Das alternde menschliche Gehirn

Die Prävalenz neurodegenerativer Erkrankungen hat in den letzten Jahrzehnten aus mehreren Gründen zugenommen. Das Alter ist ein wichtiger Risikofaktor; Die erhöhte Rate dieser Störungen hängt jedoch auch mit einer kognitiven Beeinträchtigung zusammen, wenn keine offensichtliche Neurodegeneration vorliegt.

Ein neuer Grenzen in der menschlichen Neurowissenschaft Übersichtsarbeit beschreibt Veränderungen auf molekularer und zellulärer Ebene sowie innerhalb des neuronalen Netzwerks, die der Gehirnalterung bei ansonsten gesunden älteren Erwachsenen zugrunde liegen.

Lernen: Horizonte in der Neurowissenschaft des menschlichen Alterns: Von der normalen neuronalen Alterung zur mentalen (Fr)Agilität. Bildnachweis: Naeblys / Shutterstock.com

Einführung

Neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Schlaganfall treten am häufigsten bei Personen über 55 Jahren auf. Das Altern ist ein primärer Risikofaktor für eine verminderte geistige Beweglichkeit und Kraft sowie für einen altersbedingten kognitiven Rückgang bei Personen mit scheinbar normalem Alter Gehirne.

Das Ziel der aktuellen Studie von Forschern der Universität Amsterdam ist es, normales Altern von neuronalem Altern zu unterscheiden, indem sowohl neurobiologische als auch neuropsychologische Marker verwendet werden. Bei normalem Altern genießen ältere Erwachsene weiterhin ihr geistiges Wohlbefinden, auch wenn sie unter einem gewissen Verlust an körperlichen und kognitiven Funktionen leiden. Umgekehrt werden beim neuralen Altern funktionale Fähigkeiten und Kompetenzen, die für das geistige Wohlbefinden notwendig sind, nicht erfolgreich entwickelt oder aufrechterhalten.

Das aktuelle Jahrzehnt wurde von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als „Jahrzehnt des gesunden Alterns“ bezeichnet, was auf den großen Wert hinweist, der dem Schutz des körperlichen und geistigen Wohlbefindens älterer Menschen beigemessen wird. Dies bleibt umso wichtiger, wenn man bedenkt, dass Menschen über 65 heute über 25 % der westlichen Bevölkerung ausmachen.

Warum das menschliche Gehirn altert

Der normale Körper besteht aus einer Vielzahl von zellulären und molekularen Mechanismen, die für das kurzfristige Überleben verantwortlich sind, einschließlich der Wahl der Fortpflanzung gegenüber der Langlebigkeit. Wenn sich mehr Verletzungen ansammeln, werden diese Mechanismen zunehmend dysreguliert, wodurch eine funktionelle Degeneration erfolgen kann.

Die am stärksten spezialisierten Zellen im Körper sind Neuronen. Diese Zellen sind jedoch mit einem erhöhten Alterungsrisiko verbunden, das vorhanden ist, um die energetischen Kosten für die Reparatur und Erhaltung von Neuronen über einen bestimmten Verletzungspunkt hinaus zu begrenzen. Beispielsweise können angesammelte DNA-Schäden Fehler bei der Transkription und Translation von Proteinen verursachen, damit beschädigte Zellen bei Bedarf absterben können.

Das Gehirn ist ein lebenswichtiges Bindeglied zwischen äußeren und inneren Herausforderungen an den Zustand des Organismus. Darüber hinaus fungiert das Gehirn als „Master-Koordinator von Aktionen“, der günstige Zustände erreichen und ungünstige vermeiden kann.

Das Gehirn ist auch verantwortlich für das Gedächtnis, die Entscheidungsfindung, die Auswahl von Wahrnehmung und Handlung, die Planung und Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts zwischen Ausbeutung und Erkundung, die Aufrechterhaltung regelbasierter Verhaltensweisen durch Flexibilität sowie die Geschwindigkeit und Genauigkeit von Reaktionen. Zusammengenommen demonstrieren diese beiden Funktionen des Gehirns den Zusammenhang, der zwischen Fehlern in der Gehirnfunktion und -struktur und mentaler Dysfunktion besteht.

Marker der neuralen Alterung

Mehrere Faktoren tragen zur neuralen Alterung bei.

