Das Gehirn wächst im Gleichklang

Bildgebungsdaten der Lise-Meitner-Gruppe NeuroLearn deuten darauf hin, dass Hirnrinde und Nervenbahnen von Anfang an aufeinander abgestimmt reifen. 

Damit das Gehirn effizient arbeiten kann, müssen Nervenzellen ihre Signale schnell weiterleiten. Möglich macht das Myelin – eine fettreiche Isolierschicht, die Nervenfasern umhüllt. Eine Studie zeigt nun, dass die langen Verbindungsbahnen des Gehirns, und die Hirnrinde in den ersten Lebensmonaten synchron myelinisieren. Die Ergebnisse könnten das Verständnis der frühen Entwicklung neuronaler Netzwerke grundlegend erweitern.

Kaum ein Organ verändert sich in den ersten Lebensmonaten so rasant wie das Gehirn. Während Säuglinge lernen, Gesichter zu erkennen, Bewegungen zu koordinieren und ihre Umwelt zu erkunden, vollziehen sich im Inneren tiefgreifende Umbauprozesse. Milliarden Nervenzellen sind bereits vorhanden, doch erst ihre Vernetzung macht aus ihnen ein leistungsfähiges Kommunikationssystem. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Myelinisierung: Durch den Aufbau der isolierenden Myelinschicht werden elektrische Signale schneller, zuverlässiger und energieeffizienter weitergeleitet.

Bislang wurde dieser Prozess in der Regel für verschiedene Bereiche des Gehirns separat untersucht. Im Fokus standen einerseits die langen Nervenfasern der weißen Substanz, die verschiedene Hirnregionen miteinander verbinden, und andererseits die graue Substanz mit ihren Nervenzellkörpern, in der Informationen verarbeitet werden. Beide Gewebe entwickeln sich in den ersten Lebensjahren dynamisch. Ob ihre Myelinisierung jedoch unabhängig voneinander oder von Anfang an abgestimmt verläuft, war bislang unklar.

Entwickeln sich graue und weiße Hirnsubstanz gemeinsam?

Ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Bildungsforschung, der Philipps-Universität Marburg, und der Stanford University zeichnet nun ein differenzierteres Bild. Ihre in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie legt nahe, dass sich das Myelin von grauer und weißer Substanz bereits in den ersten Lebenswochen eng miteinander verzahnt entwickelt. Den Ergebnissen zufolge baut das Gehirn seine „Datenbahnen“ und die dazugehörigen Verarbeitungszentren nicht unabhängig voneinander auf, sondern als ein einheitliches System.

Grundlage der Untersuchung waren zwei komplementäre Datensätze. Im Mittelpunkt standen MRT-Aufnahmen von 273 Neugeborenen aus dem Developing Human Connectome Project, einer der weltweit größten Studien zur frühen Gehirnentwicklung. Ergänzend analysierten die Forschenden quantitative MRT-Daten von 21 Säuglingen aus dem Stanford VPNL Baby Project. Beide Datensätze enthalten Messgrößen, die Gewebeeigenschaften erfassen und in engem Zusammenhang mit dem Myelingehalt stehen. Durch die Kombination der beiden Datensätze konnten die Forscher ihre Ergebnisse unabhängig voneinander validieren.

Mithilfe automatisierter Analysen rekonstruierten die Forschenden 26 große Faserbahnen der weißen Substanz und identifizierten deren kortikale Zielgebiete. So ließ sich erstmals systematisch untersuchen, ob die Entwicklung einer Nervenverbindung mit der Entwicklung der von ihr versorgten Hirnrindenregion zusammenhängt.

Die Antwort fiel eindeutig aus: Wiesen bestimmte Faserbahnen hohe myelinsensitive MRT-Signale auf, zeigten auch ihre Zielregionen in der Hirnrinde vergleichsweise hohe Werte. Umgekehrt gingen weniger stark entwickelte Nervenbahnen mit niedrigeren Werten in der jeweils verbundenen Hirnrinde einher. Dieser Zusammenhang zeigte sich nicht nur auf Gruppenebene, sondern auch bei einzelnen Kindern.

