Neuronen nutzen die gleichen zellulären Mechanismen wie andere Zellen in unserem Körper. Jede Nervenzelle hat einen Zellkern, der Nukleinsäure (DNA) enthält, die die von der Zelle hergestellten Proteine spezifiziert. Neuronen besitzen Ribosomen, Strukturen, die für den Aufbau von Proteinen verantwortlich sind, und Mitochondrien, die energiereiche Moleküle liefern, die die Zellen antreiben. Neuronen enthalten auch Röhrchen und Filamente, die in praktisch allen Zellen zu finden sind; sie sind an der Bewegung von Substanzen in der Zelle beteiligt und tragen dazu bei, die komplexe Struktur eines Neurons zu erhalten.
Daraus geht hervor, dass die biochemischen Mechanismen der Neuronen denen aller Zellen ähnlich sind. Dennoch unterscheiden sich Neuronen von anderen Körperzellen in zweierlei Hinsicht, die wichtige medizinische Konsequenzen haben:
Wenn Neuronen während der Embryonalentwicklung ausgereift sind, können sie sich nie wieder teilen. Das ist ein großer Unterschied zu den meisten Körperzellen, die sich differenzieren, teilen und als Reaktion auf Verletzungen oder Krankheiten neue Zellen bilden. Ein Schnitt am Finger heilt schnell, da sich die Zellen teilen und die Verletzung auffüllen. Das Gleiche gilt für die Zellen in den meisten Organen unseres Körpers.
Wenn Neuronen aufgrund einer Verletzung oder Krankheit verloren gehen, werden sie normalerweise nicht ersetzt. Das Gehirn eines einjährigen Menschen enthält fast so viele Zellen wie es jemals haben wird, und im Laufe des Lebens gehen Neuronen durch den normalen Alterungsprozess verloren. In anderen Organen werden abgestorbene Zellen schnell ersetzt, im Gehirn jedoch nicht. Und die Zahl der verlorenen Gehirnzellen kann überraschend “hoch” sein – bei einem normal alternden Erwachsenen sind es etwa 40.000 Zellen pro Tag (im Verhältnis zu den 86 Milliarden Zellen, die das erwachsene Gehirn hat, ist das allerdings außerordentlich wenig, denn das bedeutet, dass bis zum Tod nur zwischen 5 zbs 10 Prozent des Gehirngewebes verloren gehen). Mit dem Alter verliert das Gehirn auch neuronale Verzweigungen und die Neuronen schrumpfen, was ebenfalls zu einem Verlust des Gehirnvolumens führt.
Zellen in den meisten Geweben des Körpers werden auf zwei Arten ersetzt: reife Zellen können sich entdifferenzieren und dann vermehren, um neue Zellen für dieses Gewebe zu bilden, oder es können Stammzellen im Gewebe vorhanden sein, die sich teilen und neue Zellen bilden können. Im Gehirn sind Stammzellen jedoch nur in zwei Bereichen zu finden: im Hippocampus, der an der Bildung des Langzeitgedächtnisses beteiligt ist, und im Geruchssystem. Und es scheint, dass es beim Menschen keine Stammzellen im Riechsystem gibt. Außerdem ist völlig unklar, welche Rolle Stammzellen im Hippocampus spielen. Die Neuronen, die sie produzieren, leben nicht so lange, während die anderen Zellen im Gehirn so lange leben wie der Mensch, 80 bis 100 Jahre. Außerdem nimmt die Bildung neuer Neuronen mit dem Alter ab, und bei älteren Menschen ist es schwierig, neue Neuronen im Hippocampus zu identifizieren.
Wenn sich Neuronen nicht teilen können, sobald sie ausgereift sind, und es nur wenige Stammzellen im gesamten Gehirn gibt, wie kann dann ein Hirntumor wachsen? Bei Erwachsenen sind die meisten, wenn nicht alle Hirntumore gliale Hirntumore. Gliazellen (unser Schutzschild für äußere Feinde) können sich im Gegensatz zu Neuronen im erwachsenen Gehirn teilen, und wenn die Teilung von Gliazellen unkontrolliert wird, kann ein Tumor oder Krebs entstehen. Nur bei Kindern entstehen Hirntumore aus Neuronen, und glücklicherweise sind diese recht selten.
