Neuronen, die Zellen des Gehirns, nutzen die gleichen zellulären Mechanismen wie andere Zellen unseres Körpers. Jede Nervenzelle hat einen Zellkern, der die Nukleinsäure (DNA) enthält, die die von der Zelle produzierten 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 fast 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 aufrechtzuerhalten.
Daraus geht hervor, dass die biochemischen Mechanismen der Neuronen denen aller Zellen ähnlich sind. Dennoch unterscheiden sich Neuronen von anderen Körperzellen in zwei Punkten, die wichtige medizinische Konsequenzen haben:
- Die meisten Nervenzellen werden bei Verlust nicht ersetzt
- Nervenzellen brauchen ständig Sauerstoff
Neuronen werden nicht ersetzt
Wenn Neuronen während der Embryonalentwicklung ausgereift sind, können sie sich nicht mehr teilen. Das ist ein großer Unterschied zu den meisten Körperzellen, die sich als Reaktion auf Verletzungen oder Krankheiten differenzieren, teilen und neue Zellen bilden. Eine Schnittwunde am Finger heilt schnell, weil sich die Zellen teilen und die Wunde schließen. Das Gleiche gilt für die Zellen in den meisten Organen unseres Körpers.
Wenn Nervenzellen durch Verletzung oder Krankheit verloren gehen, werden sie normalerweise nicht ersetzt. Das Gehirn eines einjährigen Menschen enthält fast so viele Nervenzellen, wie es jemals haben wird, und im Laufe des Lebens gehen Nervenzellen durch den normalen Alterungsprozess verloren. In anderen Organen werden abgestorbene Zellen schnell ersetzt, im Gehirn jedoch nicht. Und die Zahl der Gehirnzellen, die verloren gehen, kann überraschend “hoch” sein – bei einem normal alternden Erwachsenen sind es etwa 40.000 Zellen pro Tag (im Vergleich zu den 86 Milliarden Zellen, aus denen ein erwachsenes Gehirn besteht, ist das allerdings außerordentlich wenig, denn das bedeutet, dass bis zum Tod nur zwischen 5 und 10 Prozent des Gehirngewebes verloren gehen). Mit zunehmendem Alter verliert das Gehirn auch neuronale Verzweigungen und die Neuronen schrumpfen, was ebenfalls zu einem Verlust des Gehirnvolumens führt.
In den meisten Geweben des Körpers werden Zellen auf zwei Arten ersetzt: Entweder entdifferenzieren sich reife Zellen und vermehren sich, um neue Zellen für das Gewebe zu bilden, oder es sind Stammzellen im Gewebe vorhanden, 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 Riechsystem. Und im Riechsystem des Menschen scheint es keine Stammzellen zu geben. Außerdem ist völlig unklar, welche Rolle die Stammzellen im Hippocampus spielen. Die Neuronen, die sie produzieren, leben nicht so lange wie die anderen Zellen im Gehirn, die mit 80 bis 100 Jahren so alt werden wie der Mensch. Außerdem nimmt die Bildung neuer Nervenzellen mit dem Alter ab, und bei älteren Menschen ist es schwierig, neue Nervenzellen im Hippocampus zu identifizieren.
Wenn sich Nervenzellen nicht teilen können, sobald sie ausgereift sind, und es im gesamten Gehirn nur wenige Stammzellen gibt, wie kann dann ein Hirntumor entstehen?
Bei Erwachsenen sind die meisten, wenn nicht sogar alle Hirntumore Gliome. Die Gliazellen (unser Schutzschild gegen äußere Feinde) können sich im Gegensatz zu den Neuronen des erwachsenen Gehirns teilen, und wenn die Teilung der Gliazellen außer Kontrolle gerät, kann ein Tumor oder Krebs entstehen. Nur bei Kindern entstehen Hirntumore aus Neuronen, und glücklicherweise sind sie sehr selten.
