Kognitionsforschung

Forschungsbericht 2011 - Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften

Training verändert das Gehirn viel schneller als gedacht

Autoren

Taubert, Marco; Villringer, Arno; Ragert, Patrick

Abteilungen

Neurologie (Villringer)
Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften, Leipzig

Zusammenfassung
Bis vor Kurzem nahm man an, dass im erwachsenen Gehirn, bis auf Hirnverletzungen oder Abbauprozesse, keine strukturellen Änderungen mehr stattfinden. Heute weiß man, dass unser Gehirn ein Leben lang formbar bleibt. Wie und in welchem Tempo hinterlassen alltägliche Lernprozesse ihre Spuren im Hirn? Neue Forschung zeigt, dass bereits ein kurzes motorisches Training großflächige Änderungen auslöst und dass diese mit den Leistungsverbesserungen zusammenhängen. Die Erforschung dieses enormen Anpassungspotenzials im erwachsenen Gehirn eröffnet vielfältige klinische Anwendungsmöglichkeiten.

Die positiven Effekte von Sport auf das Wohlbefinden und das Herz-Kreislauf-System sind bisher gut dokumentiert. Doch welche Veränderungen ereignen sich dabei auf neuronaler Ebene? Die zielgerichtete Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen zwischen den verschiedenen Zentren im Gehirn wird maßgeblich von der hirnanatomischen Architektur bestimmt. Man unterscheidet zwei Bereiche: Die graue Substanz enthält die Verarbeitungsstationen der neuronalen Information. Sie setzt sich aus verschiedensten Arten von Nervenzellen und nicht neuronalen Zellen zusammen (dunkelgraue Randbereiche im rechten Bild von Abb. 1). In der weißen Substanz hingegen befinden sich die Nervenfaserverbindungen, die Informationen zwischen den Verarbeitungsstationen übertragen (hellgraue Bereiche inmitten der grauen Substanz im rechten Bild in Abb. 1).

<b>Abb. 1:</b> Links: Schematische Zeichnung der Gleichgewichtsaufgabe. Mitte und rechts: Lernbedingte strukturelle Veränderung in der grauen (graue S.) und weißen (weiße S.) Substanz. Bild vergrößern
Abb. 1: Links: Schematische Zeichnung der Gleichgewichtsaufgabe. Mitte und rechts: Lernbedingte strukturelle Veränderung in der grauen (graue S.) und weißen (weiße S.) Substanz. [weniger]

Veränderungen in der grauen und weißen Substanz können zum Beispiel mit struktureller Magnetresonanztomografie (MRT) und Diffusionsgewichteter Bildgebung (DWI) sichtbar gemacht werden. MRT nutzt dabei die magnetischen Eigenschaften von Atomkernen in unterschiedlichen Geweben, um Informationen über deren Zusammensetzung zu gewinnen. DWI verfolgt die durch Diffusion hervorgerufenen Bewegungen von Wassermolekülen in der weißen Substanz. Da Nervenfasern für diese Teilchen eine Barriere darstellen, lassen Verringerungen oder Vergrößerungen der Diffusion auf strukturelle Veränderungen in der Zusammensetzung der Nervenfaserbündel und ihrer unmittelbaren Umgebung schließen. Mit MRT und DWI konnte etwa gezeigt werden, dass ein mehrmonatiges Jongliertraining sowohl in der grauen Substanz – vor allem in Regionen, die für das Verfolgen von Objektbewegungen und für visuo-motorische Planung zuständig sind – als auch in der weißen Substanz zu Veränderungen führt [1, 2, 3].

