Das Gehirn altert schichtweise: Die Eingangsschicht des sensorischen Kortex verdickt sich, während die tieferen Schichten dünner werden.

Eine in Nature Neuroscience veröffentlichte Arbeit zeigt, wie sich das Altern bei Menschen und Mäusen unterschiedlich auf die Schichten des sensorischen Kortex auswirkt. Bei älteren Erwachsenen erscheint die Eingangsschicht IV dicker und myelinreicher, während die tiefen Schichten (V–VI) trotz einer allgemeinen Zunahme des Myelins dünner werden. In Gewebe- und Kalziumexperimenten an Mäusen nahm die sensorische neuronale Aktivität mit dem Alter zu, und auch die Dichte der PV-Interneuronen, wahrscheinlich ein „Kompensator“ für die Aufrechterhaltung des Erregungs-/Hemmungsgleichgewichts, nahm zu. Mit anderen Worten: Der Kortex altert nicht gleichmäßig, sondern schichtweise.

Hintergrund

• Was wird üblicherweise über die Alterung des Gehirns gedacht? Oft heißt es: „Die Hirnrinde wird mit dem Alter dünner“ – und das erklärt alles. Dies ist jedoch ein Durchschnittsbild für die gesamte Dicke der Hirnrinde, ohne zu berücksichtigen, dass die Hirnrinde ein „Schichtkuchen“ ist, bei dem jede Schicht unterschiedliche Aufgaben hat.
• Unklar blieb, ob der Kortex gleichmäßig altert oder ob jede Schicht ihren eigenen Verlauf hat. Dies gilt insbesondere für den sensorischen Kortex, wo die vierte Schicht (Schicht IV) Eingaben vom Thalamus (dem „Eingangsport“) empfängt und tiefere Schichten Befehle weiterleiten. Frühe Arbeiten deuteten auf Schicht-für-Schicht-Veränderungen hin, doch direkte, hochauflösende Daten vom Menschen waren rar.
• Warum es heute einfacher ist, dies zu untersuchen. 7-Tesla-MRT-Methoden mit schichtweiser Analyse von Struktur und Funktion sowie quantitativen Myelinkarten (qT1, QSM) sind entstanden. Sie lassen sich mit Experimenten an Mäusen vergleichen – von der Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung neuronaler Aktivität bis hin zur Histologie. Dieses „Mensch ↔ Maus“-Design ermöglicht es uns zu überprüfen, ob die Alterung tatsächlich schichtweise erfolgt und nicht einfach über den gesamten Kortex „gemittelt“ wird.
• Hinweise aus Modellen. Bei Tieren nehmen sensorische Reaktionen mit dem Alter häufig zu, und hemmende Interneuronen mit dem Protein Parvalbumin (PV) werden oft neu verdrahtet – diese „Bremszellen“ verhindern eine Übererregung des Netzwerks. Ändert sich ihre Dichte oder Funktion, kann das Netzwerk altersbedingte Verschiebungen der Eingangssignale kompensieren.

Was haben sie getan?

Ein Team des DZNE (Deutschland), der Universitäten Magdeburg und Tübingen sowie Partner verglich junge und alte Personengruppen mittels Ultrahochfeld-7-Tesla-MRT: Sie maßen Schichtdicke, Myelin-Proxy (qT1) und magnetische Suszeptibilität (QSM) sowie funktionelle Reaktionen auf taktile Stimulation der Finger. Parallel dazu wurde eine Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung im Barrel-Cortex von Mäusen durchgeführt und postmortale Myelinanalysen durchgeführt. Dieses „zweisprachige“ Design (Mensch ↔ Maus) ermöglichte den Vergleich von Alterungsmustern auf Schichtebene.

Die wichtigsten Erkenntnisse – einfach erklärt

• Schicht IV (der Eingangskanal) ist bei älteren Erwachsenen größer und stärker myeliniert, mit erweiterten sensorischen Eingangssignalen. Die tieferen Schichten sind dünner, weisen aber ebenfalls Anzeichen einer stärkeren Myelinisierung auf. Die normale „durchschnittliche kortikale Dicke“ maskiert diese unterschiedlichen Verschiebungen, sodass schichtspezifische Messwerte aussagekräftiger sind.
• Die „Grenzen“ der Fingerkarten (Bereiche mit wenig Myelin zwischen den Fingerdarstellungen) bleiben mit zunehmendem Alter erhalten – bei der Degradation wurden keine klaren Grenzen gefunden.
• Mäuse zeigten mit zunehmendem Alter eine stärkere sensorische neuronale Aktivierung und eine höhere Dichte an PV-Interneuronen (den „Bremszellen“), was als Ausgleich dienen könnte, um zu verhindern, dass Netzwerke „außer Kontrolle geraten“. Das kortikale Myelin der Mäuse zeigte eine altersbedingte Dynamik, darunter eine Zunahme im Erwachsenenalter und eine Abnahme im Alter (umgekehrte U-Kurve).

Warum ist das wichtig?

• Es geht nicht immer nur um „Ausdünnung“. Ja, die Hirnrinde ist bei älteren Menschen im Durchschnitt dünner, aber dieser „Durchschnitt“ verbirgt den Schlüssel: Verschiedene Schichten verändern sich unterschiedlich. Für Diagnostik und Wissenschaft ist es genauer, das Profil nach Schichten zu betrachten und nicht nur die Gesamtdicke.
• Neurobiologische Implikationen. Die Verdickung/Myelinisierung der Schicht IV und die verstärkte Hemmung der PV scheinen eine Anpassung in Mausmodellen zu sein: Die Eingangssignale sind länger und breiter, und das System fügt „Bremsen“ hinzu, um eine Überaktivierung einzudämmen. Dies erklärt, warum manche älteren Erwachsenen verstärkte sensorische Reaktionen zeigen, ohne dass ein offensichtlicher Hemmungsverlust erkennbar ist.
• Brücke zur Klinik: Schichtspezifische Ansätze könnten Aufschluss darüber geben, wie sich die normale Alterung von Krankheiten unterscheidet, bei denen andere Schichten und Mechanismen betroffen sind – beispielsweise sind bei Alzheimer oder Multipler Sklerose andere Ebenen und Arten von Myelin/Interneuronen stärker beteiligt.

