Hitze- und Kälteeinwirkung in jungen Jahren kann die Entwicklung der weißen Substanz des Gehirns beeinträchtigen

Gehirnscans von mehr als 2.000 Kindern im vorpubertierenden Alter haben ergeben, dass frühe Hitze- und Kälteexposition langfristige Auswirkungen auf die Mikrostruktur der weißen Substanz des Gehirns haben kann, insbesondere bei Menschen in armen Regionen. Die in der Fachzeitschrift Nature Climate Change veröffentlichte Studie unterstreicht die Anfälligkeit von Föten und Kindern gegenüber extremen Temperaturen. Die Studie wurde vom Barcelona Institute for Global Health (ISGlobal) geleitet.

Angesichts der aktuellen Klimakrise sind die Auswirkungen extremer Temperaturen auf die menschliche Gesundheit für Wissenschaft und Gesellschaft von großer Bedeutung. Kinder reagieren besonders anfällig auf Temperaturschwankungen, da ihre thermoregulatorischen Mechanismen noch nicht ausgereift sind.

„Wir wissen, dass das sich entwickelnde Gehirn von Föten und Kindern besonders anfällig für Umwelteinflüsse ist. Es gibt erste Hinweise darauf, dass Kälte und Hitze das geistige Wohlbefinden und die kognitiven Fähigkeiten von Kindern und Jugendlichen beeinträchtigen können“, sagt Monika Guxens, Forscherin bei ISGlobal, Erasmus MC und CIBERESP. „Es gibt jedoch nur wenige Studien, die mögliche Veränderungen der Gehirnstruktur infolge dieser Einflüsse untersuchen“, fügt sie hinzu.

In dieser Studie untersuchte Guxens‘ Team die Struktur der weißen Substanz im Gehirn von Kindern im vorpubertierenden Alter, um Phasen der Anfälligkeit gegenüber Kälte und Hitze in der frühen Kindheit zu identifizieren. Die Analyse umfasste 2.681 Kinder aus der Generation-R-Studie in Rotterdam, die im Alter zwischen 9 und 12 Jahren einer Magnetresonanztomographie (MRT) unterzogen wurden. Das MRT-Protokoll bewertete die Gehirnaktivität anhand der Menge und Richtung der Wasserdiffusion in der weißen Substanz des Gehirns.

In älteren Gehirnen fließt Wasser eher in eine Richtung als in alle Richtungen, was zu niedrigeren Werten für einen Marker namens mittlere Diffusivität und höheren Werten für einen Marker namens fraktionale Anisotropie führt. Das Forschungsteam verwendete einen fortschrittlichen statistischen Ansatz, um für jeden Teilnehmer die Belastung durch durchschnittliche monatliche Temperaturen von der Empfängnis bis zum Alter von 8 Jahren und deren Auswirkungen auf diese MRT-Parameter (mittlere Diffusivität und fraktionale Anisotropie), gemessen im Alter von 9 bis 12 Jahren, zu schätzen.

Die Empfängniszeit zwischen der Schwangerschaft und drei Jahren

Die Ergebnisse zeigten, dass Kälteexposition während der Schwangerschaft und im ersten Lebensjahr sowie Hitzeexposition von der Geburt bis zum dritten Lebensjahr mit einer höheren mittleren Diffusivität in der Präadoleszenz verbunden waren, was auf eine langsamere Reifung der weißen Substanz hindeutet. Kälte und Wärme werden hier als Temperaturen am unteren und oberen Ende der Temperaturverteilung im betrachteten Bereich definiert.

„Weiße Substanzfasern verbinden verschiedene Bereiche des Gehirns und ermöglichen so die Kommunikation zwischen ihnen. Mit der Entwicklung der weißen Substanz wird diese Kommunikation schneller und effizienter. Unsere Studie ist wie eine Momentaufnahme zu einem bestimmten Zeitpunkt. Was wir auf diesem Bild sehen, ist, dass Teilnehmer, die stärker Kälte und Hitze ausgesetzt waren, Unterschiede in einem Parameter – der mittleren Diffusivität – aufweisen, der mit einer geringeren Reifung der weißen Substanz verbunden ist“, erklärt Laura Granes, Forscherin bei IDIBELL und ISGlobal und Erstautorin der Studie.

„In früheren Studien wurden Veränderungen dieses Parameters mit einer Verschlechterung der kognitiven Funktion und einigen psychischen Gesundheitsproblemen in Verbindung gebracht“, fügt sie hinzu.

„Die größten Veränderungen der Konnektivitätsparameter werden in den ersten Lebensjahren beobachtet“, sagt Studien-Co-Autor Carles Soriano von IDIBELL, UB und CIBERSAM. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Kälte und Hitze in dieser Phase der schnellen Gehirnentwicklung langfristige Auswirkungen auf die Mikrostruktur der weißen Substanz haben können.“

Es wurde kein Zusammenhang zwischen früher Temperaturbelastung und fraktioneller Anisotropie im Alter von 9–12 Jahren festgestellt. Die Autoren vermuten, dass eine mögliche Erklärung darin liegt, dass die beiden Parameter unterschiedliche mikrostrukturelle Veränderungen widerspiegeln und dass die mittlere Diffusivität ein zuverlässigerer Indikator für die Reifung der weißen Substanz sein könnte als die fraktionelle Anisotropie.

Kinder aus armen Familien sind stärker gefährdet

Eine nach sozioökonomischen Bedingungen geschichtete Analyse zeigte, dass Kinder in armen Gebieten anfälliger für Kälte und Hitze waren. Diese Kinder zeigten ähnliche Anfälligkeitsphasen gegenüber Kälte und Hitze wie die Gesamtkohorte, begannen jedoch früher. Diese Unterschiede könnten mit den Lebensbedingungen und Energiearmut zusammenhängen.

Ein wichtiger Mechanismus, der den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die neurologische Entwicklung erklären könnte, ist möglicherweise eine Verschlechterung der Schlafqualität. Weitere mögliche Mechanismen sind eine Störung der Plazentafunktion, eine Aktivierung der Hormonachse, die zu einer erhöhten Cortisolproduktion führt, oder entzündliche Prozesse.

„Unsere Ergebnisse tragen dazu bei, die Aufmerksamkeit auf die Anfälligkeit von Föten und Kindern gegenüber Temperaturschwankungen zu lenken“, sagt Guxens. Die Ergebnisse unterstreichen zudem die Notwendigkeit öffentlicher Gesundheitsstrategien zum Schutz der am stärksten gefährdeten Bevölkerungsgruppen angesichts der drohenden Klimakatastrophe.