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Gehirnzellen
MemoryWissenschaft
19.04.2021

Unsere Gehirnzellen und die Neurogenese

Jeder will doch die grauen Zellen fit und gesund erhalten. Aber wie schafft man das? Wir zeigen Euch, was die Gehirnzellen auszeichnet, was neueste Forschungsarbeiten uns über sie verraten haben und wie Ihr sie bei ihrer Arbeit unterstützen könnt.

Das Gehirn, oder fachsprachlich Cerebrum, ist der Sitz unserer grauen Zellen. Obwohl es nur rund 2 % des gesamten Körpergewichtes ausmacht, beansprucht es ca. 20 % unseres Stoffwechselgrundumsatzes und Sauerstoffverbrauchs. Das liegt daran, dass es aus rund 100 Milliarden Nervenzellen – auch Neuronen genannt – besteht und als zentrales Nervensystem eine schier unendliche Reihe an Funktionen steuert.

Das Gehirn und seine Funktionen

Das Gehirn lässt sich vereinfacht in vier Hauptbereiche unterteilen, die unterschiedlichen Aufgaben nachkommen:

  • Das Großhirn in der Mitte wird aus zwei verbundenen Halbkugeln oder Hemisphären gebildet und ist der wohl bekannteste Teil des Gehirns. Es verbindet als Kommunikationszentrale alle Organe, Organsysteme und Gewebe miteinander.
  • Das Zwischenhirn besteht aus Thalamus, Hypothalamus, Subthalamus und Epithalamus. Vor dort werden Informationen unserer Sinnesorgane zum und vom Großhirn vermittelt, zahlreiche körperliche und psychische Lebensvorgänge gesteuert und teilweise die Schlaf-Wach-Steuerung geregelt.
  • Das Kleinhirn verantwortet Gleichgewicht, Bewegungen und deren Koordination und spielt eine Rolle beim Spracherwerb und dem sozialen Lernen.
  • Der Hirnstamm ist der älteste Teil des Gehirns und besteht aus zuführenden und wegführenden Nervenfasern. Er verarbeitet eingehende Sinneseindrücke und ausgehende motorische Informationen, regelt automatisch ablaufende Vorgänge wie Herzschlag, Atmung oder Stoffwechsel und steuert wichtige Reflexe wie Lidschluss, Schlucken und Husten.

Bis hierher sollte klar sein, wie viel Einfluss das Gehirn wirklich auf unser Dasein nimmt. Über die zuführenden und wegführenden Nervenbahnen ist es als Hauptrechner mit dem gesamten Körper verbunden, um die oben aufgezählten Aufgaben durchführen zu können. Die Länge der damit entstehenden Nervenbahnen beträgt etwa 5,8 Millionen Kilometer. Das entspricht dem 145-fachen Erdumfang! Wie aber kommen diese Verbindungen zustande? Und wie schafft unser Gehirn es, all diese Aufgaben zu koordinieren?

Unsere Gehirnzellen, die Neuronen

Nun, alles beginnt bei den Nervenzellen unseres zentralen Nervensystems: den Neuronen. Sie bestehen neben einem Zellkern und einem Zellkörper auch aus Nervenzellfortsätzen, den sogenannten Dendriten. Diese können bis zu einem Meter lang sein und eine einzige Nervenzelle kann sich mit deren Hilfe mit bis zu 30.000 anderen Nervenzellen verbinden.

Zusätzlich sind Neuronen dazu fähig, über sogenannte Axone Verbindungen zu anderen Nervenzellen herzustellen. Sie bilden ein Kommunikationsnetzwerk, um Botschaften effektiv und rasch übertragen zu können. Dazu nutzen sie elektrische Ladungen mit einer Geschwindigkeit von 0,001 Meter pro Sekunde und können damit ungefähr 500 Mal pro Sekunde kommunizieren.

Verknüpfen sich die Axone zweier Neuronen spricht man bei der entstandenen Verbindung von einer Synapse. Diese Synapsen verbinden aber nicht nur die direkten Nervenzellen miteinander, sondern stellen über das Netzwerk ebenso Kontakt in weiter entfernte Körperbereiche her. Mittels chemischer Botenstoffe – sogenannte Neurotransmitter – können die Gehirnzellen Informationen austauschen. So kann unser Gehirn direkt mit unserem kleinen Zeh kommunizieren.

Je mehr Synapsen ein Neuron nun hat, desto mehr Informationen kann es übertragen. Gesamt kommen so über 100 Billionen Synapsen in unserem Gehirn zusammen. Sie schaffen rund 1013 analoge Rechenoperationen pro Sekunde. Eine ganz ordentliche Leistung für unser Hauptrechenzentrum, wie wir finden.

Geschützt werden die Neuronen übrigens von den sogenannten Gliazellen – ebenfalls Zellen unseres Gehirns. Sie sorgen durch die Umhüllung der Neuronen außerdem für ihre elektrische Isolation und sind maßgeblich am Stofftransport und Flüssigkeitsaustausch beteiligt. Warum aber ist all dies wichtig?

