Hirnforschung Denn sie wissen nicht, was ihr Kopf tut

Die Jugend hat viele Privilegien. Wenn es allerdings um die Entwicklung des Gehirns geht, ist das Erwachsenwerden ein geradezu erbarmungswürdiger Zustand. Die Seele schwankt zwischen den Extremen, und der Kopf wird buchstäblich zum Hexenkessel. Nimmt man die jüngsten Befunde der Hirnforschung, kann man sogar mit Fug und Recht behaupten, dass wohl niemals mehr im Leben Anspruch und Auftreten so weit entfernt von den tatsächlichen kognitiven Verhältnissen sind wie bei den Herwanwachsenden. Nach außen geben sie sich gerne gereift, selbstbewusst und aggressiv, drinnen im Kopf aber bricht sich das Chaos scheinbar Bahn, werden sie sensibler und schwankender - ist der neuronale Kuddelmuddel zumindest für die letzten Jahre vor dem Erwachsenwerden der vorherrschende Zustand.

Seitdem die Hirnforschung aufgehört hat, sich fast ausschließlich Kindern, Babys und Ungeborenen zuzuwenden und ihre bildungspolitischen Schlüsse daraus zu ziehen, geraten nun zunehmend Pubertät und Adoleszenz als wegweisende Phasen der Hirnentwicklung in den Blick. Tatsächlich hatte man schon vor Jahren Anhaltspunkte gefunden, dass der Reifeprozess keineswegs linear verläuft.

Nur die wichtigen Nervennetze bleiben erhalten

Paul Thompson von der University of California in Los Angeles und seine Kollegen von den amerikanischen National Institutes of Health in Bethesda waren es, die mit ihren zweijährig wiederholten und über viele Jahre konsequent an denselben Personen vorgenommenen Kernspinaufnahmen beeindruckende Zeugnisse von den anatomischen Umbrüchen in der Architektur des jugendlichen Gehirns geliefert hatten. Darauf konnte man noch einen linearen Reifeprozess erkennen. So etwa, dass die grauen Zellen im Großhirn - Großhirnrinde oder Kortex genannt - im Laufe der Kindheit bis kurz zur Pubertät zuerst zunehmen, dann aber kontinuierlich bis zum Erwachsenwerden abnehmen. Das entspricht der alten These, dass in der Kindheit eine Art Überproduktion von Nervenzellen und Nervenverbindungen aufgebaut wird, die ungenutzten Leitungen aber im Laufe der Zeit ebenso konsequent wieder aussortiert werden und verschwinden. Nur die wichtigen Nervennetze bleiben erhalten oder werden gar verstärkt.

Im Lichte der Evolution betrachtet, hatten die von Thompsons Gruppe dokumentierten Sequenzen eine innere Logik: die höheren motorischen und sensorischen Zentren reifen zuerst, ebenso schnell die für Geruchs- und Geschmackswahrnehmungen, gefolgt von den Verarbeitungszentren für die räumliche Orientierung, später etwa jene für die Sprache und die Feinkoordination von Bewegungen. Der Eindruck einer stabilen linearen, evolutionsbiologisch vorgegebenen und womöglich weitgehend genetisch gesteuerten Entwicklung wurde durch die imposanten Detailbilder aus dem Innern des Kopfes also eher noch gestärkt. Auch die anatomischen Studien, die zeigten, dass die weiße Substanz mit ihren schnellleitenden, myelinisierten Nervenbahnen im Laufe des Lebens mehr oder weniger ununterbrochen zunimmt, deuteten in diese Richtung.

Ein deutlich komplexerer Entwicklungsvorgang

Neuere Untersuchungen an Kindern und Jugendlichen jedoch, die ähnlich wie in Thompsons Studie mit denselben Personen über viele Jahre vorgenommen wurden, sprechen für einen deutlich komplexeren Entwicklungsvorgang. Offenbar zeigen die Bilder und Messungen der grauen Zellen im Kortex nur die halbe Wahrheit. Hinter dem Umbau der Hirnanatomie verbergen sich offensichtlich tiefgreifende, oft aber auch nur vorübergehende Umbrüche in den „sensiblen Phasen“ des Heranwachsenden.