Gekoppelte Reifung in den ersten Lebenswochen

Besonders deutlich wurde der Zusammenhang zwischen beiden Geweben, als die Forschenden die Geschwindigkeit der Myelinisierung betrachteten. Während der ersten Lebenswochen nahmen die myelinsensitiven Signale sowohl in der weißen als auch in der grauen Substanz kontinuierlich zu.

Entscheidend war jedoch, dass sich die Entwicklungsraten gegenseitig widerspiegelten: Dort, wo Faserbahnen besonders schnell reiften, entwickelte sich auch die mit ihnen verbundene Hirnrinde schneller. Zwar verlief die Myelinisierung der weißen Substanz insgesamt dynamischer als die der grauen, dennoch blieben beide Prozesse eng gekoppelt – als würden sich Leitungsbahnen und Verarbeitungszentren gegenseitig in ihrer Entwicklung begleiten.

Frühgeburtlichkeit beeinflusst die Abstimmung

Die Studie liefert zudem Hinweise darauf, dass frühe Abweichungen von der typischen Entwicklung dieses Zusammenspiel der beiden Gehirngewebe beeinträchtigen können. Bei Frühgeborenen war die Kopplung zwischen grauer und weißer Hirnsubstanz schwächer ausgeprägt als bei termingerecht geborenen Kindern.

Zwar nahm die Synchronität mit zunehmendem Alter zu, doch selbst zum errechneten Geburtstermin erreichten die frühgeborenen Kinder das Niveau der Vergleichsgruppe noch nicht vollständig. Die Befunde ergänzen frühere Arbeiten, die Auswirkungen von Frühgeburtlichkeit auf die Hirnreifung und die Myelinisierung beschrieben haben. Die neuen Daten deuten darauf hin, dass nicht nur die Menge des gebildeten Myelins verändert sein könnte, sondern auch dessen zeitliche Abstimmung zwischen verschiedenen Hirngeweben.

Zusammenhang mit der motorischen Entwicklung

Die Forschenden untersuchten zudem, ob die frühe Synchronität der Myelinisierung mit späteren Entwicklungsschritten zusammenhängt. Tatsächlich erzielten Kinder, die zur Geburt eine stärkere Kopplung zwischen grauer und weißer Hirnsubstanz aufwiesen, im Alter von 17 bis 25 Monaten im Durchschnitt etwas bessere Ergebnisse in motorischen Entwicklungstests.

Der Effekt war statistisch signifikant, jedoch relativ klein. Für Sprach- und kognitive Fähigkeiten fanden sich keine vergleichbaren Zusammenhänge. Die Daten erlauben daher keine Aussagen über Ursache und Wirkung. Sie liefern aber Hinweise darauf, dass die zeitliche Abstimmung der Myelinisierung über die Gehirngewebe hinweg mit der motorischen Entwicklung zusammenhängen könnte.

Warum entwickeln sich die beiden Gewebe parallel?

Warum graue und weiße Hirnsubstanz so eng koordiniert reifen, beantwortet die Studie nicht direkt. Die Forschenden diskutieren jedoch mehrere mögliche Mechanismen. Eine Erklärung liefert die sogenannte aktivitätsabhängige Myelinisierung. Demnach fördern aktive Nervenzellen die Bildung von Myelin entlang ihrer Verbindungen. Werden bestimmte neuronale Netzwerke besonders intensiv genutzt, könnte sich die Myelinisierung sowohl der verbindenden Nervenbahnen als auch der beteiligten Hirnrindenareale gleichzeitig beschleunigen. Ebenso denkbar sind gemeinsame genetische Steuerungsprogramme oder gekoppelte Stoffwechselprozesse in beiden Geweben.

