lang=de|mini|Embryogenese des Vertebratengehirns: Das Neuralrohr (nicht illustriert) differenziert zunächst in Prosencephalon, Mesencephalon und Rhombencephalon (linke Bildhälfte, ungefähr 4. Woche). Anschließend differenziert das Prosencephalon in Diencephalon und Telencephalon. Das Diencephalon differenziert weiter aus.
Die Gehirnentwicklung beim Menschen (auch: Hirnentwicklung) beginnt in der dritten Schwangerschaftswoche und ist erst nach der Pubertät, mehr als 20 Jahre nach der Geburt, weitgehend abgeschlossen.Jay N. Giedd: The Amazing Teen Brain. In: Scientific American. Band 312, Nr. 5, 2015, S. 32–37, doi:10.1038/scientificamerican0615-32 Interview mit Jay Giedd, Professor für Psychiatrie, University of California, San Diego. Rätsel Pubertät. Nebel hinter der Stirn. In: spiegel.de. 4. Mai 2010.
Ab dem zwölften Lebensjahr könnte man den Menschen hirnphysiologisch als mehr oder weniger erwachsen ansehen. Zu diesem Zeitpunkt ist auch der größte Teil des Hirnwachstums abgeschlossen. Die vollständige Entwicklung ist jedoch erst mit 30 Jahren abgeschlossen, wie neuere Forschung belegt. Erst dann ist das Gehirn laut Forschern erwachsen.
Unter den Primaten verfügt der Mensch über das größte Gehirn in Relation zu seiner Körpermasse. Dies ermöglicht ihm seine typisch menschlichen Fähigkeiten wie ausgeprägte Lernfähigkeit, komplexes Sozialverhalten und die Kommunikation durch Sprache.Robert D. Martin: Hirngröße und menschliche Evolution. In: Spektrum der Wissenschaft. 1. September 1995; abgerufen am 3. Oktober 2016.
Die Abschnitte der Gehirnentwicklung Die Entwicklung des menschlichen Gehirns kann in mehrere Abschnitte unterteilt werden, die jedoch gleitend ineinander übergehen.
Pränatale Gehirnentwicklung Ab der dritten Entwicklungswoche beginnt beim menschlichen Embryo die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem.Andreas Meyer-Lindenberg, Gregor Hasler: Entwicklung von Gehirn und Nervensystem. Neurologen und Psychiater im Netz; abgerufen am 19. April 2015 Dazu bildet sich entlang des Rückenmarks aus der Neuralplatte (eine Zellplatte am Rücken des Embryos) ein Rohr aus Nervengewebe, das Neuralrohr. In diesem wachsen die entstehenden Nervenzellen bis zu ihrem Bestimmungsort, wobei sie sich an radial ausgerichteten Gliazellen orientieren.
In der vierten bis sechsten Woche formieren sich die Neuronen zu drei Ausbuchtungen, den Primärvesikeln. Aus diesen werden die Hirnareale Vorderhirn, Mittelhirn und Hinterhirn gebildet.Martin R. Textor: Gehirnentwicklung im Kleinkindalter – Konsequenzen für die frühkindliche Bildung. 2002, Überarbeitung und Erweiterung 2010. Auf dem Primärvesikel des Vorderhirns sitzt außerdem die Augenknospe, auf dem des Hinterhirns die Ohrknospe. Aus zwei Ausbuchtungen des Vorderhirns werden schließlich die beiden Gehirnhälften. Diese durchlaufen ein schnelles Wachstum und fangen an, sich über das Hinterhirn auszubreiten. Ab der elften Woche beginnt sich das Kleinhirn zu entwickeln. Bei der Geburt verfügt das Gehirn dann über seine vollständige Anzahl an Nervenzellen.