Da das Gehirn so viele Nervenzellen enthält, können die meisten von uns durchs Leben gehen, ohne so viele Zellen zu verlieren, dass wir geistig schwach werden. Irgendwann jedoch holt uns der altersbedingte Verlust von Gehirnzellen ein, und schließlich kommt es bei fast allen Menschen zu einer geistigen Verarmung. Es ist ein Rätsel, warum manche Menschen ihre geistigen Fähigkeiten viel länger erhalten als andere; vielleicht 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 Lebenszeit des Menschen nicht verlängern, da sich die meisten Nervenzellen 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 wesentlich erhöht.
Alzheimer und andere Formen 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 ab Ende 50 oder Anfang 60 (je nach Subtyp der Demenz) nachlassen, beginnend mit Defiziten des Kurzzeitgedächtnisses, der Erinnerung an nahestehende Personen und fortschreitend bis zum Verlust nahezu aller höheren kognitiven Funktionen wie Planen, Urteilen und Entscheiden. Typisch sind auch Vergesslichkeit und Verwirrtheit, gefolgt von einer starken Abnahme der motorischen Fähigkeiten bis hin zum Verlust der Sprache. Ob der neuronale Verlust bei Demenz auf eine Beschleunigung des normalen Verlustes von Gehirnzellen oder auf eine Erkrankung zurückzuführen ist, ist noch unklar, obwohl die aktuelle Forschung darauf hindeutet, dass Letzteres der Fall zu sein scheint. Im Alter von 65 Jahren zeigen etwa 10 % der Bevölkerung klinische Symptome einer Demenz, und im Alter von 85 Jahren weist jeder Demenzkranke Symptome auf.
Schwere Hirnverletzungen oder Traumata führen ebenfalls zu einem übermäßigen Verlust von Nervenzellen, und diese Personen zeigen häufig demenzähnliche Symptome. Menschen, die anfällig für Hirnverletzungen sind, wie z. B. Profiboxer, zeigen diese Symptome und werden manchmal als „Schlagbetrunkene” bezeichnet. Das Absterben von Gehirnzellen ist möglicherweise nicht überall im Gehirn gleichmäßig gestört, was zu unterschiedlichen Symptomen bei Menschen mit z. B. Alzheimer, Hirnverletzungen oder normalem Altern führt.
Der ehemalige Schwergewichtsboxchampion Muhammad Ali litt an Parkinson, einer degenerativen Erkrankung des Gehirns, die Teile des motorischen Kontrollsystems des Gehirns betrifft. Er ging langsam, hatte Schwierigkeiten, Bewegungen einzuleiten, und sein Gesicht war ausdruckslos – alles klassische Symptome der Parkinson-Krankheit. Es ist wahrscheinlich, dass seine Krankheit mit den Schlägen auf den Kopf zusammenhing, die er während seiner langjährigen Tätigkeit als Profiboxer einstecken musste. In jüngster Zeit hat sich gezeigt, dass Kontaktsportarten wie Fußball, American Football und Eishockey zu Verletzungen von Gehirnzellen führen können, die ein übermäßiges Absterben von Gehirnzellen zur Folge haben, was früher oder später zu Demenz und anderen neurodenerativen Erkrankungen beiträgt. Häufig haben diese Personen während ihrer Sportlerkarriere mehrere Gehirnerschütterungen erlitten, was auf eine drohende Schädigung des Gehirns hindeutet.
Demenz ist keine einheitliche Krankheit, sondern ein Bündel von Krankheiten. Alzheimer im Frühstadium zum Beispiel, das in den späten Zwanzigern und frühen Dreißigern auftritt, ist in einigen Fällen eindeutig erblich, aber in den meisten Fällen (fast 90 Prozent) ist die Krankheit nicht erblich, sondern entsteht durch Lebensumstände wie exzessives (d. h. tägliches) Posten von “sexy” Bildern in sozialen Medien, narzisstisches und antisoziales Verhalten und schlechte (d. h. unausgewogene) Ernährung. In der weiteren Forschung muss die technologiebedingte Entstehung von Demenz untersucht werden, um die Ursachen für die Veränderung der Gehirnstruktur genauer zu bestimmen.