Neuronaler Verfall

Nun, im Alter nimmt die Zahl der Nervenzellen leider kontinuierlich ab, sodass wir mit 80 Jahren bereits rund 30 % unserer Neuronen verloren haben. Das liegt unter anderem daran, dass durch den ungewöhnlich hohen durchschnittlichen Stoffwechsel im Gehirn auch ungewöhnlich viel Abfall produziert wird, der teilweise schädlich für unser Gehirn ist.

Unser Gehirn hat mit dem System zwar ein eigenes Aufräumkommando, das schädliche Stoffe ausschwemmt, leider setzt aber jede und jeder von uns täglich dutzende Aktionen, die unseren Neuronen schaden. Ja, wir sorgen sogar dafür, dass es zu neuronalem Verfall und damit zu kognitivem Verlust kommt.

Ihr seid Euch keiner Schuld bewusst? Nun, wenn wir Euch jetzt sagen, dass zu diesen schlechten Gewohnheiten der Genuss von Zigaretten oder alkoholischen Getränken zählt sowie falsche Ernährung, unzureichender Schlaf oder Anspannungen und Stress, dann geht Euch vermutlich schnell ein Licht auf. Denn wie schon öfter thematisiert schädigen diese Gewohnheiten unsere Zellen, und damit auch unsere Gehirnzellen, die Neuronen.

Eine schlechte Nachricht, oder? Immerhin haben wir alle schon das ein oder andere Jahr der Sünden hinter uns. Aber keine Angst, wir lassen Euch natürlich nicht einfach mit dieser Hiobsbotschaft stehen. Denn die neusten Erkenntnisse der Wissenschaft bringen Hoffnung.

Das Geheimnis der Neurogenese

WissenschaftlerInnen konnten beweisen, dass unsere Gehirnzellen nicht – wie bisher angenommen – bei der Geburt angelegt sind und sich danach nicht mehr teilen. Im Gegenteil: Auch das erwachsene Gehirn kann bis ins hohe Alter neue Nervenzellen bilden, wie ein Team rund um María Llorens-Martín von der autonomen Universität Madrid 2019 in einer Studie zeigen konnte.

Die ForscherInnen haben dazu Gewebeproben des Gehirns von 58 verstorbenen PatientInnen mit bis zu 87 Jahren untersucht und dort unreife – also neu gebildete – Neuronen im Hippocampus entdeckt. Damit ist klar, dass der Regenerationsprozess beziehungsweise die Neubildung von Nervenzellen – die sogenannte Neurogenese – mit dem Alter zwar abnimmt, aber nicht aufhört.

Neuronen entstehen – wie die meisten unserer Zellen – dank der Zellkompetenz der Erneuerung aus Stammzellen. Genaueres dazu könnt Ihr hier nachlesen. Dies bestätigten auch NeurowissenschaftlerInnen der Universität Pennsylvania, wie sie im Fachjournal „Cell“ berichteten. Sie konnten bei Mäusen jene Stammzellen identifizieren, aus denen sich neue Nervenzellen entwickeln.

„Wir konnten zeigen, dass es eine Linie von Stammzellen im Hippocampus ist, die vom embryonalen bis zum erwachsenen Gehirn vorhanden ist und kontinuierlich Neuronen bildet“, erklärte Studienautor Hongjun Song. „Diese neuen, unreifen Neuronen sind flexibler als ältere. Sie können leichter Verbindungen herstellen. Das ist wichtig beim Lernen, für das Gedächtnis und für die Stimmung. Die Ergebnisse legen nahe, dass unser Hirn fähig ist, sich ständig zu verbessern, zu adaptieren und neue Zellen in seine Schaltkreise zu integrieren.“

Rund 1.400 neue Zellen sollen so pro Tag im Hippocampus entstehen. Mit diesen wird im Laufe unseres Lebens rund ein Drittel aller Gehirnzellen ausgetauscht. Wie genau dies vonstattengeht haben Ludovic Telley und seine KollegInnen von der Universität Genf erforscht. Mithilfe von Mäuse-Embryonen untersuchten sie, wie unterschiedliche Neuronen gebildet werden. Das Ergebnis: Neokortikale Stammzellen durchleben unterschiedliche Lebensstadien. In jedem Stadium wird ein anderes genetisches Programm abgespult und somit ein anderer Typ von Neuron gebildet.

Dafür verantwortlich zeichnet sich laut ihrer Forschung ein bestimmter Proteinkomplex – der sogenannte PRC2-Komplex. Er triggert die unterschiedlichen Stadien und regt die Produktion von Neuronen an. Mitautorin Nicole Amberg vom Austrian Institute of Science and Technology in Klosterneuburg meinte: „Wir haben nun eine klarere Vorstellung davon, wie neurale Stammzellen im Laufe der kortikalen Entwicklung die richtige Art und Anzahl von Neuronen bilden.“

Interessanterweise werden die Stammzellen im Laufe der Zeit immer empfänglicher für Einflüsse aus der Umwelt, wie die Untersuchung außerdem ergeben hat. So sind die später aktivierten Genprogramme zunehmend auch von externen Signalen abhängig. Dies gilt damit auch allgemein für die Neurogenese bei Erwachsenen. Sie wird sowohl von genetischen Informationen als auch durch äußere Faktoren beeinflusst. Was das konkret heißt? Wir können unsere Neurogenese hemmen oder eben anregen!

