Neuronale Plastizität, auch als Neuroplastizität bekannt und unter verschiedenen anderen Namen, ist die Veränderung der Struktur, Funktion und Organisation von Neuronen oder Nervenzellen als Reaktion auf neue Erfahrungen. Es bezieht sich speziell auf die Stärkung oder Schwächung von Nervenverbindungen oder das Hinzufügen neuer Nervenzellen aufgrund von äußeren Reizen. Diese Prozesse sind für das Lernen, die Bildung angemessener Reaktionen auf äußere Ereignisse und in einigen Fällen die Genesung von einer Hirnverletzung verantwortlich. Die neuronale Plastizität gehört zu den wichtigsten Aspekten der modernen Neurowissenschaften und ihre Erforschung führt unter anderem zu einem besseren Verständnis der Gehirnentwicklung, des Lernens und der Rehabilitation von hirnverletzten Patienten.
Mechanismen
Neuronen bestehen aus einem Zellkörper mit einer oder mehreren verzweigten Strukturen, die als Dendriten bekannt sind, und einer langen, faserartigen Verlängerung, die als Axon bekannt ist. Dendriten empfangen hauptsächlich Signale von Sinnesorganen und anderen Neuronen. Das Axon sendet über winzige Lücken, die Synapsen genannt werden, Signale an die Dendriten benachbarter Nervenzellen. Die Kommunikation über diese Lücken hinweg wird durch Chemikalien ermöglicht, die Neurotransmitter genannt werden. Es gibt drei breite Mechanismen, durch die neuronale Plastizität auftreten kann.
Anatomische Veränderungen beinhalten physikalische Veränderungen an Neuronen, wie z. B. axonales Aussprossen, bei dem Axone neue Nervenenden produzieren, die sich mit anderen Bahnen im Nervensystem verbinden. Dies kann bestehende Verbindungen stärken oder helfen, Teile des Nervensystems zu reparieren, indem beschädigte Nervenbahnen wieder voll funktionsfähig sind. Neurochemische Veränderungen können beispielsweise eine Erhöhung oder Verringerung der Produktion von Neurotransmittern beinhalten. Stoffwechselveränderungen können Schwankungen in der Rate beinhalten, mit der Nährstoffe von Teilen des Gehirns aufgenommen werden.
Plastizität kann auch das Entfernen von Verbindungen beinhalten. Alte Nervenbahnen, die längere Zeit nicht genutzt wurden, können absterben. Dieser Vorgang wird als synaptisches Pruning bezeichnet und ermöglicht es, neuronale Verbindungen, die keinen Zweck mehr erfüllen, zu entfernen und nützlichere zu stärken.
Gedächtnis, Entwicklung und Lernen
Die neuronale Plastizität ist entscheidend für die Entwicklung des Gehirns, die Bildung von Erinnerungen und die Fähigkeit, aus Erfahrungen zu lernen. Das Gehirn braucht die Fähigkeit, sich selbst zu verändern und zu reorganisieren, um Informationen zu speichern und auf äußere Ereignisse optimal zu reagieren. Dabei entstehen gerade in den allerersten Jahren viele neue Verbindungen und Wege. Bei einem Neugeborenen gibt es etwa 2,500 Synapsen für jedes Neuron in der Großhirnrinde, der äußersten Schicht des Gehirns. Während der ersten zwei bis drei Lebensjahre steigt diese dramatisch auf etwa 15,000 an, aber bis zum Erwachsenenalter ist die Zahl aufgrund der synaptischen Beschneidung auf etwa die Hälfte gesunken, da ungenutzte Bahnen entfernt werden.
Im Laufe des Lebens werden die Verbindungen zwischen den Axonen, die Signale senden, und den Dendriten, die sie empfangen, gestärkt und geschwächt. Wenn eine bestimmte Verbindung häufig verwendet wird, wird sie verstärkt. Möglicherweise wird die Dendritenoberfläche vergrößert oder es werden mehr Neurotransmitter produziert. Umgekehrt kann eine Verbindung geschwächt werden, wenn sie nicht viel genutzt wird. Auf diese Weise werden die wichtigsten Pfade verstärkt.
Früher glaubte man, dass neuronale Plastizität nur bei sehr jungen Menschen existiert und dass, sobald neuronale Bahnen gebildet waren, diese festgelegt waren und nicht mehr verändert werden konnten. Moderne Gehirnstudien haben jedoch gezeigt, dass sich Nerven im Laufe des Lebens ständig neu anordnen. Dadurch ist der Mensch in der Lage, sich an eine Vielzahl von Umständen anzupassen; die Physiologie des Gehirns verändert sich als Reaktion auf Erfahrungen. In jedem Lebensabschnitt können sich neue Verbindungen bilden, parallel zum Abschneiden alter, ungenutzter Verbindungen, die es Menschen ermöglichen, auch im hohen Alter Wissen zu erwerben und neue Fähigkeiten zu erwerben.
Wiederherstellung nach Schäden und medizinische Anwendungen
Aufgrund der Fähigkeit von Nervenzellen, sich selbst zu restrukturieren und zu reorganisieren, ist eine Schädigung des Gehirns oder anderer Aspekte des Nervensystems nicht immer dauerhaft. Bereiche gesunder Neuronen können manchmal die Funktionen von beschädigten Teilen übernehmen. Auf diese Weise konnten Opfer von Hirnverletzungen oder Schlaganfällen in einigen Fällen zumindest einen Teil der verlorenen Funktionalität wiedererlangen.
Ab 2013 konzentriert sich ein Großteil der Forschung darauf, die neuronale Plastizität für medizinische Zwecke zu nutzen. Es gibt viele verschiedene Erkrankungen des Gehirns und der Nerven, die die Wahrnehmung, das Gedächtnis, die Beweglichkeit oder andere Fähigkeiten der Betroffenen stark beeinträchtigen. Die teilweise natürliche Genesung einiger Schlaganfall- und Hirnverletzungsopfer könnte möglicherweise durch medizinische Interventionen verlängert und verbessert werden, um die Neuorganisation von Neuronen zu steuern. Zerebralparese und Alzheimer-Krankheit sind Beispiele für Gehirnerkrankungen, die möglicherweise durch gesteuerte neuronale Plastizität behandelt werden könnten. Ein möglicher Bereich der zukünftigen Entwicklung ist die Verwendung neuraler Stammzellen, um neue Nervenzellen und Nervenbahnen zu erzeugen, eine Technik, die zu erfolgreichen Behandlungen für eine Vielzahl von Erkrankungen und Verletzungen des Gehirns führen könnte.