Neuronen brauchen ständig Sauerstoff
Wird den Nervenzellen im Gehirn Sauerstoff entzogen, sterben die Neuronen innerhalb weniger Minuten ab. Andere Zellen können ohne Sauerstoff überleben und sogar eine Zeit lang ohne Sauerstoff funktionieren. Bei einem 100-Meter-Lauf verbrauchen die Zellen in den Beinmuskeln eines Läufers bereits nach 30 Metern den verfügbaren Sauerstoff. Muskeln funktionieren auch ohne Sauerstoff, indem sie Zucker chemisch abbauen und in einem gärungsähnlichen Prozess energiereiche Moleküle produzieren. Nach dem Lauf, wenn die Muskeln wieder mit Sauerstoff versorgt werden, bauen die Zellen diese Zuckerbausteine ab und versetzen den Muskel wieder in den Ruhezustand. Der Sauerstoff, der benötigt wird, um die so genannte Sauerstoffschuld zu begleichen, wird nach dem Rennen bereitgestellt, wenn der Läufer mehrere Minuten lang schwer atmet. Wenn die Muskeln nach einer schweren Anstrengung schmerzen, liegt das zum Teil daran, dass sich in der anaeroben Phase der Muskeltätigkeit zu viele Zuckerabbauprodukte, vor allem Milchsäure, gebildet haben.
Neuronen können jedoch nicht ohne Sauerstoff überleben, auch nicht für kurze Zeit. Wenn eine Person einen Herzinfarkt erleidet oder erstickt, wird die Sauerstoffzufuhr zum Körpergewebe unterbrochen und das Gehirn stirbt schnell ab. Wird die Sauerstoffversorgung innerhalb weniger Minuten wiederhergestellt, 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 andere Organe wie das Herz und die Nieren heutzutage dank wirksamer lebenserhaltender Systeme 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 wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), die es den klassischen Neurowissenschaftlern und Ärzten ermöglichen, das Gehirn wacher Versuchspersonen zu untersuchen, während diese bestimmte Verhaltensweisen ausführen. Diese Techniken können eine Fülle von Informationen über die Lokalisierung von Hirnphänomenen und wichtige klinische Informationen über Hirnerkrankungen liefern.
Bei einem Schlaganfall wird die Blutzufuhr zum Gehirn unterbrochen, und die nicht mehr durchblutete Region stirbt in der Regel aufgrund von Sauerstoffmangel und Nährstoffverlust ab. Obwohl bei den meisten Schlaganfallpatienten ein sofortiges Defizit zu beobachten 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 fast vollständig. Das Gleiche kann nach einer schweren Hirnverletzung geschehen; manchmal kommt es zu einer bemerkenswerten Erholung.
Wenn Gehirnzellen nach einem Schlaganfall oder einer Verletzung absterben und nicht ersetzt werden, wie kann sich das Gehirn erholen, vor allem langfristig? Die Antwort ist, dass die verbleibenden Nervenzellen genutzt werden, d.h. neue Zellen können die geschädigten oder abgestorbenen Zellen ersetzen, was zumindest eine teilweise Erholung ermöglicht. Das Ausmaß der Erholung hängt vom Ausmaß der Schädigung und der geschädigten Region ab. Wenn einige Teile des Gehirns geschädigt sind, gibt es wenig oder keine Erholung, aber viele Teile sind widerstandsfähiger oder plastischer. Andere Neuronen können für die geschädigten oder verloren gegangenen Zellen einspringen, indem sie neue Fortsätze und Synapsen bilden (z. B. übernehmen die Hörneuronen teilweise die Sehfunktion, was bei Blinden zu beobachten ist). Die zugrundeliegenden Mechanismen ähneln denen, die im sich entwickelnden Gehirn und bei der Bildung von Langzeiterinnerungen ablaufen.