Das Gehirn, ein komplexes Organ, das für zahlreiche Funktionen verantwortlich ist, zeigt im Längs- oder Querschnitt graue und weiße Areale. Diese Farbgebung resultiert aus der Anordnung verschiedener Zelltypen, darunter Nervenzellen (Neuronen), Glia- und Mikrogliazellen. Die Nervenzellen lassen sich in Zellkörper (Soma), Dendriten (kurze Zellfortsätze) und Axone (lange Zellfortsätze) unterteilen.
Die graue und weiße Substanz
Die graue Substanz (Substantia grisea) findet sich an der Oberfläche des Groß- und Kleinhirns (Groß- und Kleinhirnrinde) sowie in tieferen Hirnbereichen wie den Basalganglien und im Hirnstamm. Hier befinden sich dicht gedrängt die Nervenzellkörper, die über ihre Axone miteinander und mit entfernten Regionen verbunden sind. Die hohe Packungsdichte der Zellkörper erzeugt den Grauton.
Zwischen den Arealen grauer Substanz liegt die weiße Substanz (Substantia alba). Sie enthält ebenfalls alle Zellarten des Gehirns, mit Ausnahme der Nervenzellkörper. Stattdessen dominieren hier die Axone der Nervenzellen, die von einer Myelinscheide umgeben sind. Diese Myelinscheide dient der elektrischen Isolierung und ermöglicht eine schnellere Signalübertragung von Nervenzelle zu Nervenzelle. Das Myelin ist fettreich und verleiht den Axonen und der weißen Substanz ihre helle Farbe.
Die Anordnung von grauer und weißer Substanz gibt bereits Aufschluss über die Funktionsweise des Gehirns. Die in der grauen Substanz gelegenen Nervenzellkörper sind über ihre Axone miteinander verknüpft und senden Signale durch die weiße Substanz in andere Hirnbereiche. Da das Gehirn darauf spezialisiert ist, Signale über große Distanzen zu verschicken und Hirnareale über lange Axone miteinander zu verknüpfen, macht die weiße Substanz einen großen Anteil des Gehirns aus.
Weitere Farben im Gehirn
Neben Grau und Weiß gibt es auch andere Farben im Gehirn. Im Mittelhirn liegt die schwarze Substanz (Substantia nigra), deren Neurone durch das Pigment Neuromelanin schwarz gefärbt sind. Dieses Pigment entsteht aus einer Vorstufe des Neurotransmitters Dopamin. Das Absterben dieser Neurone ist charakteristisch für die Parkinson-Krankheit.
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Der blaue Kern (Locus caeruleus) im Hirnstamm enthält ebenfalls Neuromelanin, jedoch in geringerer Konzentration, was zu einem bläulichen Schimmer führt. Zudem gibt es den roten Kern (Nucleus ruber) in der Nähe der schwarzen Substanz, der aufgrund einer dichten Anordnung von Blutgefäßen und eines hohen Eisengehalts rötlich oder rosa erscheint.
Die Funktion des Axons
Das Axon ist ein langer Zellfortsatz, der aus dem Zellkörper einer Nervenzelle entspringt. Seine Hauptfunktion besteht darin, Nervenimpulse vom Zellkörper wegzuleiten und an andere Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen weiterzuleiten. Axone können sehr lang sein und über weite Strecken im Körper verlaufen.
Die Axone sind von einer Myelinscheide umgeben, die von Gliazellen gebildet wird. Im zentralen Nervensystem (ZNS) übernehmen Oligodendrozyten diese Aufgabe, während im peripheren Nervensystem (PNS) Schwann-Zellen für die Myelinisierung zuständig sind. Die Myelinscheide besteht aus mehreren Schichten von Zellmembranen, die das Axon spiralförmig umwickeln. Zwischen den einzelnen Myelinsegmenten befinden sich Ranviersche Schnürringe, an denen das Axon unbedeckt ist.
Die Myelinscheide dient als elektrische Isolierung des Axons und ermöglicht eine saltatorische Erregungsleitung. Dabei springt der Nervenimpuls von Schnürring zu Schnürring, was die Geschwindigkeit der Signalübertragung deutlich erhöht. Je dicker die Myelinscheide, desto schneller können Signale weitergeleitet werden.
