Tutorat zur Vorlesung Gehirnentwicklung im HS 2010

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1 Tutorat zur Vorlesung Gehirnentwicklung im HS 2010 Was versteht man unter der Präformationshypothese und welche Bedeutung hat sie heute noch? Präformationshypothese: Die Idee der Präformation wurde vor ca Jahren vom Philosophen Seneca geprägt. Er postulierte, dass der menschliche Embryo einen Menschen in Miniaturform darstellt, bei welchem alle Anlagen des Körpers schon vorhanden und richtig geformt sind. Die einzige Aufgabe der Entwicklung besteht demnach darin, zu wachsen. In der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Präformationshypothese immer mehr in Frage gestellt. Die Forscher realisierten, dass sich humane Embryos deutlich vom erwachsenen Menschen unterscheiden, wohingegen sich Embryos von verschiedenen Spezies in einem frühen Entwicklungsstadium sehr ähnlich sind. Diese verblüffende Ähnlichkeit der Embryos von verschiedenen Spezies unterstützt Darwins Sichtweise, die besagt, dass alle Vertebraten von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen. Ab wann in der fötalen Entwicklung erkennt man ca. die grundsätzlichen Hirnstrukturen? Nach ca. 25 Tagen erkennt man die folgenden grundsätzlichen Hirnstrukturen: 1. Prosencephalon (Vorderhirn) 2. Mesencephalon (Mittelhirn) 3. Rhombencephalon (Rautenhirn) 4. Neuralrohr (bildet das Rückenmark) Wann entwickeln sich ca. der Primitivkörper (embryonic disc), die Neuralrinne und das Neuralrohr incl. der Vorläufer von Auge und Ohr? Tag: Primitivkörper Tag: Neuralrinne Tag: Neuralrohr: Aus dem vorderen, im Kopfabschnitt gelegenen Ende des Neuralrohrs bildet sich das Gehirn, während aus dem hinteren im Rumpfabschnitt gelegenen Teil das Rückenmark entsteht. Aus dem Neuralrohr, welches aus Neuroepithel besteht, entwickeln sich später die Nerven- und Gliazellen. Aus dem Hohlraum des Rohrs entwickeln sich später das Ventrikelsystem und der Rückenmarkkanal.

2 Ab wann entwickelt sich ungefähr die Sylvische Fissur (Sulcus lateralis)? Gyri und Sulci beginnen sich ungefähr im Schwangerschaftsmonat (SSW) zu bilden, ebenso die Sylvische Fissur. Frühestens entdeckt man die Sylvische Fissur im 5. SSW. Ab wann beginnt sich das Gehirn des Föten aufzurichten und sich in die endgültige Position zu bewegen? Ungefähr zwischen dem 40. und 50. Tag beginnt sich das Gehirn aufzurichten, wobei die finale aufgerichtete Position des Gehirns ungefähr im 5. Monat erreicht wird. Aus welchen Zellen entwickeln sich Neuro- und Glioblasten? Aus den pluripotenten Progenitor-Zellen. Sind Neuro- und Glioblasten noch teilungsfähig? Nein. Welche Zellen sind noch teilungsfähig? 1. Stammzellen totipotent (Fähigkeit zur Bildung des Ganzen) 2. Progenitor-Zellen pluripotent (können sich zu Zellen der drei Keimblätter entwickeln) Was sind neurotrophe Faktoren und welche kennen sie? Definition: Eine Klasse von Signalstoffen, welche das Wachstum und die Differenzierung in den sich entwickelnden Neuronen unterstützen. Es lassen sich folgende neurotrophe Faktoren unterscheiden: 1. Epidermal growth factor (EGF): Dieser neurotrophe Faktor stimuliert Stammzellen zur Produktion von Progenitor-Zellen. 2. Basic fibroblast growth factor (bfgf): Dieser neurotrophe Faktor stimuliert Progenitor-Zellen zur Produktion von Neuroblasten. 3. Neuroblasten können prinzipiell zu jedem Neuronentyp werden. Dies ist abhängig vom neurotrophen Faktor, der auf die Neuroblasten einwirkt.