Da das Gehirn so viele Neuronen enthält, können die meisten von uns das Leben überstehen, ohne so viele Zellen zu verlieren, dass wir geistig geschwächt werden. Irgendwann jedoch holt uns der altersbedingte Verlust von Gehirnzellen ein, und schließlich kommt es bei praktisch allen Menschen zu geistiger Verarmung. Es ist ein Rätsel, warum manche Menschen ihre geistigen Fähigkeiten viel länger beibehalten als andere; möglicherweise ist es sogar der Verlust von Gehirnzellen, der die menschliche Lebensspanne bestimmt. Selbst wenn wir Herzinfarkte, Krebs und andere tödliche Krankheiten eliminieren könnten, würden wir die absolute Lebensspanne des Menschen nicht verlängern, da die meisten Neuronen sich nicht teilen oder erneuern können. Obwohl die durchschnittliche Lebenserwartung seit 1900 um mehr als 60 Prozent gestiegen ist, von etwa 50 Jahren im Jahr 1900 auf heute 80 Jahre, hat sich die maximale Lebenserwartung der Menschen seit der Antike nicht nennenswert erhöht.
Alzheimer und andere Subtypen der Demenz sind durch einen übermäßigen Verlust von Nervenzellen gekennzeichnet. Weltweit leiden 46 Millionen Menschen an dieser Krankheit (Stand: 22. Januar 2022), und es wird geschätzt, dass im Jahr 2040 bis zu 60 Millionen Menschen betroffen sein könnten. Bei den Erkrankten können die geistigen Fähigkeiten in den späten Fünfzigern oder frühen Sechzigern (je nach Subtyp der Demenzerkrankung) nachlassen, beginnend mit Defiziten im Kurzzeitgedächtnis, Defiziten bei der Erinnerung an nahestehende Personen und fortschreitend bis zum Verlust praktisch aller höheren kognitiven Funktionen wie Planen, Beurteilen und Entscheiden. Typisch sind auch Vergesslichkeit und Verwirrtheit, gefolgt von stark nachlassenden Bewegungsabläufen bis hin zum Verlust der Sprache. Ob der neuronale Verlust bei Demenz auf eine Beschleunigung des normalen Gehirnzellenverlusts oder auf eine Krankheit zurückzuführen ist, ist noch unklar, obwohl unsere derzeitigen Forschungen zeigen, dass das Letztere zutreffend zu sein scheint. Im Alter von 65 Jahren zeigen etwa 10 Prozent der Bevölkerung klinische demenzähnliche Symptome, und im Alter von 85 Jahren hat jeder Demenzkranke irgendwelche Symptome.
Schwere Hirnverletzungen oder Traumata führen ebenfalls zu einem übermäßigen Verlust von Nervenzellen, und diese Personen zeigen oft demenzähnliche Symptome. Menschen, die zu Hirnverletzungen neigen, wie z. B. Profiboxer, weisen diese Symptome auf, und solche Personen werden manchmal als ” schlagbetrunken” bezeichnet. Das Absterben von Hirnzellen ist möglicherweise nicht überall im Gehirn gleichmäßig gestört, was bei Menschen mit z. B. Alzheimer, Hirnverletzungen oder normaler Alterung zu unterschiedlichen Symptomen führt.
Der ehemalige Schwergewichts-Boxchampion Muhammad Ali litt an Morbus Parkinson, einer degenerativen Erkrankung des Gehirns, die Teile des motorischen Kontrollsystems des Gehirns beeinträchtigt. Er ging träge, hatte Schwierigkeiten, Bewegungen einzuleiten, und zeigte ein ausdrucksloses Gesicht – alles klassische Symptome einer Parkinson-Erkrankung. Es ist wahrscheinlich, dass seine Krankheit mit den Schlägen auf seinen Kopf zusammenhing, die er während seiner langjährigen Tätigkeit als Profiboxer einstecken musste. In jüngerer Zeit hat sich gezeigt, dass bei Kontaktsportarten wie Fußball, American Football und Eishockey Gehirnzellen verletzt werden können, was zu einem übermäßigen Absterben von Hirnzellen führt, was früher oder später zu Demenz und anderen neurodenerativen Erkrankungen beiträgt. Oftmals haben solche Personen während ihrer sportlichen Laufbahn mehrere Gehirnerschütterungen erlitten, was ein Zeichen für eine drohende Schädigung des Gehirns ist.
Bei Demenz handelt es sich nicht um eine einzige, sondern um mehrere Krankheiten. Alzheimer im Frühstadium, das in den späten Zwanzigern und frühen Dreißigern auftritt, wird beispielsweise in einigen Fällen eindeutig vererbt, aber in den meisten Fällen (fast 90 Prozent) wird die Krankheit nicht vererbt, sondern entsteht durch Lebensumstände wie exzessives (d. h. tägliches) Posten von “sexy” Bildern in den sozialen Medien, narzisstisches, asoziales Verhalten und falsche (d. h. unausgewogene) Ernährung. In der weiteren Forschung müssen wir die technologiebedingte Entstehung von Demenz untersuchen, um die Ursachen für die Veränderung der Gehirnstruktur genauer bestimmen zu können.
