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Gesundheit|Medizin

Gehirnjogging im Mutterleib

Die Geburt ist nicht der entscheidende Schritt bei der Entwicklung des Gehirns. Das Denken und Forschen beginnt schon viel früher – im Schutz des Mutterleibs.

Wäre es ein junger Vater gewesen, der mit der Entdeckung prahlte: „Meine Kleine kann schon Gesichter schneiden, wenn ich sie ihr vormache“, hätten seine Zuhörer nur nachsichtig gelächelt. Schließlich halten alle Eltern ihre Neugeborenen für Genies. Doch es war ein junger amerikanischer Psychologe namens Andrew Meltzoff, der Ende der Siebzigerjahre das Erstaunliche beschrieb: Gerade mal drei Wochen alte Babys sperrten den Mund auf, sobald man es ihnen vormachte. Sie streckten die Zunge heraus, wenn man ihnen die Zunge zeigte.

Meltzoff ließ seine Versuchsbabys sicherheitshalber mit Video filmen und zeigte die Aufnahmen unbeteiligten Kontrollpersonen. Die bestätigten, was der Wissenschaftler beobachtet hatte: Kind öffnet den Mund, Kind streckt die Zunge raus. Den Auslöser der Grimassen sahen sie dabei nicht.

Meltzoff wollte es genauer wissen: Hatte er eine angeborene Fähigkeit entdeckt? Oder handelte es sich um eine frühe Lernerfahrung? Um das zu klären, richtete er ein Labor neben dem Entbindungsraum einer Klinik seiner Heimatstadt Seattle im US-Bundesstaat Washington ein. Er brachte werdende Eltern dazu, ihn anzurufen, wenn die Wehen losgingen. Dann stürzte er – fast wie ein junger Vater – aus Besprechungen oder Konferenzen heraus ins Krankenhaus. Das jüngste Baby, vor dem er Grimassen schnitt, war gerade mal 42 Minuten alt. Es imitierte auch!

Was das aus der Sicht der Hirnforschung bedeutet, haben Meltzoff und seine Kolleginnen Patricia Kuhl und Alison Gopnik vor Kurzem noch einmal zusammengefasst – in ihrem lesenswerten Buch „The Scientist in the Crib“ (deutsch: „Forschergeist in Windeln“). Das Neugeborene weiß bereits, wo es seine Zunge findet: im Mund, nicht außerhalb. Es scheint also über eine innere Landkarte seiner Gesichtsregion zu verfügen. Das Neugeborene kann erkennen, dass das ovale Ding vor seiner Nase ein menschliches Gesicht ist, ein Gesicht wie sein eigenes. Dabei hat es sein eigenes Gesicht nie gesehen – „Im Mutterleib gibt es keine Spiegel“, wie die Autoren schreiben –, sondern nur „von innen“ gefühlt. So winzig es ist, kann es also Erfahrungen aus einer Sinnesmodalität (Sehen) in die andere (Fühlen) übertragen – eine reife Leistung!

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Seit Meltzoffs Entdeckung hat die Säuglingsforschung einen großen Aufschwung genommen. Das größere Wunder, das das Beobachtete überhaupt erst ermöglichte, blieb aber zunächst unausgeleuchtet, das Wunder, das vor der Geburt geschieht: Wie entsteht in gerade mal neun Monaten ein Gehirn, das so viel kann, bevor es überhaupt mit dem Lernen anfängt? Oder beginnt das Lernen schon früher – bereits im Mutterleib?

Jüngste technische Errungenschaften ermöglichen es, dass die Wissenschaft darauf fundierte Antworten geben kann:

• Ultraschallaufnahmen in 4D, das heißt in simulierter Videotechnik, machen erste Zuckungen des Embryos sichtbar, bevor die Mutter sie spürt: schon ab der 7. Woche.

• Zusätzlich zeigen Aufnahmen des Ungeborenen-Gehirns mittels Kernspintomographie, in welchen Regionen sein Denkorgan schon arbeitet und wo es bereits Verdrahtungen anlegt.

• Und raffinierte Verhaltensexperimente belegen, dass ein Fötus schon ein paar Wochen vor der Geburt fähig ist zu unterscheiden, ob ihm ein altbekannter oder ein neuer Reim vorgelesen wird, wie Anthony DeCasper und sein Team von der University of North Carolina herausfanden: Bei einem neuen Reim fängt sein Herz an, heftiger zu schlagen.