Mitochondrien beispielsweise sind hauptsächlich für die Energiehomöostase auf zellulärer Ebene verantwortlich. Somit wirkt sich die Dysfunktion dieser Organelle auf eine Vielzahl von Stoffwechselprozessen aus, an denen Glukose, Calciumionen, Schlüsselenzyme und -moleküle sowie antioxidative Mechanismen beteiligt sind, um die Auswirkungen von oxidativem Stress, DNA-Schäden und der Deaktivierung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zu mildern ).

Abnorme Metaboliten sowie dysfunktionale Proteine ​​und Mitochondrien können sich in Neuronen ansammeln. Dies geschieht als Folge eines Ungleichgewichts zwischen oxidativem Stress und antioxidativer Abwehr sowie einem beeinträchtigten Abfallentsorgungssystem aufgrund gealterter Lysosomen und Proteasomen.

Mikroglia zeigen mit zunehmendem Alter oft beeinträchtigte und langsamere Reaktionen auf Hirnverletzungen. Entzündung, die ein chronischer Zustand einer leichten Entzündung mit alternden Neuronen ist, ist ein weiterer Aspekt der neuralen Alterung.

Diese verschiedenen Aspekte des Alterns führen dazu, dass Neuronen anfälliger für funktionelle Beeinträchtigungen werden, während gleichzeitig die neuronale Abwehr geschwächt wird. Die daraus resultierenden kognitiven und funktionellen Veränderungen variieren von Person zu Person, abhängig von den spezifischen Herausforderungen ihrer Umgebung und der Kapazität ihrer Abwehrsysteme.

Neural vs. Netzwerkänderungen

Die neurale Alterung beinhaltet auch die Seneszenz von Neuronen, die Erschöpfung von Stammzellen sowie Veränderungen der neuronalen Eigenschaften, einschließlich ihrer Integrität, Aktivität, Plastizität und Kommunikation. Neuronale Netzwerke zeigen auch mit dem Alter abnormale Aktivität und veränderte Verbindungen.

Viele Neurotransmitter zeigen sinkende Spiegel mit entsprechender Abnahme der Neuroplastizität. Die Langzeitpotenzierung (LTP) wird verringert, während die Langzeitdepression (LTD) der neuronalen Übertragung verstärkt wird.

Innerhalb des Hippocampus beschleunigt ein solcher Plastizitätsverlust, insbesondere bei Stress, den altersbedingten kognitiven Rückgang. Währenddessen entgehen Bereiche wie das Default Mode Network (DMN), die während bestimmter Aufgaben unterdrückt werden, einer solchen Deaktivierung im alternden Gehirn.

Gleichzeitig wird der präfrontale Kortex bei Aufgaben aktiver, ein Phänomen, das als kompensatorische Rekrutierung bekannt ist und besonders anfällig für Schäden ist.

Dieses Muster wurde mit Verhaltensänderungen in Verbindung gebracht, wie z. B. mit zunehmendem Alter zunehmendes ausbeuterisches Verhalten gegenüber explorativem Verhalten. Insgesamt ist eine neuronale Dysfunktion mit einer beeinträchtigten Neuroplastizität verbunden, die eine Verbindung zwischen dem Versagen einzelner Neuronen und neuronaler Netzwerke im Alter herstellt.

Kann neurales Altern verhindert werden?

Die Wissenschaftler der aktuellen Studie untersuchten auch die vielversprechenden Anti-Neural-Aging-Effekte mehrerer Interventionen, die darauf abzielen, Stoffwechselparameter bei älteren Menschen zu normalisieren. Dazu gehören Kalorieneinschränkung und Bewegung und können auch die Behandlung anderer Risikofaktoren wie Stressabbau und Verbesserung des Schlafs sowie die Verbesserung der Qualität des Darmmikrobioms beinhalten.

Eine Ernährung, die reich an Antioxidantien und nützlichen Fetten ist, kann vor angesammelten Schäden schützen, während eine Ernährung mit viel Zucker und gesättigten Fetten solche Schäden verschlimmern kann. Intermittierendes Fasten scheint solche Schäden bei Versuchstieren zu lindern, indem es die Biogenese neuronaler Mitochondrien verbessert und die Auswirkungen von oxidativem Stress auf diese Organellen verringert. Eine Ernährung, die ein gesundes Darmmikrobiom fördert, könnte auch dazu beitragen, die neuronale Gesundheit zu erhalten.