Bei der Betrachtung der Entwicklung des Nervensystems und damit des Gehirns ergeben sich grob fünf unterscheidbare Stadien:Kipp, Cengiz Yavas, Bettina Burgardt: Die Entwicklung des Gehirns und ihre Risiken. (PDF) Vortrag an der Universität des Saarlandes. In: Seminar zu neuropsychologischen Entwicklungsstörungen, 2006. Neuronale Induktion Neuronale Proliferation Migration, Aggregation und Differenzierung Bildung der Verbindungen neuronale Apoptose und Selektion der synaptischen Verschaltungen
Neuronale Induktion Bei der neuronalen Induktion geht es darum, dass sich ein Teil des Ektoderms (die äußere Zellschicht des Embryos) in Gewebe umwandelt, das für die Bildung von Nervenzellen geeignet ist, nämlich die Neuroektoderm (die Neuralplatte). Das heißt, hier wird erstmals die Voraussetzung dafür geschaffen, dass sich ein Nervensystem und somit ein Gehirn entwickeln kann. Dieser Vorgang wird durch eine komplexe Wirkungskette verschiedener Induktions-Moleküle bewirkt: Grundlegend dafür ist die Hemmung der Ausschüttung von BMP (bone morphogenetic protein), das ansonsten die neuronale Entwicklung verhindern würde. Diese Hemmung wiederum wird durch Substanzen, wie Follistatin, Chordin und Noggin hervorgerufen, die im Chordafortsatz gebildet werden. Der Chordafortsatz ist ein sternförmiges Gebilde im Mesoderm (mittlere Zellschicht des frühen Embryos), das dazu mit dem Ektoderm verschmilzt. Dies ist die eine Seite der Differenzierung der Zellen im Ektoderm hin zu neuronalen Stammzellen, die durch das Mesoderm, also eine andere Zellschicht, induziert wird. Es gibt aber darüber hinaus noch einen weiteren Wirkungsfaktor. So haben neuere Untersuchungen gezeigt, dass bereits in einem früheren Stadium FGF (fibroblast growth factor) dazu dient, die Transkription von BMP zu unterdrücken. Außerdem ist FGF nötig, um zu einer neuronalen Ausgestaltung der Zellen zu führen.Neuronale Entwicklung. diss.fu-berlin.de; abgerufen am 20. April 2015 embryology.ch; abgerufen am Schließlich kommt es zur Differenzierung des Neuronalrohrs selbst, was zur Ausbildung der drei bekannten Gehirnareale in dieser Reihenfolge führt: Vorderhirn, Mittelhirn und Hinterhirn, sowie Rückenmark. Die Differenzierung wird durch Modulation der Genexpression induziert: Zunächst bewirkt am Vorderhirn die Prächordalplatte durch Expression von Transkriptionsfaktoren wie Emx (empty spiracle), Lim und Otx (orthodenticle) die Differenzierung der Zellen. Diese Aufgabe übernehmen am Mittel- und Hinterhirn der Cordafortsatz und das paraxiale Mesoderm. Weiterhin scheint der Isthmus-Organisator eine wichtige Rolle bei der Gliederung des Gehirns durch Expression von FGF und en (engrailed) zu spielen. In diesem Zustand sind die Zellen noch nicht besonders spezialisiert und kleinere Gewebeschäden können leicht ausgeglichen werden. So kann man zum Beispiel Gewebe des Vorderhirn-Augen-Feldes entfernen, ohne dass es zu bleibenden Schäden kommen würde, da der Verlust an Zellen einfach durch vermehrte Zellteilung ausgeglichen wird.Neuronale Grundlagen. entwicklungsdiagnostik.de; abgerufen am 20. April 2015
Neuronale Proliferation Etwa ab dem 23. Tag der Schwangerschaft kommt es zur sogenannten Proliferation, eine Phase verstärkter Zellteilung der Neuronen-Stammzellen. Während die Anzahl an Zellen im Neuronalrohr mit ca. 125.000 Zellen relativ klein ist, kommt es – sobald das Neuronalrohr verschlossen ist – zu einem sprunghaften Anstieg der Teilungsrate, an der in diesem Stadium alle Zellen beteiligt sind. Dabei wandern die Zellen in einem Teilungszyklus von der Außenfläche des Neuronalrohrs zur Innenfläche, mit der sie durch einen dünnen Fortsatz verbunden sind. Bevor sie sich teilen, ziehen die Zellen diese Fortsätze ein, um sie nach der Teilung sofort wieder zu bilden. Je nachdem, ob der Teilungszyklus symmetrisch (d. h. vertikal) oder asymmetrisch (d. h. horizontal) ist, entstehen dabei zwei neue Zellen, die ihre Teilungsfähigkeit behalten, oder je eine Zelle mit und eine ohne erneute Teilungsfähigkeit.A. Gottschalk: , Universität Frankfurt, 2010; abgerufen am 20. April 2015 Nach mehreren Teilungszyklen, abhängig vom Hirngebiet und der dortigen Zelldichte, scheiden die Zellen aus dem Teilungszyklus aus und wandern aus der Ventrikularschicht in die intermediäre Schicht, wo sie zu