Kein Wunder, dass solche spektakulären Funde ehrgeizige Eltern auf den Plan rufen. In den USA beschallen sie die kleinen Wesen gezielt mit Mozart-Sonaten oder leuchten mit Taschenlampen-Blitzen die Bauchdecke an, einmal, zweimal, dreimal – um dem Fötus das Zählen beizubringen. Dabei ist keineswegs klar, ob das Ungeborene sich von der Sound- und Light-Show nicht eher gestört als unterhalten fühlt – schließlich braucht es am Tag bis zu 20 Stunden Schlaf.

Dennoch sind auch vorsichtige deutsche Forscher wie der Neurobiologe Gerald Hüther aus Göttingen von der neuen Pränatal-Wissenschaft begeistert: „Vieles was die Forscher in den letzten Jahren herausgefunden haben, spricht dafür, dass wir den spannendsten und aufregendsten Teil der Lebensreise bereits hinter uns haben, wenn wir auf die Welt kommen.“

Die Reise beginnt mit der Befruchtung des Eis und den ersten Zellteilungen. Am 19. Tag nach der Befruchtung entwickelt sich die so genannte Neuralplatte – erstes Nervengewebe entsteht. Das ist in etwa der Zeitpunkt, an dem eine Frau merkt, dass ihre Periode überfällig ist und durch einen Schwangerschaftstest von der Existenz des Embryos in ihrem Bauch erfährt. Die Neuralplatte ändert ihre Form, wird zur Neuralleiste, schließlich zum Neuralrohr. Am 26. Tag zeigt sich am Kopfende des Rohrs eine Verdickung: Das Gehirn entsteht. Neurogenese nennt sich dieser Vorgang, bei dem nun aus Hüllzellen Nervenzellen und die sie unterstützenden Gliazellen gebildet werden. Doch was wie eine gemächliche Metamorphose klingt, ist eigentlich eine Explosion, gefolgt von einer Völkerwanderung.

Denn die Mehrzahl der Gehirnzellen, die wir im Leben brauchen werden, entsteht bereits in der ersten Hälfte der Schwangerschaft, also bis zur 19. Woche unserer Existenz. Die Produktionsrate ist atemberaubend: Mehr als eine halbe Million Neuronen werden in einer einzigen Minute gebildet!

Die neuen Zellen – sie bestehen nur aus einem länglichen Zellkörper mit zwei haarähnlichen Fortsätzen – begeben sich unverzüglich auf Wanderschaft. Entlang von Strängen, die von Gliazellen gebildet werden und ihnen den Weg weisen, migrieren die Neuronen von ihrer Entstehungsstelle im Inneren des Kopfs nach außen. In der 19. Woche sind alle wichtigen Hirnstrukturen schon anatomisch erkennbar angelegt. Doch Masse macht noch keine Klasse. Und so vergleicht die amerikanische Neurobiologin Lise Eliot von der Chicago Medical School das mit Zellen vollgestopfte Halbzeit-Gehirn mit einer höchst unvollkommenen Telefonanlage: „ Es ist, als besäßen alle sechs Milliarden Menschen auf der Erde je an die zwanzig Telefone, die alle nicht angeschlossen sind. Das Kommunikationspotenzial ist enorm, aber es muss erst in die Tat umgesetzt werden.“

Im Gehirn beginnt jetzt die Hauptarbeit, die Synapsenbildung: Die Neuronen nehmen miteinander Kontakt auf, verschalten sich. Die Synapsenbildung zieht sich bis ins zweite Lebensjahr des Kindes hin. In Spitzenzeiten explodiert das Gehirn geradezu: 1,8 Millionen neue Synapsen entstehen pro Sekunde.

Viel zu zahlreich und aufs Geratewohl werden die ersten Verknüpfungen angelegt – nicht etwa nach Plan wie bei der Telekom. Doch das ist nicht schlimm. Denn das Gehirn der Säugetiere ist darauf angelegt, das Zuviel wieder abzubauen, nach dem Motto „Beseitigung bei Nichtgebrauch“. Lise Eliot präzisiert: „Synapsen, die selten aktiviert werden – ob wegen nie gehörter Sprachen, nie gespielter Musik, nie ausgeübter Sportarten, nie gesehener Berge oder nie empfundener Liebe –, verkümmern und sterben ab.“ In der frühen Kindheit und Jugend büßt das Gehirn Synapsen in der Größenordnung von 20 Milliarden täglich ein. Ein ganz normaler, wenn auch vielleicht ein wenig Wehmut auslösender Ausleseprozess.