Neurogenese gezielt stimulieren

Wir haben bereits erklärt, dass wir mit unseren Gewohnheiten negativen Einfluss auf unsere Gehirnzellen nehmen können. Das Gute ist aber, dass wir diese und ihre Erneuerung aber auch positiv beeinflussen können. Studien bei Mäusen haben gezeigt, dass körperliche Aktivität zur Bildung von Neuronen beiträgt.

Und auch wenn man Mäusestudien nicht eins zu eins auf den Menschen übertragen kann, ist Neurowissenschaftlerin Sandrine Thuret vom King’s College London überzeugt, dass man die Neurogenese auch beim Menschen ähnlich beeinflussen kann. Sie nannte, als positive Stimulationen für die Neuronenbildung, etwas Neues zu lernen, Bewegung, Sex und eine ausgewogene Ernährung. Wohingegen Stress, Schlafmangel und Alkohol die Neurogenese verringern. Ihre Behauptungen werden teilweise auch von Studien aus den Jahren 2011 und 2016 gestützt, wonach diese Faktoren sich positiv beziehungsweise negativ auf das Gedächtnis auswirken. Ob dies nun aber tatsächlich an der Neurogenese liegt, ist noch zu klären.

Die ForscherInnen aus Pennsylvania, die jene Stammzellen in Mäusen identifizierten, die zur Neurogenese fähig sind, wollen nun prüfen, ob diese auch bei anderen Säugetieren und vor allem beim Menschen vorkommen. Wenn ja, wären sie und die Wissenschaft einen großen Schritt näher dran, die Erkenntnisse auch therapeutisch einsetzen zu können. Co-Autorin Guo-Li Ming meinte: „Die Studie gibt Hinweise darauf, was das Gehirn jung hält, wie man das Gedächtnis und die Lernfähigkeit erhalten könnte. Wenn man diesen Mechanismus nutzen kann, könnte man in der Lage sein, Teile des Gehirns zu regenerieren oder zu reparieren.“

Bis dahin wird aber noch etwas Zeit vergehen. Was Ihr so lange schon machen könnt, ist nicht nur Eure Neurogenese anzuregen, sondern auch dafür zu sorgen, dass Eure Gehirnzellen fit und aktiv bleiben und somit nicht zu den rund 30 % der Neuronen gehören, die wir im Laufe des Lebens verlieren.

Haltet Eure Gehirnzellen aktiv

Aktive Gehirnzellen, sind gute Gehirnzellen! Wir alle kennen doch das Sprichwort „Wer rastet, der rostet.“ und gerade, wenn es um unsere Neuronen geht, könnte es nicht treffender sein. WissenschaftlerInnen haben gezeigt, dass aktive – also trainierte – Gehirnzellen diverse Vorteile bringen:

1. Aktive Neuronen erhalten mehr Blut.

Aktive Gehirnbereiche benötigen mehr Energie, mehr Sauerstoff und mehr Glukose, weshalb sie besser durchblutet werden, um diese Bedürfnisse zu stillen. Aktiviert Ihr folglich einen Teil Eures Gehirns – beispielsweise durch Gehirntraining –, so strömt mehr Blut in diesen Bereich und damit auch mehr Sauerstoff. Da Neuronen sehr von der Sauerstoffversorgung abhängig sind, ein großes Plus. Erhalten sie nämlich zu wenig Sauerstoff, sterben sie frühzeitig ab.

2. Aktive Neuronen haben mehr Verbindungen.

Wie oben bereits erläutert, verbindet sich ein Neuron über die Dendriten mit anderen Neuronen. Fakt ist, dass aktive Gehirnzellen sich aber öfter verbinden als inaktive. Damit bleiben sie auch ein aktiver Teil des neuronalen Netzwerkes. Je größer das neuronale Netz einer Zelle ist, desto mehr Chancen hat sie, aktiviert zu werden und langfristig zu überleben.

3. Aktive Neuronen produzieren mehr “Wartungssubstanzen”.

Aktive Neuronen werden vom sogenannten Nervenwachstumsfaktor (NGF) – einem Protein – gebunden und als aktiv, differenziert und ansprechbar markiert. Das ist gut so, denn dadurch produzieren sie noch mehr NGF. Es entsteht ein positiver Teufelskreislauf zur Stärkung der Zelle.

4. Aktive Neuronen stimulieren die Wanderung vorteilhafter Zellen.

Wie oben bereits geschildert bilden die Stammzellen unseres Hippocampus dank der Neurogenese neue Gehirnzellen. Halten wir nun unsere Neuronen aktiv, können diese neuen Zellen in andere Bereiche des Gehirns wandern – je nachdem, wo sie benötigt werden. Nach einer Gehirnverletzung bewegen sich die neuen Zellen beispielsweise in die beeinträchtigten Bereiche und können dort die Funktionsweise der benachbarten Zellen imitieren. So helfen sie, den geschädigten Bereich teilweise wiederherzustellen.

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