Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das uns ermöglicht zu denken, zu fühlen, zu lernen und zu handeln. Es ist ein komplexes Netzwerk von Nervenzellen, die miteinander kommunizieren und ständig aktiv sind. In diesem Artikel werden wir uns mit einigen interessanten Fakten über das Gehirn beschäftigen, insbesondere im Hinblick auf seinen Energieverbrauch, seine Entwicklung und die Auswirkungen der Ernährung.
Die Struktur und Funktion des Gehirns
Das Gehirn eines Erwachsenen wiegt durchschnittlich 1.245 g bei Frauen und 1.375 g bei Männern. Es besteht aus verschiedenen Teilen, die jeweils spezifische Funktionen haben:
- Das Großhirn: Nimmt den größten Platz ein und besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Die linke Hemisphäre ist zuständig für Sprache, Umgang mit Symbolen und Sequenzen (Mathematik, Musik) sowie Denkprozesse, während die rechte Hemisphäre visuell-räumliche Wahrnehmung, Gefühle, Kreativität, Fantasie und Körperkoordination steuert. Zum Großhirn gehört auch das limbische System, das für gefühlsmäßige Reaktionen verantwortlich ist.
- Das Kleinhirn: Steuert unbewusst Muskulatur, Motorik und Körperhaltung (Gleichgewicht), ermöglicht die Orientierung im Raum und erhält willkürliche Bewegungsimpulse aus dem Großhirn.
- Das Zwischenhirn: Umfasst den Thalamus (der Input "sortiert" und an spezialisierte Teile des Gehirns weiterleitet) und den Hypothalamus (der lebenswichtige vegetative Funktionen wie den Wärme-, Wasser- und Energiehaushalt steuert).
- Der Hirnstamm: Kontrolliert Atmung, Blutkreislauf, Aufmerksamkeit und Schlaf.
- Das verlängerte Mark: Steuert automatisch ablaufende Vorgänge wie den Herzschlag sowie verschiedene Reflexe.
Das Gehirn besteht aus rund 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die über 100 Billionen Synapsen (Kontaktstellen) miteinander kommunizieren. Jede Nervenzelle hat ein Axon, das Nachrichten versendet (Output), und viele Dendriten, über die sie Botschaften empfängt (Input). Die Kommunikation zwischen den Neuronen erfolgt durch den Austausch von Neurotransmittern (komplexe Aminosäuren wie Serotonin, GABA, Dopamin, Adrenalin usw.) bzw. von Ionen in den Synapsen.
Die Entwicklung des Gehirns
Die Entwicklung des Gehirns beginnt bereits im Mutterleib. Zunächst entwickelt sich eine Unmenge von Neuronen, von denen ein Großteil noch vor der Geburt wieder abgebaut wird. Ein Neugeborenes startet mit 100 Milliarden Neuronen, die aber noch klein und wenig vernetzt sind. Dementsprechend beträgt das Gewicht seines Gehirns nur ein Viertel von dem eines Erwachsenen.
In den ersten drei Lebensjahren nimmt die Zahl der Synapsen rasant zu. Mit zwei Jahren entspricht die Menge der Synapsen derjenigen von Erwachsenen, mit drei Jahren hat ein Kind bereits doppelt so viel (200 Billionen). Diese Anzahl bleibt dann bis zum Ende des ersten Lebensjahrzehnts relativ konstant. Bis zum Jugendalter wird rund die Hälfte der Synapsen wieder abgebaut, bis die für Erwachsene typische Anzahl von 100 Billionen erreicht wird.
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Verbunden mit diesem rasanten Wachstum von Synapsen ist eine rasche Gewichtszunahme des Gehirns: von 250 g bei der Geburt über 750 g am Ende des 1. Lebensjahrs bis 1.300 g im 5. Lebensjahr. In der Pubertät wird schließlich das Endgewicht erreicht. Die doppelt so hohe Zahl von Synapsen erklärt auch, wieso das Gehirn eines Dreijährigen mehr als doppelt so aktiv ist wie das eines Erwachsenen. Außerdem enthalten die Gehirne von (Klein-) Kindern größere Mengen bestimmter Neurotransmitter und haben einen fast doppelt so hohen Glukoseverbrauch.
Die Ausbildung von doppelt so viel Synapsen wie letztlich benötigt werden, ist ein Zeichen für die große Plastizität des Gehirns - und die enorme Lern- und Anpassungsfähigkeit des Säuglings bzw. Kleinkinds. Das Neugeborene fängt geistig praktisch bei Null an: Abgesehen von ein paar Instinkten ist es weitgehend auf Wahrnehmung und Reaktion beschränkt. Die Regionen des Gehirns, die später für komplexe Funktionen wie Sprechen oder Denken zuständig sind, liegen weitgehend brach.