Details, auf die Sie achten sollten

• In einem Datensatz hatten Menschen eine Gesamthanddicke von ≈2,0 mm in S1 und der Unterschied zwischen den Altersgruppen betrug etwa –0,12 mm – der entscheidende Punkt ist jedoch, dass die tiefen Schichten dazu beitrugen, während die mittlere Schicht dicker wurde.
• Die Autoren fanden keine klaren Hinweise auf eine geschwächte Hemmung bei älteren Erwachsenen auf der BOLD-Ebene. Stattdessen beobachteten sie in Aufzeichnungen einzelner Neuronen von Mäusen eine erhöhte hemmende Koaktivierung und eine Zunahme von PV+-Zellen, was mit der Idee der Kompensation übereinstimmt.
• In Pressematerialien wird die Studie als Beweis für eine „geschichtete“ Alterung der Hirnrinde präsentiert und dafür, dass die menschliche Hirnrinde zumindest im somatosensorischen Bereich langsamer altert als bisher angenommen, weil einige Schichten strukturelle „Ressourcen“ behalten oder sogar vermehren.

Kommentare der Autoren

Hier ist, was die Autoren selbst betonen (basierend auf der Bedeutung ihrer Diskussion und Schlussfolgerungen):

• Altern ist keine gleichmäßige Ausdünnung, sondern eine schichtweise Umstrukturierung. Es zeigen sich Verschiebungen in verschiedene Richtungen: Die Eingangsschicht IV wirkt bei älteren Menschen dicker und myelinierter, während die tiefen Schichten den Hauptanteil an der allgemeinen Ausdünnung der Hirnrinde tragen. Daher verbergen Durchschnittswerte über die gesamte Dicke der Hirnrinde wichtige Veränderungen – man muss Schicht für Schicht schauen.
• Der sensorische Input wird gedehnt, das Netzwerk passt sich an. Eine dickere/stärkere Myelinisierung der Schicht IV bei älteren Menschen ist mit längeren sensorischen Inputs verbunden; in einem Mausmodell ist die sensorische neuronale Aktivität erhöht und der Anteil der PV-Interneuronen nimmt zu, ein wahrscheinlicher Kompensationsmechanismus zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erregung und Hemmung.
• Tiefe Schichten sind eine Schwachstelle im Alterungsprozess. Ihren Daten zufolge sind es die tiefen Schichten, die altersbedingte Ausdünnung und Veränderungen der funktionellen Modulation erklären, während die mittleren Schichten entgegengesetzte Verschiebungen aufweisen können. Daher die Schlussfolgerung: Verschiedene Schichten weisen unterschiedliche Alterungsverläufe auf und lassen sich nicht auf eine „Durchschnittskurve“ reduzieren.
• Auswirkungen auf die klinische Praxis und Methoden. Die Autoren befürworten eine schichtspezifische Optik: Solche Messwerte werden dazu beitragen, normales Altern genauer von Krankheiten (bei denen andere Schichten/Mechanismen betroffen sind) zu unterscheiden und hochdichte (7T) MRT-Aufnahmen – sowohl strukturelle als auch funktionelle Daten – besser zu interpretieren.
• Die Stärke der Arbeit liegt in der „Brücke Mensch↔Maus“. Die Kombination von 7T-MRT beim Menschen mit Kalzium-Bildgebung und Histologie bei Mäusen ergab ein konsistentes Bild über alle Schichten hinweg. Dies erhöht laut den Autoren die Zuverlässigkeit der Interpretation menschlicher Befunde und legt Mechanismen (Myelin, PV-Interneuronen) nahe, die weiter untersucht werden können.
• Einschränkungen – und wie es weitergeht. Die Humanstudie ist eine Querschnittsstudie (nicht mit denselben Teilnehmern über einen bestimmten Zeitraum) und konzentriert sich auf den primären somatosensorischen Kortex; Längsschnittstudien, andere kortikale Bereiche und Vergleiche mit klinischen Gruppen sind erforderlich. Es ist auch wichtig zu klären, inwieweit die 1:1-Mechanismen bei Mäusen auf den Menschen übertragbar sind.

Kurz gesagt: Das Gehirn altert Schicht für Schicht, was sich sowohl in der Struktur (Myelin, Dicke) als auch in der Funktionsweise des Netzwerks zeigt. Input und Output der Hirnrinde verändern sich unterschiedlich, und einige Effekte scheinen adaptiv zu sein. Dies verändert den Ansatz in der Diagnostik und Erforschung altersbedingter Veränderungen.

Einschränkungen und der nächste Schritt

Die Arbeit ist querschnittlich angelegt (verschiedene Personen, nicht dieselben im Laufe der Zeit) und konzentriert sich auf den primären somatosensorischen Kortex; der Mechanismus der Unterschiede zwischen den Spezies (Mensch ↔ Maus) muss ebenfalls geklärt werden. Längsschnittliche schichtspezifische Studien stehen bevor und untersuchen, wie sich diese „geschichtete Signatur“ bei neurodegenerativen und demyelinisierenden Erkrankungen verändert.