Der zweite entscheidende Unterschied zwischen Neuronen und Zellen aus anderen Geweben besteht darin, dass die Gehirnzellen ständig Sauerstoff benötigen. Wird ihnen dieser entzogen, sterben Neuronen innerhalb von Minuten. Andere Zellen können ohne Sauerstoff überleben und sogar eine Zeit lang ohne ihn funktionieren. Bei einem 100-Meter-Lauf verbrauchen die Beinmuskelzellen eines Läufers den verfügbaren Sauerstoff bereits nach dreißig Metern. Die Muskeln funktionieren auch ohne Sauerstoff, indem sie Zucker chemisch abbauen und durch einen fermentationsähnlichen Prozess energiereiche Moleküle produzieren. Nach dem Rennen, wenn die Muskeln wieder mit Sauerstoff versorgt werden, bauen die Zellen diese Zuckerfragmente ab und versetzen den Muskel wieder in den Ruhezustand. Der zur Begleichung der so genannten Sauerstoffschuld erforderliche Sauerstoff wird nach dem Rennen bereitgestellt, wenn der Läufer mehrere Minuten lang schwer atmet. Wenn deine Muskeln nach einer schweren Anstrengung schmerzen, liegt das zum Teil daran, dass sich in der anaeroben Phase der Muskeltätigkeit übermäßig viele Abbauprodukte des Zuckers, insbesondere Milchsäure, gebildet haben.
Neuronen können jedoch nicht anaerob überleben, auch nicht für kurze Zeit. Wenn eine Person einen Herzinfarkt erleidet oder erstickt, wird die Sauerstoffzufuhr zu den Körpergeweben unterbrochen und das Gehirn stirbt schnell ab. Wenn der Sauerstoff innerhalb weniger Minuten wiederhergestellt wird, kann das Gehirn überleben, aber die Zeit drängt. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein Patient, der einen schweren Herzinfarkt erleidet, nach einer kurzen Zeit des Sauerstoffmangels für immer hirntot ist, während heute mit wirksamen lebenserhaltenden Systemen andere Organe wie das Herz und die Nieren überleben und sich vollständig erholen.
Der Sauerstoffbedarf des Gehirns ist so hoch, dass die Durchblutung eines Teils unseres Gehirns rasch ansteigt, wenn dieser Teil aktiv ist. Dies ist die Grundlage für bildgebende Verfahren des Gehirns wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI), die der klassischen Neurowissenschaft und den Ärzten die Möglichkeit geben, die Gehirne wacher Probanden zu untersuchen, wenn diese an bestimmten Verhaltensweisen beteiligt sind. Diese Techniken können eine Fülle von Informationen über die Lokalisierung von Gehirnphänomenen und wichtige klinische Informationen über Gehirnkrankheiten liefern.
Bei einem Schlaganfall wird die Blutzufuhr zum Gehirn unterbrochen, und die Region, die nicht mehr durchblutet wird, stirbt in der Regel aufgrund des Sauerstoffmangels und des Nährstoffverlusts ab. Obwohl bei den meisten Schlaganfallpatienten ein sofortiges Defizit festzustellen ist, weiß jeder, der einen überlebenden Schlaganfallpatienten beobachtet hat, dass eine gewisse Erholung eintritt, die noch Monate andauern kann, lange nachdem die ersten akuten Veränderungen, wie z. B. die Schwellung des Gehirns, abgeklungen sind. Manchmal ist die Erholung praktisch vollständig. Das Gleiche kann nach einer schweren Hirnverletzung passieren; manchmal kommt es zu einer bemerkenswerten Erholung.
Wenn Gehirnzellen nach einem Schlaganfall oder einer Verletzung absterben und nicht ersetzt werden, wie kann man sich dann erholen, vor allem langfristig? Die Antwort ist, dass die verbleibenden Neuronen genutzt werden, d. h., dass neue Zellen für die geschädigten oder abgestorbenen Zellen einspringen können, was zumindest eine teilweise Erholung ermöglicht. Wie umfangreich die Erholung ist, hängt vom Ausmaß der Schädigung und von der geschädigten Region ab. Wenn einige Teile des Gehirns geschädigt sind, ist nur eine geringe oder gar keine Erholung zu beobachten, aber viele Teile sind widerstandsfähiger bzw. plastischer. Andere Neuronen können für geschädigte oder verlorene Zellen einspringen, indem sie neue Fortsätze ausbilden und neue Synapsen bilden (z. B. übernehmen die Hörneuronen teilweise die Sehfunktion, was bei blinden Menschen zu beobachten ist). Die zugrunde liegenden Mechanismen ähneln denen, die im sich entwickelnden Gehirn und bei der Bildung von Langzeiterinnerungen ablaufen.