Die Überproduktion von Synapsen in den ersten wenigen Lebensjahren ermöglicht das schnelle Erlernen ganz unterschiedlicher Verhaltensweisen, Sprachen, Lebensstile usw. Ein großer Teil der weiteren Gehirnentwicklung bei Kindern besteht dann darin, die für ihre Lebenswelt nicht relevanten Synapsen abzubauen und die benötigten Bahnen zwischen Neuronen zu intensivieren. So bestimmt letztlich die Umwelt - das in ihr Erfahrene, Gelernte, Erlebte, Aufgenommene - zu einem großen Teil die Struktur des Gehirns.
Die skizzierte Entwicklung setzt sich dann bis zum Tode des Menschen fort: Unbenötigte Synapsen werden eliminiert, häufig benutzte verstärkt. Zugleich werden aber immer wieder neue Synapsen gebildet, insbesondere im Rahmen von Gedächtnisprozessen.
Das Gehirn beim Lernen
In jedem Augenblick strömt eine Unmenge an Eindrücken und Wahrnehmungen aus dem Körper und über die Sinne zum Gehirn. Die Impulse werden in viele kleine Einzelteile zerlegt, die in spezialisierten Teilregionen des Gehirns verarbeitet werden. Die von dort ausgehenden "Botschaften" werden in größeren Bereichen des Gehirns interpretiert und miteinander verknüpft. An dieser Weiterverarbeitung ist vielfach auch das Gedächtnis beteiligt: Erkennen ist vor allem Wiedererkennen von Gleichem und Ähnlichem. Ferner werden mit Hilfe des Gedächtnisses unvollständige Eindrücke ergänzt. Schließlich müssen Körper und/oder Geist reagieren, Veränderungen vornehmen, Handlungen planen und durchführen. Insbesondere an hoch komplexen Abläufen sind somit viele Bereiche des Gehirns beteiligt.
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Natürlich können nicht all die vielen Eindrücke und Wahrnehmungen, Lernerfahrungen und Informationen im Gehirn gespeichert werden. Vielmehr wird ausgewählt: Das Gehirn ignoriert bereits Bekanntes, unterscheidet Wichtiges von Unwichtigem, bildet Kategorien, Muster und Hierarchien, ordnet Ereignisse in sinnvollen Sequenzen, stellt Beziehungen zu anderen Daten her, fügt neu Gelerntes in bereits abgespeichertes Wissen ein.
Eindrücke und Informationen werden leichter behalten, wenn sie mit Emotionen verknüpft sind, wenn sie neuartig, ungewöhnlich und besonders interessant wirken, wenn sie leicht in die vorhandenen Gedächtnisinhalte integriert werden können und wenn ein Lebens- bzw. Alltagsbezug gegeben ist. Dann wird die dem Gehirn inhärente "Faulheit" - das Bestreben, aufgrund des generell hohen Bedarfs Energie zu sparen - überwunden: Sind Informationen, Lernprozesse, Erinnerungen emotional bedeutsam, reizvoll und spannend, werden Botenstoffe wie Dopamin und Acetylcholin ausgeschüttet, verstärken die Aufmerksamkeit und intensivieren die Gedächtnisleistung. Emotional bedeutsames Wissen wird (bei Rechtshändern) in der rechten Gehirnhälfte, neutrales Fakten- und Weltwissen in der linken Hemisphäre gespeichert.
Im Gehirn schlagen sich Denken und Lernen auf verschiedene Weise nieder: Bei jeder Interaktion zwischen Säugling bzw. Kleinkind und Umwelt reagieren zunächst Tausende von Gehirnzellen. Bestehende Verbindungen zwischen ihnen werden intensiviert, neue ausgebildet. Treten nun wiederholt ähnliche Eindrücke, Wahrnehmungen und Erfahrungen auf, schleifen sich bestimmte Bahnen ein. Das heißt, ähnliche Signale folgen zunehmend demselben Weg, der durch bestimmte, bei wiederholter Stimulierung stärker werdende chemische Signale in den Synapsen zwischen den Neuronen markiert wird. Haben diese Signale eine von Gehirnregion zu Gehirnregion unterschiedlich große Stärke erreicht, wird diese Bahn auf Dauer (bis in das Erwachsenenalter hinein) beibehalten. Viele zuvor benutzte Verbindungen - und die an ihnen beteiligten Neuronen - verlieren an Bedeutung; viele der kaum oder überhaupt nicht benutzten Nervenzellen werden sogar in den ersten Lebensjahren abgebaut. Die entlang der sich einschleifenden Bahnen liegenden Neuronen werden hingegen immer größer, d.h. sie bilden immer mehr Dendriten aus, die zudem länger werden und zu immer mehr anderen Nervenzellen führen. Zugleich wird das Gehirn auf eine bestimmte Weise organisiert - je nachdem, für welche Arten von Lernprozessen Neuronen und Nervenbahnen besonders oft aktiviert werden. Die Veränderungen in seiner Struktur können sogar stark ausgeprägt sein, wenn bestimmte Lernerfahrungen sehr häufig gemacht werden - z.B. ist bei Taxifahrern die Gehirnregion für das Ortsgedächtnis größer, wird bei tauben Menschen ein Bereich im Gehirn für die Gebärdensprache abgegrenzt.
