Gehirnalterung – Ursachen und Auswirkungen
Auswirkungen eines langwierigen Prozesses
Betroffen sind vor allem geschwindigkeitsabhängige Funktionen wie die Reaktionszeit, die Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit und -kapazität sowie das Gedächtnis. Bei manchen Menschen gewinnt das Nachlassen mentaler Fähigkeiten irgendwann an Dynamik und führt in die Demenz, während andere bis ins hohe Alter den Alltagsanforderungen geistig gewachsen sind (s. Abb.). Die zugrunde liegenden biologischen Prozesse im Gehirn sind identisch.
Gehirnalterung durch Eiweißablagerungen
Nervenzellen sind postmitotische Zellen, die sich nicht mehr teilen können. Im Gehirn des Erwachsenen findet nur noch im geringen Umfang eine Regeneration durch Bildung neuer Nervenzellen in der kleinen Gehirnregion des Hippocampus statt. Fast alle Nervenzellen im Gehirn eines Erwachsenen sind daher viele Jahrzehnte alt. In ihnen lagern sich über Jahrzehnte Eiweiße ab, die die Zelle auf Dauer schädigen können. Eiweißablagerungen gelten bei Nervenzellen als wesentlicher Grund für altersbedingte Zellschädigungen und Zelluntergang.
Als wichtigste Ursache für Nervenzellschäden wurden drei Arten von Eiweißablagerungen identifiziert:
?-Synuclein : Das Eiweißmolekül ?-Synuclein wird in den Nervenzellen in großen Mengen gebildet, seine Funktion ist bisher unbekannt. Es findet sich in den Mitochondrien und an neu gebildeten Zellkontakten. In gesunden Nervenzellen verstärkt ?-Synuclein die Wirkung des Botenstoffs (Neurotransmitters) Dopamin, der unter anderem die Aufmerksamkeit und weitere Bausteine der Informations-verarbeitung, wie z. B. die Synapsenumbildung (wichtig für Gedächtnis¬prozesse) steuert. Bei vielen Erkrankungen, bei denen Nervenzellen zu Grunde gehen, findet man verklumptes ?-Synuclein in Form so genannter Lewy-Körperchen in den Zellen.
Hyperphosphoryliertes Tau : In den Nervenzellen gibt es Fasern, sogenannte Microtubuli, an denen entlang Stoffe und Zellbausteine wie Nährstoffe, Botenstoffe oder Mitochondrien transportiert werden. Es handelt sich dabei sozusagen um die „Straßen“ der Nervenzellen. Ein wichtiger Baustein dieser Fasern ist das Eiweißmolekül Tau. Mit dem Alter lagern sich zunehmend Phosphat-Gruppen an dieses Molekül, so dass es seine Struktur verändert und nicht mehr als Baustein für die Fasern genutzt werden kann. Die Fasern sind in ihrer Funktion eingeschränkt, zusätzlich belastet verklumptes hyperphosphoryliertes Tau die Zellen in Form sogenannter Neurofibrillen.
?-Amyloid: Das Eiweißmolekül APP (Amyloid Precursor Protein, erfüllt eine Funktion im Cholesterinstoffwechsel) wird von Nervenzellen in großen Mengen gebildet und in verschiedene Bruchstücke abgebaut (A?-Monomere). Bestimmte dieser Bruchstücke lagern sich in der Zelle zu kurzen Ketten zusammen (A?-Oligomere), die viele Zellprozesse schädigen können: Zum Beispiel die Energiegewinnung in den Mitochondrien, die Bildung neuer Nervenausläufer und Zellkontakte (Synapsen) sowie die Freisetzung von Nervenbotenstoffen wie Dopamin oder Acetylcholin. Außerhalb der Nervenzellen lagern sich die Bruchstücke zu langen Ketten zusammen (Amyloid-Fibrillen), die dann zu sogenannten senilen Plaques verklumpen. Auch in den Wänden der arteriellen Blutgefäße des Gehirns lagert sich ?-Amyloid ab, so dass die Gefäße enger, steifer und brüchiger werden.
Ausbreiten der Eiweißablagerungen
Die Eiweißablagerungen im Gehirn folgen einem charakteristischen Muster: Bereits im frühen Erwachsenenalter finden sich erste Ablagerungen im sogenannten „transentorhinalen Kortex“ im Schläfenlappen, einer wichtigen Schaltzentrale des Gedächtnisses. Im Laufe der Zeit kommen weitere Hirnregionen hinzu, die für die Bildung neuer Gedächtnisinhalte und das Abrufen von Erinnerungen (Gyrus parahippocampalis) oder für die Informations¬verarbeitung, Aufmerksamkeit und Konzentration (präfrontale Hirnrinde) zuständig sind. Schließlich werden auch die Hirnrinde im Stirn- (Frontal-), Scheitel- (Parietal-) und Hinterhaupts- (Okzipital-)lappen befallen und damit viele Funktionen beeinträchtigt. Das Ausmaß der ?-Amyloid-Ablagerungen im Hippocampus sowie im präfrontalen Kortex korreliert direkt mit dem Nachlassen von Gedächtnis und mentaler Leistungsfähigkeit nach dem 65. Lebensjahr.
Beeinträchtigung der mentalen Gesundheit
Pathologische Eiweißablagerungen beeinträchtigen Nervenzellen über drei Mechanismen:
- Sie schädigen Mitochondrien und behindern dadurch die Energiegewinnung
- Sie reduzieren Zellkontakte und vermindern damit die Vernetzung des Gehirns
- Sie beeinträchtigen die Freisetzung von Botenstoffen und stören damit die Informationsvermittlung
Dadurch, dass sich Oligomere aus A? als auch aus ?-Synuclein in den Mitochondrien von Nervenzellen anreichern, wird die Energiegewinnung beeinträchtigt. Und da Mitochondrien über die Microtubuli an die Stelle der Zelle wandern, wo sie gebraucht werden, behindert die Hyperphosphorylierung von Tau direkt als auch indirekt über Neurofibrillen die Dynamik der Mitochondrien. Die Synthese und die Freisetzung von Botenstoffen (Neurotransmittern) wie auch die Bildung neuer Synapsen (Basis jedes Lernvorgangs) erfordert viel Energie. Mitochondrien finden sich deshalb vor allem dort in den Nervenzellen, wo Informationen ausgetauscht und Synapsen gebildet werden.