3 Nennen und beschreiben Sie die Stadien der Hirnentwicklung (siehe Folie 14 der Vorlesung Entwicklung ). 1. Zellgeburt Die Zellgeburt umfasst die Neuro- und die Gliogenese. Die Stammzellen entwickeln sich über Progenitor-Zellen in Neuro- und Glioblasten. Das menschliche Gehirn benötigt eine immense Anzahl von Zellen, so dass am Höhepunkt der Gehirnentwicklung 250'000 Neurone pro Minute produziert werden. 2. Zellmigration Die generierten Zellen müssen von ihrem Entstehungsort zu ihrem Bestimmungsort wandern. Dieser Prozess wird Migration genannt und ist genetisch determiniert. 3. Zelldifferenzierung In diesem Stadium entwickeln sich Neuroblasten in spezifische Neuronentypen. 4. Zellreifung Die Zellreifung umfasst das dendritische und das axonale Wachstum. Das dendritische Wachstum (1 Micrometer/Tag) ist langsamer als das axonale Wachstum (1 Millimeter/Tag). Es könnte demnach sein, dass das Axon eine wichtige Rolle bei der dendritischen Differenzierung spielt. Das dendritische Wachstum umfasst die dendritische Arborisierung (Verästelung) und das Wachstum von dendritischen Knospen (Spines). Das Bilden von axonalen Verbindungen wird durch verschiedene Moleküle, welche das sich entwickelnde Axon anziehen oder abstossen, beeinflusst. 5. Synaptogenese In diesem Stadium werden sehr viele Synapsen gebildet. Bereits im 5. Schwangerschaftsmonat existieren einfache synaptische Verbindungen. Nach der Geburt nimmt die Anzahl der Synapsen drastisch zu. Die Bildung von Synapsen wird nicht nur durch das genetische Programm, sondern vor allem von einer Vielzahl verschiedener Hinweisreize und Signalen determiniert, ist also viel stärker umweltabhängig als die Neuro-, Dendrito- und Axongenese. 6. Zelltod und Synapsenreduktion Zunächst wird ein Überschuss an Neuronen und Synapsen gebildet, die später wieder teilweise eliminiert werden müssen. Letzter Vorgang wird auch als Pruning bezeichnet Der Prozess des Zellsterbens und der Synapsenreduktion geschieht nicht zufällig, sondern ist das Resultat eines Wettbewerbs zwischen den Neuronen bezüglich Verbindungen und metabolischen Ressourcen. Hierbei werden unnötige Zellen und Verbindungen eliminiert.

4 Neurone, die von neurotrophen Faktoren depriviert sind, sterben. Dieser genetisch programmierte Zelltod wird Apoptose genannt. Synapsen überleben nur dann, wenn sie Teil eines funktionellen Netzwerks geworden sind. Welche Synapsen überleben, ist unter anderem von den Erfahrungen, die eine Person macht abhängig. Es wird geschätzt, dass 42% aller Synapsen des menschlichen Kortex eliminiert werden (im Gegensatz zu bspw. 10% aller Synapsen im Hirn der infantilen Ratte). 7. Myelogenese In diesem Stadium werden die Axone mit einer Myelinschicht ummantelt. Die Myelinisierung des Kortex beginnt unmittelbar nach der Geburt und setzt sich bis zum 22. Lebensjahr fort, wobei unterschiedliche Hirngebiete zu unterschiedlichen Zeitpunkten myelinisiert werden. Der Neuroanatom Flechsig beschrieb unterschiedliche Entwicklungsgradienten für distinkte Hirnregionen. Sensorische Rindengebiete werden rascher als assoziative Kortexfelder myeliniert. Wann beginnt die Neurogenese und wann nimmt sie ab? Die Neurogenese beginnt 7 Wochen nach der Befruchtung und nimmt nach der 20. Schwangerschaftswoche deutlich ab. Wann beginnt die neuronale Migration und wann nimmt sie ab? Die neuronale Migration beginnt ungefähr in der 8. Schwangerschaftswoche, kurz nachdem die ersten Neurone generiert wurden und ist nach 29. Wochen beinahe vollständig abgeschlossen. Wann beginnt die neuronale Reifung und wann nimmt sie ab? Die neuronale Reifung beginnt in der 20. Schwangerschaftswoche. Diese Phase setzt sich auch nach der Geburt noch eine Weile fort. Bilden sich nach der Geburt neue Neurone? Nach heutigem Wissen entstehen im adulten Säugergehirn neue Nervenzellen in zwei Regionen. 1. Im Ependym der Ventrikel. Die dort entstandenen Neurone wandern in den bulbus olfactoris und ersetzen Zellen im Riechhirn. 2. In der Nähe des Hippocampus, in dem sie dann Zellen ersetzen. Neuere Daten nennen die Zahl von bis zu 2000 neuen Nervenzellen pro Stunde (abhängig von externer Stimulation).