Individuelle Unterschiede und Einflüsse auf die Gehirnentwicklung
Die Gehirnentwicklung wird durch Erbe und Umwelt gleichermaßen bestimmt. Rund 60% aller menschlichen Gene wirken auf die Gehirnentwicklung ein. Der IQ ist aber nur zu etwa 50% genetisch bedingt, der Schulerfolg sogar nur zu 20%.
Die Umgebung wirkt schon vor der Geburt auf die Gehirnentwicklung ein (z.B. die Stimme der Mutter, Musik und andere Geräusche), insbesondere über den Körper der Mutter: Negative Einflussfaktoren sind beispielsweise Fehlernährung, Rauchen, Alkohol- oder Drogenmissbrauch, Stress oder der Umgang mit giftigen Substanzen am Arbeitsplatz während der Schwangerschaft. Nach der Geburt wird die Gehirnentwicklung z.B. gehemmt durch längere Krankenhausaufenthalte oder Heimunterbringung, da dann Säuglinge bzw. Kleinkinder zu wenig Stimulierung erfahren. Dasselbe gilt für den Fall, dass die Mutter depressiv ist oder die Eltern ihr Kind vernachlässigen. Einen negativen Effekt können ferner frühkindliche Traumata oder Misshandlungen haben. Eine positive Wirkung wird hingegen beispielsweise dem Stillen zugesprochen, da hier das Gehirn besonders gut mit Vitaminen, Mineralien und Spurenelementen versorgt wird.
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Die Bedeutung der Ernährung für das Gehirn
Das Gehirn benötigt viel Energie, um seine Funktionen auszuführen. Es verbraucht rund 20 Watt an Elektrizität, was etwa der Leistung einer kleinen Glühbirne entspricht. Beim Erwachsenen benötigt das Gehirn rund 18% des täglichen Kalorienbedarfs, bei Kleinkindern sogar bis zu 50%.
Die Ernährung spielt eine entscheidende Rolle für die Gesundheit und Leistungsfähigkeit des Gehirns. Eine ausgewogene Ernährung mit ausreichend Vitaminen, Mineralien und Spurenelementen ist wichtig für eine optimale Gehirnfunktion.
Schädlich für das Gehirn sind hingegen eine Überdosis an Zucker, der Geschmacksverstärker Glutamat (in Übermaß) und der Süßstoff Aspartam. Ein unabdingbares Hirnschutzmittel scheint auch der Wein zu sein, insbesondere Rotwein, der Polyphenole enthält, die hirnschützend wirken.
Zusatzstoffe in Lebensmitteln und ihre Auswirkungen auf das Gehirn
Viele industrielle Nahrungsmittel enthalten Zusatzstoffe, die die Haltbarkeitsdauer verlängern, die Kosten senken und das Essen geschmacklich oder farblich aufwerten sollen. Einige dieser Zusatzstoffe können jedoch negative Auswirkungen auf das Gehirn haben.
So stehen etwa Geschmacksverstärker wie Glutamat in Verdacht, zu Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson beizutragen. Farbstoffe können zu Hyperaktivität und Lernstörungen führen (ADHS). Auch Migräne kann von Lebensmittelzusätzen ausgelöst werden. Süßstoffe wie Aspartam stehen sogar unter Krebsverdacht. Konservierungsstoffe können den Darm schädigen und das Immunsystem stören. Zitronensäure kann die Zähne angreifen, außerdem schädliche Metalle wie Aluminium ins Gehirn transportieren.
Überraschenderweise können sich die Effekte der einzelnen Chemikalien durch die gemeinsame Verabreichung vervielfachen. Eine Mischung aus dem blauen Farbstoff E133 und Glutamat (E621) etwa bremste das Zellwachstum nicht, wie zu erwarten gewesen wäre, um 15,8 Prozent, sondern um 46,1 Prozent.
Künstliche neuronale Netze und das Gehirn
Künstliche neuronale Netze werden bereits heute in der Erkennung von Bildern und Objekten eingesetzt. Allerdings haben sie weniger mit unserem Gehirn zu tun, als ihr Name suggeriert: Zumeist basieren sie auf Algorithmen, die komplexe mathematische Operationen durchführen. Ein neuer Forschungsansatz konzentriert sich deshalb auf sogenannte Leaky-Integrate-and-Fire-Neuronenmodelle (LIF), die den Prozessen im Gehirn viel ähnlicher sind als herkömmliche Neuronenmodelle.