Die Bedeutung der grauen Substanz
Die graue Substanz ist ein wichtiger Bestandteil des Zentralnervensystems. Im Sagittalschnitt des Gehirns ist die graue Substanz im äußeren Bereich des Gehirns zu finden, wohingegen die weiße Substanz den Innenraum erfüllt. Einer Studie zufolge bestimmt die Menge der grauen Substanz die Intelligenz eines Menschen zum Teil. Deshalb kommen im Sprachgebrauch bei Unterhaltungen über Intelligenz oftmals auch die Wörter „graue Zellen“ auf.
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Die graue Substanz besteht aus Nervenzellkörpern, Neuropilem, Gliazellen und Kapillaren. Nervenzellkörper, welche auch Perikaryon genannt werden, stellen den Zellkörper eines Neurons dar. Die Aufgabe des Perikaryons ist es, die Biosyntheseleistungen des Neurons abzuwickeln. Das Neuropilem ist der Nervenfilz, welcher zwischen Nerven- und Gliazellen liegt und dafür sorgt, dass alle Zellen miteinander verknüpft sind. Gliazellen erfüllen Hilfs- und Unterstützungsfunktionen der Nerven, sind aber niemals an der Erregungsleitung beteiligt. Die Kapillaren sind kleine Gefäße, welche sich im ganzen Körper befinden. Sie haben die Aufgabe Organe mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen.
Die Rolle der Gliazellen
Gliazellen sind ein weiterer wichtiger Zelltyp im Gehirn. Sie erfüllen zahlreiche Funktionen, darunter die Unterstützung und Ernährung der Nervenzellen, die Bildung der Myelinscheide und die Aufrechterhaltung der Homöostase im Gehirn. Es gibt verschiedene Arten von Gliazellen, darunter Astrozyten, Oligodendrozyten, Mikroglia und Schwann-Zellen.
Astrozyten sind sternförmige Zellen, die zahlreiche Funktionen im Gehirn erfüllen. Sie regulieren den Stofftransport zwischen Blutgefäßen und Nervenzellen, nehmen Neurotransmitter auf und geben sie ab und bilden die Blut-Hirn-Schranke. Oligodendrozyten bilden die Myelinscheide im ZNS, während Schwann-Zellen diese Aufgabe im PNS übernehmen. Mikroglia sind die Immunzellen des Gehirns und spielen eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Krankheitserregern und der Beseitigung von Zelltrümmern.
Neuronale Netze und ihre Komplexität
Die Nervenzellen im Gehirn sind miteinander zu komplexen neuronalen Netzen verschaltet. Diese Netze ermöglichen die Verarbeitung von Informationen und die Steuerung von Verhalten. Die Verbindungen zwischen den Nervenzellen werden als Synapsen bezeichnet. An den Synapsen werden Neurotransmitter freigesetzt, die die Erregung von einer Nervenzelle auf die nächste übertragen.
Die Komplexität der neuronalen Netze im Gehirn ist enorm. Jede Nervenzelle kann mit Tausenden von anderen Nervenzellen verbunden sein. Die Stärke der Verbindungen zwischen den Nervenzellen kann sich im Laufe der Zeit verändern, was als synaptische Plastizität bezeichnet wird. Diese Plastizität ist die Grundlage für Lernen und Gedächtnis.
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Aktuelle Forschungsergebnisse
Eine kürzlich veröffentlichte Studie am Max Planck Florida Institut legte eine umfassende Analyse der detaillierten Architektur einzelner funktional charakterisierter Nervenzellen in der Großhirnrinde vor. Die Studie zeigte, dass Nervenzellen in Gruppen verschiedener Zelltypen aufgeteilt sind, die jeweils charakteristische anatomische und funktionelle Eigenschaften aufweisen. Die Forscher rekonstruierten detaillierte dreidimensionale Modelle von Axonen und stellten fest, dass verschiedene Zelltypen unterschiedliche Muster axonaler Projektionen aufweisen. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, die zelltypspezifischen kortikalen Schaltkreise besser zu verstehen.
Eine weitere Studie an der Netzhaut von Mäusen zeigte, dass selbst kleinste Details in den anatomischen Eigenschaften von Nervenzellen zu signifikanten Änderungen im Antwortverhalten führen können. Dies deutet darauf hin, dass die anatomischen Eigenschaften einer Nervenzelle auf ihre spezifische Aufgabe in ihrem lokalen Netzwerk abgestimmt sein müssen. Würde man zwei Nervenzellen derselben Sorte gegeneinander austauschen, könnten möglicherweise beide ihre Aufgaben nicht mehr erfüllen.
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