5 Durch welche Faktoren wird die neuronale Migration unterstützt bzw. möglich? 1. Die ventrikuläre Zone enthält eine primitive Karte des Kortex: Zellen, die in einer bestimmten ventrikulären Region gebildet werden, wandern zu einer bestimmten kortikalen Region. 2. Radiale Gliazellen: Diese Zellen besitzen Fasern, die sich von der ventrikulären Zone zur Oberfläche des Kortex erstrecken. Die Zellen einer bestimmten ventrikulären Zone müssen nur diesen radialen Gliazellen folgen, um am richten Ort zu enden. 3. Zeit: Die Neurone der Schicht VI (innerste Kortexschicht) wandern zuerst zu ihrem Bestimmungsort. Anschliessend folgen die Neuronen der Schicht V und so wird der Prozess weiter fortgesetzt, bis alle Schichten des Kortex gebildet sind. Es wird angenommen, dass Zellen, die in derselben Kortexschicht enden sollten, zur selben Zeit in der ventrikulären Zone generiert werden und gemeinsam in einem bestimmten Zeitfenster zu ihrem Zielort wandern. 4. Chemische Signale: Eine geringe Anzahl von Neuronen folgen bei ihrer Migration chemischen Signalen (somale Translokation). Das dendritische und axonale Wachstum hat im Laufe der Ontogenese eine bestimmte Geschwindigkeit. Geben sie diese an. Das dendritische Wachstum beträgt ungefähr ein Mikrometer pro Tag. Das axonale Wachstum beträgt ungefähr einen Millimeter pro Tag. Was versteht man unter tropischen Molekülen? Tropische Moleküle übernehmen im Zusammenhang mit dem axonalen Wachstum eine wichtige Rolle. Die wachsende Spitze des Axons (= Growth cone oder Wachstumskegel) sendet Triebe (= Filopodia) aus, welche potentielle Ziele suchen. Erreicht ein Filopod ein angemessenes Ziel, folgen die anderen Filopodia. Die Wachstumskegel sind gegenüber zwei Hinweisreizen sensibel: 1. Cell-adhesion molecules (CAM) 2. Tropische Moleküle: Signalmolekül, welche die Wachstumskegel anziehen oder abstossen. Diese Moleküle werden von den Zielen, welche von den Axonen aufgesucht werden, produziert. Bis zum heutigen Zeitpunkt wurde lediglich eine Gruppe von tropischen Molekülen, die Netrine, zuverlässig identifiziert. Beschreiben sie den Verlauf der Synaptogenese in V1 beim Menschen (siehe Folie 20). Die synaptische Dichte verdoppelt sich zwischen dem 2. und 4. Monat nach der Geburt und nimmt bis zum ersten Lebensjahr weiter zu. Danach nimmt die Anzahl der Synapsen bis zum 10. Lebensjahr wiederum ab.