Den jüngsten Befund dafür lieferte kürzlich die Gruppe um Peter J. Uhlhaas, Ruxandra Sireteanu, Frederic Roux und Wolf Singer am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main. Die Wissenschaftler haben sich nicht die anatomischen, sondern die physiologischen Veränderungen im Gehirn betrachtet. Mit Dutzenden Elektroden am Schädel und als Elektroenzephalogramm (EEG) aufgezeichnet, hat man die elektrischen Hirnströme ins Visier genommen. Das Augenmerk galt dabei jenen über die gesamte Großhirnrinde verteilten funktionalen Netzwerken.

Lückenhafte Bilder von menschlichen Gesichtern

Besonders interessiert war man auf die voneinander entfernten Nervenzellpopulationen, die gleichzeitig feuern - synchron schwingen. Das deutet auf eine gute Koordination, gleichsam auf einen höheren Reifegrad hin. Steven Petersen von der Washington University School of Medicine in St. Louis haben mit beeindruckenden Simulationen vor Augen geführt, wie das Gehirn im Laufe der Zeit von lokalen Knoten nahe beinander liegender Hirnareale auf Kommunikationsnetze weit entfernter Nervenzentren umsteigt und sich dabei komplett neu organisiert (“Plos Computational Biology“, Bd. 5, S. e1000381).

Bei Erwachsenen hat man in dieser Hinsicht auch am Frankfurter Max-Planck-Institut eindeutige Verhältnisse gefunden: Ihre Gehirne zeigen, wenn man sie vor die Aufgabe stellt, lückenhafte Bilder von menschlichen Gesichtern zu ergänzen und wiederzuerkennen, wohlkoordinierte synchrone Oszillationen über einen großen Frequenzbereich. Die Gesichter wurden schnell und sicher erkannt. Tatsächlich nahm in den Frankfurter Experimenten mit zunehmendem Alter der 68 Probanden auch die Reaktionszeit ab. Die Bilder wurden umso schneller verarbeitet, je älter die Teilnehmer waren, und die Synchronität der Nervennetzwerke, die sich über Theta-, Beta- und höherfrequente Gammawellen miteinander koppelten, nahm zu.

Massive Störungen bei Jugendlichen

Überraschenderweise aber gab es dennoch einen deutlichen Einbruch: Die Jugendlichen nach den Flegeljahren, also im Alter zwischen 15 und 17 Jahren, reagierten physiologisch völlig anders: Ausgerechnet im höheren Frequenzbereich der Hirnwellen, den Betawellen zwischen 14 und 30 Hertz und den Gammawellen über 30 Hertz, die bei starker Konzentration und Lernprozessen auftreten, kommt es zu auffallend kleineren und chaotischeren Ausschlägen.

Die Synchronisierung und damit die Koordination der höheren Zentren leidet erheblich, wie die Forscher in den „Proceedings“ der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften berichten (Bd. 106, S. 9866). Was bis zur Pubertät noch funktionierte und dann im Erwachsenen völlig selbstverständlich ist, scheint bei diesen Jugendlichen massiv gestört. Uhlhaas und seine Kollegen deuten ihren Befund so, dass die Aktivitätsmuster im Kortex erst spät reifen und „mit einer vorübergehenden Destabilisierung kortikaler Netzwerke verbunden“ sind.

Intensiv von Träumen geschüttelt

Hinweise auf einen solch tiefgreifenden Umbruch haben auch Ian Campbell und Irwin Feinberg von der University of California in Davis entdeckt. Sie beobachteten die Hirnaktivität im Schlaf. Dabei konzentrierten sie sich in ihren EEG-Aufzeichnungen auf die langsamen synchronisierten Delta-Wellen, die in den traumlosen Tiefschlafphasen - dem „Non-Rem-Schlaf“ - auftauchen, sowie auf die etwas höherfrequenten Thetawellen, die beim leichten Schlaf vorherrschen. Seit langem weiß man, dass sich der Schlaf im Laufe der Kindheits- und Jugendentwicklung verändert. Im Alter zwischen zehn und zwanzig Jahren nimmt der Anteil der Tiefschlafphasen in der Nacht spürbar ab.

Campbell und Feinberg haben nun allerdings zum ersten Mal gezeigt, wie tief dieser Einbruch wirklich ist: Der Anteil der synchronisierten langsamen Hirnströme sinkt bei den Elf- bis Siebzehnjährigen um zwei Drittel ab. Offensichtlich werden die Jugendlichen in dieser kognitiven Wendezeit im Schlaf plötzlich intensiv - und für einige Jahre immer intensiver - von Träumen geschüttelt. Die Reifung unseres Gehirns fordert ihren Preis von der Jugend.