„Die Forschung hat Myelin lange unterschätzt“, sagt die Neurowissenschaftlerin Mareike Grotheer, Leiterin der Lise-Meitner-Forschungsgruppe NeuroLearn – Neuroplastizität in Entwicklung und Lernen am Max-Planck-Institut für Bildungsforschung. Lange habe man die großen Nervenbahnen als weitgehend starres Gerüst betrachtet. Erst in den vergangenen Jahren habe sich gezeigt, wie eng Myelinisierung, Lernen und Hirnplastizität miteinander verbunden sind.

Dass Myelin weit mehr ist als eine passive Isolierschicht, belegen auch Tierstudien. Wird die Myelinbildung bei Mäusen gezielt gestört, verschlechtern sich ihre Lernleistungen erheblich. Beim Menschen steht die Erforschung dieser Zusammenhänge dagegen noch am Anfang.

Neue Perspektive auf die frühe Hirnentwicklung

Die Ergebnisse sprechen dafür, die Entwicklung von grauer und weißer Hirnsubstanz künftig nicht länger isoliert zu betrachten. Stattdessen deutet die Studie darauf hin, dass die Myelinisierung der grauen und weißen Substanz von Beginn des Lebens an als Teil eines eng verzahnten Systems gemeinsam voranschreitet.

Sollten sich die Befunde in weiteren Studien bestätigen, könnte die Synchronität der Myelinisierung künftig als zusätzlicher Biomarker dienen, um die Hirnentwicklung von Säuglingen zu beurteilen – insbesondere bei Frühgeborenen oder Kindern mit erhöhtem Entwicklungsrisiko.

Auf einen Blick 

• Gemeinsame Entwicklung: Die graue und die weiße Substanz werden im frühen Säuglingsalter gleichzeitig myelinisiert.
• Frühgeburtlichkeit: Bei Frühgeborenen ist diese Synchronität zunächst schwächer ausgeprägt.
• Motorische Entwicklung: Eine stärkere Kopplung der Myelinisierung zur Geburt geht mit leicht besseren motorischen Fähigkeiten im Kleinkindalter einher.
• Neue Perspektive: Die Ergebnisse sprechen dafür, die Entwicklung von grauer und weißer Hirnsubstanz als einen eng verknüpften Prozess zu betrachten.

Wie lässt sich Myelin im Gehirn messen?
Myelin ist die fettreiche Isolierschicht, die Nervenfasern umgibt und die Weiterleitung elektrischer Signale beschleunigt. Mit einem Magnetresonanztomografen (MRT) lässt sich Myelin jedoch nicht direkt sichtbar machen. Stattdessen nutzen Forschende Messgrößen, die empfindlich auf Gewebeeigenschaften reagieren, die eng mit dem Myelingehalt verknüpft sind.
In der vorliegenden Studie kamen zwei unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Im großen Datensatz wurde das Verhältnis zweier MRT-Bildtypen (T1- und T2-gewichtete Aufnahmen) ausgewertet. Aus diesem Verhältnis lässt sich abschätzen, wie stark ein Hirnareal myelinisiert ist.
Ergänzend nutzten die Forschenden in einer kleineren Gruppe von Säuglingen eine quantitative MRT-Methode. Dabei entstehen nicht nur Bilder des Gehirns, sondern auch messbare Zahlenwerte, die bestimmte Eigenschaften des Gewebes beschreiben. Einer dieser Werte, die sogenannte R1-Relaxationsrate, gilt als guter Hinweis auf den Myelingehalt.
Das Entscheidende: Beide Methoden lieferten unabhängig voneinander sehr ähnliche Ergebnisse. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die beobachtete Synchronität zwischen Hirnrinde und Nervenbahnen tatsächlich die biologische Entwicklung des Myelingehalts widerspiegelt und nicht auf Besonderheiten einer einzelnen Messmethode zurückzuführen ist. Das macht die Befunde robust.

Originalpublikation

Zika, S., Chang, K., Orhon, A., Kruper, J., Tyagi, C., Yan, X., Tung, S., Grill-Spector, K., Rokem, A., & Grotheer, M. (2026). Cortical and white matter myelination proceed in concert during early infancy. Nature Communications, 17, Article 5353. https://doi.org/10.1038/s41467-026-73366-9