6 Vom 10. Lebensjahr bis ins frühe Erwachsenenalter bleibt die Anzahl der Synapsen stabil. Anschliessend ist wiederum eine Abnahme der Synapsendichte erkennbar. Was versteht man unter Flechsigs Myelinisierungskarte? Paul Flechsig bemerkte um 1920, dass die Myelinisierung des Kortex unmittelbar nach der Geburt beginnt und sich bis zum 22. Lebensjahr fortsetzt. Des Weiteren bemerkte er, dass einige kortikalen Regionen bereits im 3. bis 4. Lebensjahr myelinisiert sind, wohingegen andere Areale zu diesem Zeitpunkt noch keine Myelinisierung aufweisen. Flechsigs Myelinisierungskarte zeigt auf, wann die Myelinisierung in welchen Arealen stattfindet, wobei Areale die spät myelinisiert werden heller dargestellt werden im Vergleich zu Arealen die früh myelinisiert werden. Flechsig nahm an, dass jene Areale, die früh myelinisiert sind, relativ einfache Bewegungen und sensorische Analysen ermöglichen, wohingegen Areale, die erst zu einem späteren Zeitpunkt myelinisiert werden, höhere mentale Funktionen kontrollieren. Welches Gewicht hat das Hirn eines menschlichen Neugeborenen? 400 Gramm. Wie entwickelt sich das Hirngewicht nach der Geburt? Geburt bis 5. Lebensjahr: Verdreifachung des Gehirngewichts von 400 Gramm bei der Geburt zu 1200 Gramm im 5. Lebensjahr. 10. bis 90. Lebensjahr: Das Gehirngewicht nimmt über diese Zeitspanne um ungefähr Gramm ab. Einschränkung: Neuere Befunde unterstützen diese Daten nicht mehr. Diese alten Daten entsammen noch Arbeiten, in denen postmortem-gehirne untersucht wurden. Diese Gehirne entstammen von Menschen, die kurz vor ihrem Tode ihre Gehirne der Forschung überlassen hatten. Meistens litten diese Menschen kurz vor ihrem Tod an unheilbaren Erkrankungen. Insofern kann man davon ausgehen, dass diese Gehirne nicht repräsentativ sind! Wir wissen heutzutage nicht genau, wie sich das Gehirn über die ganze Lebensspanne verändert bzw. welche Rolle Training und mentale Beschäftigung bei der Verhinderung von morphologischem Abbau spielen.

7 Welche wichtigen sprachlichen Funktionen entwickeln sich in den ersten 9 Monaten, also noch vor der Etablierung sprachsemantischen syntaktischen Wissens? Sprachentwicklung: Repräsentation von Phonemdiskrimination, Betonungsmustern (Akzentuierung) und Prosodie (Identifikation der Intonationsphrasengrenzen) der Muttersprache. In der Zeit spielt es zuerst keine Rolle, ob Kinder sich an die prälinguistischen Muster ihrer Muttersprache oder irgendeiner anderen Sprache adaptieren. Erst im Alter von 9 Monaten schwindet allmählich die Fähigkeit, eine Bindung an die phonetischen und prosodischen Muster einer Fremdsprache zu entwickeln. Was zeigen fmri-studien von Säuglingen, die gesprochene Sprache hören? Im Gegensatz zu Studien mit Erwachsenen zeigt sich bei Säuglingen eine starke Beteilung rechtshemisphärischer Areale des auditorischen Kortex bei geringer Aktivierung der kontralateralen Felder in der auditorischen Region. Aufgrund unseres heutigen Wissens über die Aufgabenteilung der linken und rechten perisylvischen Rindengebiete können wir sagen, dass Säuglinge die typischen Laut- und Intonationsmuster der Sprache erkennen, aber natürlich nicht verstehen, was gesagt wurde. Warum sprechen Erwachsene auf der ganzen Welt mit kleinen Kindern und Säuglingen eine besondere infant-directed speech? Die infant-directed speech zeichnet sich dadurch aus, dass übertrieben langsam, laut und deutlich gesprochen wird ( acoustic stretching ). Vokale und Phoneme werden deutlicher betont. Wörter und Silben werden häufig wiederholt. Man wendet das Gesicht bewusst den Kindern zu, damit sie auch die lautsynchronen Lippenbewegungen und andere mimische Expressionen verfolgen können. Dies alles dient dazu, dass Säuglinge und Kleinkinder zu einem guten Verständnis feiner Unterscheidungen lautsprachlicher Äusserungen kommen können. Bevor sie anfangen, Wörter und Sätze zu lernen, müssen sie die phonetischen und prosodischen Grundmuster der Sprache erkennen lernen und verinnerlichen. Die soziale Interaktion mit einem authentischen Tutor spielt dabei eine wichtige Rolle, da sie (anders als ein Sprachtraining via Videoband) unmittelbar verstärkend wirkt.