Kalorienrestriktion und Bewegung wirken über verschiedene Wege, um die neuronale Erholung während Ruhe und Schlaf zu verbessern sowie die Neuroplastizität und Stressresistenz zu erhöhen. Frühere Untersuchungen am Menschen haben gezeigt, dass Bewegung die Struktur und Funktion des Hippocampus verbessert und gleichzeitig kognitive Beeinträchtigungen reduziert.

Schlaf wirkt auf vielfältige Weise, um das Gehirn vor Neurodegeneration zu schützen, insbesondere im Hippocampus. Zu diesem Zweck verbessert der Schlaf die neuronale Reparatur und die Immunantwort, während er gleichzeitig Abfallprodukte wie Amyloid-Plaques eliminiert.

Stress, Einsamkeit und Entzündungen sind eng miteinander verbunden und können durch geeignete Stressabbaumaßnahmen gemildert werden.

Freiwilligenaktivitäten fördern die soziale Verbundenheit sowie die kognitive Flexibilität und eine erhöhte Aktivierung des präfrontalen Kortex.“

Auch bei Versuchstieren wurden pharmakologische Eingriffe mit bestimmten Wirkstoffen wie Ergothionein beschrieben, die als Nahrungsergänzungsmittel zugelassen sind. Vielleicht können diese Medikamente die Rate des kognitiven Verfalls verringern; jedoch ist mehr Forschung erforderlich.

In der Zwischenzeit erhöht das Erlernen neuer Fähigkeiten die Größe des Hippocampus. Seine Wirkung auf die allgemeine Kognition ist jedoch umstritten und muss weiter untersucht werden.

Schlussfolgerungen

Mehrere biologische und molekulare Veränderungen sind mit der neuronalen Alterung verbunden. Dazu gehören Stoffwechselverschiebungen, oxidativer Stress, DNA-Schäden, Entzündungen und eine gestörte Regulation von Kalzium. Diese Prozesse bilden ein zusammenhängendes Netzwerk, das zu einer Abnahme der Plastizität des Gehirns führt, mit einer entsprechenden Abnahme der kognitiven Funktion.

Sobald die mitochondriale Dysfunktion einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, kann sie beginnen, einen Rückgang zu zeigen, und dann in ihrem „Fall“ andere Kennzeichen der neuralen Alterung mit sich ziehen, wodurch eine Kaskade ausgelöst wird, die irgendwann auch zu einem Rückgang der unterstützten kognitiven Funktionen führen kann durch neuronale Ensembles und Netzwerke.“

Die Forscher schlagen vor, dass das mitochondriale Kaskadenmodell der Alzheimer-Krankheit auch für das normale Altern gelten könnte.

Der zugrunde liegende Mechanismus, durch den neurales Altern auftritt, kann nicht durch einen einzelnen neurobiologischen Faktor erklärt werden. Stattdessen scheinen sich diese eng miteinander verbundenen Faktoren gegenseitig zu beeinflussen.

Wir spekulieren, dass ein Rückgang in einem Merkmal der neuralen Alterung einen Rückgang in anderen, ansonsten bisher stabilen Subsystemen auslösen kann, wodurch eine Kaskade ausgelöst wird, die irgendwann auch zu einem Rückgang der kognitiven Funktionen und des psychischen Wohlbefindens führen kann.“

Weitere Forschung ist notwendig, um das Gesamtnetzwerk der altersbedingten Veränderungen auf allen Ebenen zu verstehen. Zukünftige Studien sollten auch darauf abzielen, Interventionen zu unterstützen, die das Auftreten dieser Veränderungen verhindern können, wodurch der kognitive Rückgang verbessert und gleichzeitig die geistige Zerbrechlichkeit im Zusammenhang mit dem Alter erhöht wird.

Referenz:

• Ridderinkhof, KR & Krugers, HJ (2022). Horizonte in der Neurowissenschaft des menschlichen Alterns: Von der normalen neuronalen Alterung zur mentalen (Fr)Agilität. Grenzen in der menschlichen Neurowissenschaft. doi:10.3389/fnhum.2022.815759.

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