Depression, Autismus, posttraumatische Belastungsstörung, Alzheimer’s disease, Legasthenie, Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung, Zwangsstörung und Tourette-Syndrom. Die weiße Substanz wurde sogar mit Stottern und Tonus deafness in Verbindung gebracht.
Eine der am meisten untersuchten psychiatrischen Erkrankungen in Bezug auf die weiße Substanz ist Schizophrenie. Eine Studie, die 6.000 Gene im präfrontalen Kortex von schizophrenen Gehirnen untersuchte, lieferte einen vernichtenden Beweis: von den 89 Genen, die abnormal reguliert waren, waren 35 an der Myelinisierung beteiligt.
Andere Studien haben die weiße Substanz post-mortem untersucht, wobei einige Anomalien in den Bahnen der weißen Substanz und eine verringerte Anzahl von Oligodendrozyten in einigen Hirnregionen nachweisen konnten.
In jüngerer Zeit wurde sogar gezeigt, dass die Bahnen der weißen Substanz im Großteil des Gehirns bei Schizophrenie gestört sind.
Schizophrenie neigt dazu, sich während der Adoleszenz zu entwickeln, einer Zeit, in der das Vorderhirn endlich seine Myelinschicht erhält. Einige Wissenschaftler glauben, dass dies mehr als nur ein Zufall sein könnte.
Ob diese Veränderungen die Ursache für die Erkrankung oder eine Folge der abnormen Hirnfunktion sind, ist noch nicht geklärt, aber wahrscheinlich handelt es sich um eine wechselseitige Verflechtung. Ein Beweis dafür ist eine 2007 veröffentlichte Arbeit von Dr. Gabriel Corfas. Er zeigte, dass die Störung der genetischen Kontrolle der Oligodendrozyten zu auffälligen Verhaltensänderungen führen kann, die denen bei Schizophrenie ähneln.
Betrachtung der weißen Substanz
Ein bildgebendes Verfahren namens Diffusions-Tensor-Imaging (DTI), das auf der MRT-Technologie basiert, zeichnet die relative Bewegung von Wasser innerhalb von Geweben auf. Es kann zur Beobachtung der weißen Substanz verwendet werden.
DTI basiert auf der Annahme, dass sich Wasser in normalem Hirngewebe mit gleicher Wahrscheinlichkeit in alle Richtungen bewegt.
In Bahnen, die parallel ausgerichtet und mit Myelin bedeckt sind, bewegt es sich jedoch eher entlang dieser Bahnen als von Seite zu Seite.
Mit dieser Technologie kann die Mikrostruktur der weißen Substanz betrachtet werden; dichter gepackte Fasern mit dickerem Myelinmantel geben stärkere DTI-Signale. Diese relativ neue Technologie wurde eingesetzt, um nach Zusammenhängen zwischen weißer Substanz und kognitiven Leistungen zu suchen.
In einer Studie wurde zum Beispiel ein Zusammenhang zwischen der Struktur der weißen Substanz und dem IQ gefunden, wobei die Autoren zu dem Schluss kamen, dass „die kognitive Funktion mit einer größeren Faserorganisation korreliert“. In ähnlicher Weise haben andere Wissenschaftler Zusammenhänge zwischen der Qualität der weißen Substanz im Gehirn eines Erwachsenen und seiner Lesefähigkeit gefunden.
Forscher haben auch gezeigt, dass eine bestimmte Nutzung unseres Gehirns die Struktur der weißen Substanz verändern kann. In einem Experiment wurde zum Beispiel festgestellt, dass regelmäßiges Üben eines Musikinstruments den Organisationsgrad der weißen Substanz in den Bereichen erhöht, die für die musikalische Leistung wichtig sind. Die Forscher zeigten, dass das Ausmaß der Veränderung proportional zur Anzahl der Stunden war, die die Person übte. Je mehr man übt, desto mehr wird die weiße Substanz verändert.
Wie die Myelinisierung in die Geschichte passt
Bei Tieren, die sehr bald nach der Geburt laufen und sich ernähren können – wie Pferde und Mäuse – ist die Myelinisierung bei der Geburt fast vollständig. Wie bereits erwähnt, dauert die Myelinisierung beim Menschen jedoch bis in unsere 20er oder 30er Jahre an. Die Tatsache, dass sie so lange dauert, ist ein guter Hinweis darauf, dass sie mehr als nur eine isolierende Funktion erfüllt.