Doch während im fötalen Gehirn einzelne Regionen noch wie von einem Trupp wildgewordener Techniker anarchisch vernetzt werden, ziehen anderswo Spezialisten schon stabile Leitungen ein. Lange Faserverbindungen werden mit der Isolierschicht Myelin verkleidet, damit ihre elektrischen Signale schneller und zuverlässiger ihr Ziel erreichen.

Wie Entwicklungsbiologen herausgefunden haben, geschieht dies in enger Wechselwirkung zwischen Genetik und Umwelt und streng der Reihe nach: Erst werden in den älteren Teilen des Nervensystems, die unbewusste Prozesse wie Bewegungsreflexe, Atmung, Kreislauf und Verdauung regeln, die Leitungen dauerhaft isoliert. Dann erst geschieht dies in den höheren Regionen, wo das Wahrnehmen, das Planen und Denken sich entwickeln.

Die Hardware wird also allmählich ausgebaut, während das Programm schon läuft – „on the fly“, wie Computerfachleute sagen. Das lässt sich am besten am Beispiel der verschiedenen Sinne zeigen, die beim Ungeborenen nach und nach erwachen: Schon fünfeinhalb Wochen nach der Zeugung können Embryonen eine Berührung der Lippen oder Nase spüren. Mediziner haben das durch Tests an Fehlgeburten herausgefunden: Sie schauten sich Embryonen genau an, die noch ein paar Minuten lebten, nachdem sie abgegangen waren. Die gerade zwei Zentimeter kleinen Wesen drehten den Kopf weg, wenn man sie mit einem Haar im Gesicht berührte. Die Berührungsempfindlichkeit dehnt sich im Laufe der Schwangerschaft über den ganzen Körper des Kindes aus.

Die verantwortlichen Sinneszellen der Haut vernetzen sich dabei zuerst mit motorischen Zellen des Rückenmarks – so kommen die frühen Ausweichreflexe zustande. Im weiteren Verlauf der Schwangerschaft werden Verknüpfungen zum Hirnstamm, zum Thalamus im Zwischenhirn und schließlich zum Großhirn angelegt, wo in der zweiten Schwangerschaftshälfte die erste „Landkarte“ des kleinen Körpers entsteht.

Im Wesentlichen wird sie durch Berührungsreize ausgemessen, und zwar aktiv: „Während das Baby um sich tritt, Arme und Beine anzieht und streckt, sein Gesicht und seine Beine berührt und an die Uteruswände stößt, verschafft es sich selbst eine Fülle somatosensorischer Reize“, erklärt Eliot. Im Kopf entsteht elektrische Aktivität, mit deren Hilfe die berührungsempfindlichen Neuronen ihren Platz im Hirnstamm, im Thalamus und schließlich im Kortex finden. Das Baby-Turnen im Mutterleib, das im Ultraschall so lustig aussieht, hat also einen ganz konkreten Zweck.

Riechen und Schmecken sind weitere wichtige Sinne, die im Uterus bereits entwickelt werden. Das Ungeborene wird zwar noch von der Mutter über die Plazenta mit Nährstoffen versorgt, aber es trinkt auch Fruchtwasser, gegen Ende der Schwangerschaft bis zu 400 Milliliter am Tag. In Tierversuchen hatten Forscher dem Fruchtwasser von Kaninchen vor der Geburt Zitronenaroma zugesetzt. Als Folge suchten die Neugeborenen die Zitzen überall dort, wo es nach Zitrone roch, mitunter sogar auf dem Rücken ihrer Mutter. Entwicklungsforscher vermuten deshalb, dass auch Menschen im Mutterleib ihre Geschmacksknospen trainieren und so lernen, wie ihre Mutter schmeckt und riecht.

Über die Nase kann das Ungeborene von der 28. Woche an Gerüche wahrnehmen, sobald sich ein Gewebepfropf löst, der vorher die Nasenlöcher verstopft hat. Man weiß aus Experimenten an Frühgeborenen, dass sie um diese Zeit auf starke Gerüche mit Saugen, Gesichtverziehen oder Kopfabwenden zu reagieren beginnen. Jüngere Frühchen reagieren nicht.