8 Was haben die Studien im Hinblick auf die Hirnentwicklung gezeigt, in denen Ratten und Mäuse in unterschiedlich anregenden Umgebungen (enriched environments) aufgewachsen sind? Der kanadische Neuropsychologie Donald Hebb liess eine Gruppe von Ratten bei sich zu Hause in der Küche (= anregende Umgebung), eine andere Gruppe in Laborkäfigen (= Kontrollgruppe) aufwachsen. Hebb testete die Ratten anschliessend im Hebb-Williams Labyrinth : Die Ratten werden hierbei an einem Startpunkt platziert und müssen anschliessend lernen, das Futter am Zielort zu finden. Es zeigte sich, dass die in einer anregenden Umgebung aufgezogenen Ratten im Vergleich zu den Laborratten eine viel bessere Leistung zeigten, woraus Hebb schloss, dass Intelligenz durch Erfahrung beeinflusst wird. Weitere Evidenz dafür erbrachte die Untersuchung von Rattenhirnen, die in einer anregenden Umgebung aufgewachsen sind (also die Hirne und die Ratten). Diese Tiere haben komplexere und grössere Neurone, mehr Dendriten, mehr Synapsen und mehr und grössere Astrozyten im Vergleich zu Ratten, die in Laborkäfigen aufgewachsen sind. Was sind die Ursachen mentaler Retardierung und was ist mentale Retardierung? Der Begriff mentale Retardierung bezeichnet eine Beeinträchtigung der kognitiven Funktionen, welche durch eine anomale Gehirnentwicklung entsteht. Ursachen: 1. Genetische Anomalitäten z.b. Stoffwechseldefizite oder Chromosomenanomalitäten 2. Abnorme embryonale Entwicklung z.b. Giftexposition 3. Pränatale Erkrankung z.b. Infektion 4. Geburtstrauma z.b. Anoxia (Sauerstoffdeprivation) 5. Mangelernährung - z.b. anomale Gehirnentwicklung 6. eingeschränkte Umwelt z.b. sensorische Deprivation 26. Welche möglichen neuronalen Ursachen werden für die mentale Retardierung angenommen? Abnorme Zellmigration: Zellen, die nicht zu ihrem Bestimmungsort gelangen und nicht absterben, können zu Störungen der Gehirnfunktionen führen.

9 Abnorme Zelldifferenzierung: 1. Die Dendriten von retardierten Kindern sind verkümmert bezüglich ihres Wachstums und der Ausbildung von Spines. 2. Neuronen bilden unnormal lange Dendriten aus und formen unangemessen viele Verbindungen mit anderen Zellen. Die funktionellen Konsequenzen dieser neu geformten Verbindungen können verheerend sein: Exzitatorische Synapsen, die sich am falschen Ort befinden, führen zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Neurons. In welchem Zeitrahmen können dendritische Spines ausgebildet werden? Dendritische Spines werden im Stadium der Zellreifung, aber auch später bis ins Erwachsenenalter, gebildet. Eine Studie mit Ratten zeigte, dass innerhalb von 30 Minuten können neue dendritische Spines durch entsprechende Stimulation ausgebildet werden (long-term potentation).