postmitotischen Neuronen differenzieren. Die intermediäre Schicht besteht dann letztendlich aus jungen Zellen ohne jegliche Teilungsfähigkeit und Vorstufen von Gliazellen mit lebenslanger Teilungsfähigkeit. Diesen Vorgang der Teilung und Differenzierung bezeichnet man als Neurogenese. Es ist noch unklar, wie genau die Bildung der verschiedenen Nerven- und Gliazellen an den verschiedenen Positionen im Nervensystem koordiniert ist. Prinzipiell scheint sie im Gehirn jedoch ähnlich wie im Rückenmark abzulaufen: Jede Nerven-Vorläuferzelle erhält durch außerhalb des Neuralrohrs produzierte Signale eine positionelle Information zugewiesen. Diese Position in Zusammenhang mit dem Zeitpunkt, zu dem die Zelle gebildet wurde, bestimmt dann ihr späteres Schicksal. Der Gradient an SHH-Molekülen (sonic hedgehog-Moleküle) ist dabei primär bestimmend für die spätere Region. Abhängig von seiner Konzentration fällt die Kontrolle von Homöodomänen Transkriptionsfaktoren der Klasse I, die unterdrückt werden, und Faktoren der Klasse II, die induziert werden, in den Neuronen-Vorläuferzellen aus. SHH führt somit zur Bildung von fünf verschiedenen Streifen ventraler Vorläuferzellen. Diese Muster bestimmen später, welche Transkriptionsfaktoren in den neuronalen Zellen exprimiert werden.Matthias Keller, Georg Simbruner: Neurophysiologie der menschlichen Hirnentwicklung: prä-, peri- und postnatale Störungen. In: Liane Kaufmann, Hans-Christoph Nuerk, Kerstin Konrad, Klaus Willmes (Hrsg.): Kognitive Entwicklungsneuropsychologie. Hogrefe, Göttingen u. a. 2007, S. 11–24, ISBN 978-3-8017-1898-5.
Ebenfalls eine Rolle für die spätere Differenzierung scheint der Zeitpunkt des Ausscheidens aus dem Teilungszyklus zu spielen. Drei Aussagen lassen sich treffen: Große Neuronen oder solche mit relativ langen Axonen werden allgemein früher angelegt als kleine Nervenzellen oder solche mit relativ kurzen Axonen. Das Muster der Zeitpunkte, zu denen die Zellen aus dem Teilungszyklus ausscheiden, unterscheidet sich je nach Hirnregion. So hören zum Beispiel Zellen in der Großhirnrinde, die näher an der Oberfläche liegen, später auf sich zu teilen. Bei der Netzhaut des Auges ist es dagegen genau umgekehrt: Hier hören Zellen, die in oberflächlicheren Schichten der Netzhaut liegen, früher auf sich zu teilen. Obwohl die ersten Gliazellen zusammen mit den ersten Nervenzellen entstehen, überdauert ihre Produktion die der Nervenzellen.
Migration, Aggregation und Differenzierung
Die Wanderung der Zellen danach ist amöboid, das heißt, die Zellen senden einen Fortsatz aus, an dem sie entlang „fließen“. Dabei orientieren sie sich an speziellen Gliazellen, die von der Ventrikularschicht Fortsätze bis zum Neuronalrohr gebildet haben. Die durchschnittliche Wanderungsgeschwindigkeit beträgt dabei ca. 0,1 Millimeter pro Tag.Nervenzellwanderung. In: Lexikon der Wissenschaft, Spektrum – Verständliche Forschung, Heidelberg 2000. Gelegentlich kommt es auch vor, dass Zellen ihren Bestimmungsort verfehlen und in falsche Positionen gelangen. Diese können aber später eliminiert werden. Sobald die Nervenzellen ihre endgültige Position erreicht haben, beginnen sie, Aggregate – Zellansammlungen – und damit die verschiedenen Strukturen des Gehirns zu bilden. Moleküle an der Zelloberfläche ermöglichen es den Zellen dabei wahrscheinlich, sich untereinander zu erkennen und aneinander zu binden. Darüber hinaus nehmen die Neuronen aber auch eine bestimmte Orientierung ein. So ist beispielsweise die Ausrichtung der Pyramidenzellen so, dass ihre apikalen (von ihrer Spitze ausgehenden) Dendriten senkrecht zur Gehirnoberfläche stehen, ihre Axone dagegen in Richtung der weißen Substanz verlaufen. Außerdem findet bei den Nervenzellen in dieser Phase der Differenzierung die Wahl der Erregungsleitung und -übertragung in den Synapsen statt.
Bildung der Verbindungen
Die meisten Nervenzellen in Gehirnen von Säugetieren sind multipolar, das heißt, sie bilden zahlreiche sich verjüngende Dendriten, aber nur ein einzelnes Axon. Die Bildung dieser Strukturen findet statt, wenn die Zelle ihre endgültige Position erreicht hat. Wie es den wachsenden Nervenfasern dabei gelingt, ihren vorbestimmten Weg zu finden, hängt von einer Reihe komplexer Mechanismen ab. Es sind dabei drei Fragestellungen zu unterscheiden: