In einer Studie, die vor kurzem in der Zeitschrift Nature Physics erschienen ist und auf der Website von Harvard vorgestellt wurde, erfuhren wir die Geheimnisse bei der Bildung der kleinen und großen Falten des Gehirns – oder Gehirnwindungen. Die Forscher haben genauer untersucht, auf welche Weise unser Gehirn eine so spezielle Form annimmt. Wie entstehen die vielen Falten des menschlichen Gehirns? Gibt es eine genetische oder mechanische Erklärung?

Die spezifischen Furchen und Kämme des menschlichen Gehirns sind sonst nur noch bei einer geringen Anzahl von Tierarten vorhanden, darunter den Primaten, Delphinen, Elefanten und Schweinen. Das Volumen unseres Schädels variiert durchschnittlich zwischen 1100 und 1700 cm3. Wenn man unser Gehirn glatt streichen würde, dann würde es sich über eine Oberfläche von 1 bis 2 m2 erstrecken. Die Gyrifizierung (also das Ausmaß der Faltung) ist ein wichtiges Merkmal des Gehirns, da sie es erst ermöglicht, eine große Hirnrinde in einem begrenzten Platz unterzubringen.

Mehrere Hypothesen wurden bis heute aufgestellt, um das Auftreten der kleinen und großen Falten im Gehirn zu erklären. Die Forscher der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences der Harvard Universität konnten gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Finnland und Frankreich zeigen, dass die Faltung des Gehirns aus einer mechanischen Kompression des Organs im Schädel hervorging. Eine nützliche Kompression, wenn man bedenkt, dass die Falten eine Annäherung der Neuronen ermöglichen und dadurch kürzere und schnellere Verbindungen begünstigen.

Um diese Hypothese zu überprüfen, hat das Forschungsteam mit Spezialisten der Neuroanatomie und Radiologen in Frankreich zusammengearbeitet, um ein 3D-Modell des Gehirns eines menschlichen Fötus auf Grundlage von Bildern aus der Magnetresonanz-Tomographie zu erstellen. Die Beobachtungen haben gezeigt, dass das Gehirn des menschlichen Fötus während der ersten zwanzig Wochen glatt ist und erst ab der zwanzigsten Schwangerschaftswoche die Faltenbildung beginnt. Diese setzt sich bis zu einem Kindesalter von rund 18 Monaten fort. Die Wissenschaftler haben dann versucht, das Wachstum der Hirnrinde zu reproduzieren, um dieses Phänomen zu verstehen. Sie haben auf die Oberfläche ihres 3D-Modells eine Schicht aus Elastomergel aufgetragen und es dann in ein Lösungsmittel eingetaucht. In wenigen Minuten beobachteten die Forscher, dass die Gelschicht anschwoll, was mechanische Kompressionskräfte verursachte. Dabei entstanden Falten, die in Größe und Form den Falten von echten Gehirnen ähnelten.

Die Autoren der Studie haben zudem digitale Simulationen des modellierten Gehirns als weiches Gewebe ausgeführt und über einen realistischen Entwicklungsweg gezeigt, dass dann auch die Windungen auftreten. Die Geometrie des Gehirns dient somit dazu, die Falten in bestimmten Richtungen auszurichten.

Diese Entdeckung ermöglicht unter Umständen ein besseres Verständnis der Entwicklung von bestimmten Krankheiten und kann Auswirkungen auf die Diagnose und Behandlung einer Reihe von neurologischen Problemen haben. So gilt laut J.Y. Chung, dem Co-Autor der Studie: „Das Gehirn ist bei den Menschen nicht exakt identisch, aber wir müssen alle dieselben großen Falten besitzen, um gesund zu sein. Unsere Forschung zeigt, dass bei einer Fehlentwicklung eines Teils des Gehirns oder bei einer Störung der globalen Geometrie möglicherweise die großen Falten nicht an der richtigen Stelle liegen, was eine Fehlfunktion im Gehirn verursachen kann. “