Früh beginnt auch das Gehör zu reifen, was Wissenschaftler daran erkennen, dass schon in der 24. Schwangerschaftswoche die ersten Fasern der Hörbahn mit Myelin ummantelt werden. Das Hör-Erleben der Ungeborenen hat viele Forscher fasziniert. Sie haben Messungen des Schalldrucks im Uterus vorgenommen – mit dem Ergebnis: Es ist ziemlich laut da drinnen. Nicht nur die Stimme der Mutter, auch ihr Herzschlag und das strömende Blut in ihren Adern, ihre Atmung und das Gluckern in ihrem Gedärm machen einen Heidenlärm. „Allein von den Strömungsgeräuschen her kann man das Leben im Mutterleib mit dem Leben an einer Autobahn vergleichen“, schreibt der Kinderarzt Michael Hertl in seinem Buch „Die Welt des ungeborenen Kindes“. „Aber dem Kind macht das offenbar wenig aus.“ Im Gegenteil: Es scheint da drinnen zu lauschen, was draußen vorgeht. Auf neue Töne reagiert der Fötus mit Kopf- und Armbewegungen, mit Augenzwinkern und einer Beschleunigung des Herzschlags – auf gewohnte Töne gelangweilt, das heißt gar nicht. Das macht Experimente möglich, die zum Beispiel zeigen, dass ältere Föten die Vokale „a“ und „i“ unterscheiden können.

Als man Babys nach der Geburt untersuchte, stellte sich heraus, dass sie sich tatsächlich manches eingeprägt hatten von dem, was vor der Geburt an ihr Ohr gedrungen war: So erkannten sie die Stimme ihrer Mutter wieder. Wissenschaftler machen das daran fest, dass die Kinder ein Tonband mit der mütterlichen Stimme lieber hörten als ein Tonband mit einer fremden Stimme. Andere Säuglinge hörten auf zu weinen, wenn im Fernsehen die Erkennungsmelodie einer Seifenoper ertönte, die ihre Mutter sich in der Schwangerschaft regelmäßig angesehen hatte. Eliots zweites Kind war allerdings etwas anderes gewöhnt: Es bevorzugte als Schlaflied das Ventilator-Brummen des Büro-Computers.

Die Frage, ob das Lernen schon im Mutterleib anfängt, scheint damit beantwortet zu sein. „Die Hirnforschung hat eindeutig gezeigt, dass Kinder bereits lange vor der Geburt in der Lage sind zu lernen“, sagt Gerald Hüther. „Sie sammeln bereits Erfahrungen über die Beschaffenheit ihrer Lebenswelt und verankern diese in ihrem Gehirn. All das, was ein Neugeborenes an Fähigkeiten und Fertigkeiten mit auf die Welt bringt, hat es im Mutterleib bereits in der einen oder anderen Weise kennen gelernt, sich angeeignet und geübt.“

Wie die Forschungen der Amerikanerin Alison Gopnik an der University of California in Berkeley zur Sprachentwicklung von Babys gezeigt haben, ist das Verlernen dabei mindestens genauso typisch wie das Lernen. Beweis: Neugeborene können viel mehr Laute auseinander halten als Erwachsene. Auch ein japanisches Baby unterscheidet mühelos l und r. Mit dem Namen „Zbigniew Brzezinski“ haben Erwachsene Mühe, wenn sie nicht gerade aus Polen stammen; Kinder lernen die Laute mühelos, wenn sie im ersten Lebensjahr von Polen adoptiert werden. „Babys sind einfach Weltbürger“, meint Gopnik.

Ein Befund aus der Gesichterforschung passt ins Bild: Babys können nicht nur die Gesichter von einzelnen Menschen unterscheiden, sondern auch die von einzelnen Schimpansen. Erst im zweiten Lebensjahr verliert sich diese urwaldgerechte Fähigkeit. Es hat wohl etwas mit dem milliardenfachen „Ausjäten“ von Synapsen in ihrem Hirn zu tun.

Wie wichtig „Selbermachen“ für die frühe Entwicklung ist, zeigt ein inzwischen klassischer Tierversuch aus den USA: Zwei Kätzchen wurden auf ein Karussell gesetzt. Das eine hatte die Pfoten auf dem Boden und konnte durch sein Laufen das Karussell bewegen. Das andere saß in der Gondel und wurde passiv transportiert. Ergebnis: Die Tiere unterschieden sich später stark in ihren kognitiven Leistungen. Das nur beobachtende war nahezu blind und in der Koordination seiner Bewegungen schwer gestört.

Das Prinzip „Selbermachen“ erklärt, warum Ungeborene bestimmte Fähigkeiten schon einüben, obwohl sie sie im Uterus noch gar nicht brauchen, aber gleich danach: Atmen beispielsweise, Schlucken, Grinsen oder Weinen. Fingen sie erst nach der Geburt mit dem Üben an, wären sie in den ersten Tagen übel dran.