Schon 45 Minuten Training pro Woche verändern die Hirnstruktur

Betrachtet man jedoch den enormen Leistungszuwachs gerade am Anfang eines neuen Lernprozesses oder zu Beginn der Rehabilitationsphase nach einer Hirnschädigung, so stellt sich die Frage, ob nicht auch viel kürzeres Training einer Aufgabe zu strukturellen Veränderungen in der grauen und weißen Substanz führen müsste. In der Tat zeigen neuere Forschungsergebnisse, dass schon ein 45-minütiges, einmal wöchentlich durchgeführtes Gleichgewichtstraining eine großflächige Veränderung in der grauen und weißen Substanz bewirkt [4]. Erwachsene Versuchspersonen trainierten eine für sie neue Gleichgewichtsaufgabe über einen Zeitraum von sechs aufeinanderfolgenden Wochen (Abb. 1, linkes Bild). Dazu stellten sie sich 45 Minuten pro Trainingstag (15 x 30 Sekunden) auf eine frei schwingende Balancierplattform. Ziel des Gleichgewichtstrainings war es, die Balancierplattform durch akkurate Gleichgewichtsregulation so gut wie möglich in Waage zu halten.

Die Veränderungen im Gehirn wurden zu vier Zeitpunkten erfasst: vor dem ersten Training, in der dritten und fünften Woche sowie eine Woche nach dem letzten Trainingstag in der siebten Woche. Dabei zeigte sich, dass die Veränderungen im Gehirn, die den Lernprozessen zugrunde lagen, nicht gleichmäßig in allen Bereichen stattfanden. In den ersten beiden Wochen kam es zu großflächigen strukturellen Veränderungen in Gebieten der grauen Substanz in motorisch assoziierten Gehirnarealen (Abb. 1, mittleres Bild). Danach verlagerten sich die strukturellen Veränderungen immer mehr in Gebiete, die für strategische Planung und für die Langzeitspeicherung von Gedächtnisinhalten zuständig sind (Abb. 1, rechtes Bild). Je mehr strukturelle Veränderungen sich in diesen Hirngebieten ereigneten, desto stärker verbesserte sich die Balancierleistung. Darüber hinaus zeigten sich ebenso leistungsabhängige Veränderungen in der unmittelbar angrenzenden weißen Substanz (Abb. 1, rechtes Bild). Sowohl die Verarbeitungsstationen in der grauen Substanz als auch deren Nervenfaserverbindungen passten sich strukturell an, abhängig davon, wie viel über die sechs Wochen dazugelernt wurde.

Perspektiven für die klinische Anwendung

Diese Ergebnisse eröffnen mehrere klinische Anwendungsperspektiven. Es ist bekannt, dass im Alter die Gleichgewichtsregulation abnimmt; auch Gleichgewichtsstörungen gehören zu den häufigen Symptomen bei vielen neurologischen Erkrankungen wie beispielsweise Morbus Parkinson. Die Frage drängt sich auf, ob ältere Versuchspersonen und Patienten mit Morbus Parkinson in der Lage sind, die beschriebene Gleichgewichtsaufgabe zu erlernen, und ob sie auf hirnphysiologischer Ebene ebenso anpassungsfähig sind wie junge Erwachsene.

Ungeklärt ist außerdem, welche Funktion die strukturellen Veränderungen für das menschliche Verhalten haben. Ist es gut oder schlecht, dass sich das Gehirn verändert, wenn etwas Neues gelernt wird? Wie wirken sich strukturelle Veränderungen auf die Qualität der Informationsverarbeitung und -weiterleitung zwischen Hirngebieten aus? Kommt es zu einer stärkeren Aktivierung eines strukturell veränderten Gehirnbereichs, wenn eine bestimmte Aufgabe ausgeführt wird? Führt die strukturelle Veränderung zu einer intensiveren Kommunikation zwischen einzelnen Gehirnbereichen?

Diese Fragen müssen geklärt werden, um die Anpassung des Gehirns an sich ständig verändernde Umweltbedingungen genauer zu verstehen.

1.
B. Draganski, C. Gaser, V. Busch, G. Schuierer, U. Bogdahn, A. May:
Neuroplasticity: Changes in grey matter induced by training.
2.
J. Boyke, J. Driemeyer, C. Gaser, C. Buchel, A. May:
Training-induced brain structure changes in the elderly.
3.
J. Scholz, M. C. Klein, T. E. Behrens, H. Johansen-Berg:
Training induces changes in white-matter architecture.
4.
M. Taubert, B. Draganski, A. Anwander, K. Müller, A. Horstmann, A. Villringer, P. Ragert:
Dynamic properties of human brain structure: Learning-related changes in cortical areas and associated fiber connections.
 
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