Die lange Dauer der Myelinisierung beim Menschen deckt sich mit der gleichen Zeitspanne, in der die menschliche Großhirnrinde eine enorme Umstrukturierung der synaptischen Verbindungen durchläuft. Man geht davon aus, dass diese Umstrukturierung das Gehirn je nach Erfahrung modifiziert. Aus diesem Grund glauben einige Forscher, dass Myelin und damit die weiße Substanz eine Rolle bei der Formung des Gehirns durch unsere Erfahrungen während unserer Entwicklung spielt.
Diese Theorie wird durch eine Reihe von Tierstudien bestätigt. Zum Beispiel fand eine Studie an Alaska-Wiesenmäusen 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 Volumen der weißen Substanz.
Bei Ratten führt Stress in den letzten 6 Tagen der Schwangerschaft zu einer erhöhten Myelinisierung bei den Nachkommen in den ersten 2 bis 3 Lebenswochen, wobei sich die Werte bis zum 40.
Umgekehrt kann auch eine angenehme Erfahrung die Struktur der weißen Substanz verändern. Die Anzahl der Oligodendrozyten im visuellen Kortex von Ratten, die in einer angereicherten Umgebung mit sozialer Interaktion und Dingen zum Spielen aufwachsen, nimmt zu.
Einige Studien am Menschen haben ebenfalls eine Interaktion zwischen frühen Erfahrungen und dem Volumen der weißen Substanz gefunden. In einer Studie, die in der Zeitschrift Biological Psychiatry veröffentlicht wurde, wurden die Gehirne von Kindern, die missbraucht oder vernachlässigt worden waren, mit den Gehirnen von Kindern verglichen, die dies nicht getan hatten.
Der Corpus callosum – also die größte Struktur der weißen Substanz im Gehirn, die die linke und rechte Gehirnhälfte verbindet – war bei den misshandelten Kindern um 17 Prozent kleiner.
Warum ist die Wachshülle so wichtig?
Kurz gesagt, wir haben keine vollständige Antwort auf diese Frage, aber es gibt einige zwingende Fäden, die man aufgreifen kann.
Die Synchronität der grauen Substanz ist wichtig für die neuronale Entwicklung und das Lernen. Das Sprichwort sagt: „Neuronen, die zusammen feuern, verdrahten zusammen.“ Mit anderen Worten: Neuronen, die synchron feuern, werden mit größerer Wahrscheinlichkeit dauerhaft miteinander verbunden; Nerven, die gemeinsam feuern, gelten als wichtig und werden gestärkt und erhalten.
Wenn nun zwei Nerven, die zusammenarbeiten, aus unterschiedlichen Entfernungen kommen und identisch sind, werden die Signale nicht gemeinsam ankommen; um das Feuern zu koordinieren, muss eines der Axone entweder beschleunigt oder verlangsamt werden.
Präzision im Millisekundenbereich ist lebenswichtig.
Wenn wir eine komplexe Aufgabe wie das Spielen eines Instruments ausführen, werden Informationen von einer Reihe von Gehirnzentren gesendet und fließen hin und her. Synchronität ist ein Muss, und einfach nur Nachrichten mit der größtmöglichen Geschwindigkeit abzufeuern, wäre keine brauchbare Lösung.
Mit den neuen Entdeckungen scheint es klar zu sein, dass Myelin eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Synchronität spielt, und es kann die Leitungsgeschwindigkeit von Bahnen der weißen Substanz auf verschiedene Weise verändern.
Zum Beispiel kann Myelin den Durchmesser des Axons physikalisch verändern (breitere Nerven leiten Signale schneller weiter). Außerdem können Oligodendrozyten die Anzahl der Myelinschichten verändern, die sie ablegen, was bis zu 150 Schichten pro Faser betragen kann, was wiederum die Leitungsgeschwindigkeit verändert. Zusätzlich kann die Geschwindigkeit durch Veränderung der Anzahl oder des Abstands der Ranvier-Knoten verändert werden, wobei mehr Knoten näher beieinander die Impulse verlangsamen.
Wir fangen gerade erst an, die Mechanismen hinter dem Einfluss der weißen Substanz auf die kognitiven Funktionen zu erforschen, aber schon jetzt eröffnen sich mögliche Wege.
Die weiße Substanz ist für die Gehirnfunktion genauso wichtig wie ihre grauen Nachbarn; sie ist dynamisch, am Lernen beteiligt und hilft uns, Fähigkeiten und Erinnerungen zu speichern. Zweifellos wird die Bedeutung von Myelin und weißer Substanz weiter zunehmen, wenn die Forschung weitergeht und das Bild schärfer wird.
Weiße Substanz ist wirklich wichtig.