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Es wird davon ausgegangem, dass autistische Störungen vor allem durch Veränderungen im Erbgut bedingt sind. Zwillings- und Geschwisterstudien stützen diese Theorie. So ist bei Geschwistern von autistischen Kindern die Wahrscheinlichkeit, auch selber eine autistische Störung zu entwickeln, um das 50-fache erhöht.
Offensichtlich spielen also bestimmte Genveränderungen bei der Entstehung von Autismus eine Rolle. Bei 10 bis 15 Prozent der Autisten ist beispielsweise das „FragileX-Chromosom” nachzuweisen – hier ist eine genetische Veränderung auf dem X-Chromosom die Ursache einer kognitiven Behinderung.
Bislang konnten noch keine Veränderung des Gehirns nachgewiesen werden, die für Autismus typisch ist. Allerdings wurden in jenen Hirnabschnitten Auffälligkeiten gefunden, die für die sozialen und kommunikativen Fähigkeiten verantwortlich sind. Noch ist unklar, ob sie als Folge des Autismus entstanden sind oder die Symptome hervorrufen.
Vermutlich ist die Gehirnentwicklung von autistischen Kindern bereits im Mutterleib gestört, was sich später auf eine normale Hirnentwicklung auswirkt. So haben autistische Kinder einen größeren hinteren Hirnabschnitt und in den ersten Lebensjahren einen größeren Kopfumfang. Dies beeinflusst wahrscheinlich die Vernetzung von Informationen im Gehirn.
Menschen mit einer Autismus-Spektrum-Störung weisen meist höhere Spiegel der Botenstoffe Serotonin und Dopamin auf. Diesen Umstand machen sich Ärzte bei der Autismus-Therapie zunutze: Es werden sogenannte Serotonin-Wiederaufnahmehemmer eingesetzt, die auch bei Depressionen helfen.