Über eines sind sich alle Hirnforscher einig, die sich mit sehr jungen Exemplaren der Spezies Homo sapiens beschäftigen: Der Mensch bringt erhebliches angeborenes Wissen mit auf die Welt und dazu Lernprogramme, die ihm helfen, sich selbst die Welt zu erschließen. Wolf Singer vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main nennt sie interne Bewertungssysteme. Diese sind mit großer Wahrscheinlichkeit genetisch festgelegt. Von einigen weiß man bereits, wie sie auf neuronaler Ebene ablaufen. So kann man die Gewöhnung an bekannte Reize mit der Abnahme der elektrischen Aktivität erklären, wenn ein Nerv immer wieder auf dieselbe Art gereizt wird. Ein neuer Reiz regt andere Neuronen an und erregt mehr Aufmerksamkeit im Gehirn. Aber gibt es nicht vielleicht noch einen zusätzlichen Antrieb, der ein kleines Kind das Neue suchen lässt? Über einen solchen „Suchtrieb“ wird spekuliert, bewiesen ist er nicht. Jedoch ist das hirneigene Belohnungssystem, das uns glücklich macht, wenn wir ein Problem endlich geknackt haben, bereits einigermaßen gut untersucht.

Auch das großartige Imitationsvermögen von Säuglingen, das Andrew Meltzoff vor 25 Jahren in Seattle beobachtet hat, lässt sich seit der Entdeckung der Spiegelneuronen durch die italienischen Forscher Vittorio Gallese und Giacomo Rizzolatti in den frühen Neunzigern besser erklären: Offensichtlich verfügt der Mensch von Natur aus über Nervenzellen, die nicht nur seine eigenen Handlungsabsichten kodieren, sondern auch die seines Gegenübers decodieren – eine Zelle für beide Zwecke.

Aber sind es dieselben Zellen, die dem Baby nahe legen: Imitiere die Erwachsenen? Der Psychiater Joachim Bauer von der Freiburger Universitätsklinik meint: „Ja. Handlungen und Verhaltensweisen zu imitieren, die wir bei anderen beobachten, ist ein durch Spiegelneuronen vermittelter menschlicher Grundantrieb.“ Bei Säuglingen und Kleinkindern ist dieser Antrieb noch völlig ungehemmt. Erst später unterdrücken ihn Neuronen aus dem Stirnhirn. ■

Judith Rauch

Ohne Titel

• Föten trainieren ihre Sinnesorgane und erkunden ihre Umwelt bereits im Mutterleib.

• Zu den Spitzenzeiten der Entwicklung explodiert das Gehirn förmlich: Bis zu 100 Millionen Synapsen entstehen pro Minute.

COMMUNITY INTERNET

Homepage von Abigail A. Baird

www.theteenbrain.com

Vortrag von Wolf Singer:

„Was kann ein Mensch wann lernen?“

www.mpih-frankfurt.mpg.de/global/Np/Pubs/mckinsey.pdf

Interview mit Alison Gopnik: „What every baby knows“

ihd.berkeley.edu/gopnik.htm

Die Hersteller von 3D-Ultraschallaufnahmen:

Siemens

www.medical.siemens.com/siemens/de_DE/gg_us_FBAs/files/Aktionen/Ultraschall/Historie/Sie_40_Jahre_Prod_END.pdf

General Electric

www.gehealthcare.com/eude/ultrasound/index.html

LESEN

Gerald Hüther, Inge Krens

Das Geheimnis der ersten neun Monate

Walter Verlag 2005, € 14,90

Alison Gopnik, Patricia Kuhl, Andrew Meltzoff

Forschergeist in Windeln

Piper 2005, € 6,95

Lise Eliot

Was geht da drinnen vor? Die Gehirnentwicklung in den ersten fünf Lebensjahren

Berlin Verlag 2002, € 29,–

3-D-Ultraschallbilder von der Entwicklung des Kindes im Mutterleib:

Stuart Campbell

Schau mal, ich wachse

Vgs Verlagsgesellschaft 2005, € 12,90

Die Anatomie des Menschen und seine Entwicklung in eindrucks- vollen 3D-Illustrationen. Aus diesem Buch stammt auch die Abbildung eines Fötus im Mutterleib auf S. 25:

Alexander Tsiaras

Wunder Mensch

Eine faszinierende Reise durch unseren Körper

Droemer 2005, € 29,90

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