Das Gehirn ist das faszinierendste Organ des menschlichen Körpers und die Steuerzentrale für lebenswichtige Funktionen. Es ist der Sitz unserer Gedanken, Gefühle und Handlungen. In der Neurobiologie, einem wesentlichen Bestandteil des Biologie Abiturs, werden die komplexen Abläufe und Strukturen dieses Organs untersucht. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über den Aufbau, die Funktionsweise und die wichtigsten Erkrankungen des Gehirns, um eine solide Grundlage für die Abiturvorbereitung zu schaffen.
Das Nervensystem und seine Gliederung
Das Nervensystem lässt sich räumlich in das periphere und das Zentralnervensystem einteilen. Das Zentralnervensystem wiederum gliedert sich in das Rückenmark und das Gehirn. Das Gehirn, auch "Cerebrum" oder "Enzephalon" genannt, ist der Teil des Zentralnervensystems, der sich im Kopf befindet. Umgangssprachlich wird oft der Ausdruck "Hirn" verwendet. Es besteht hauptsächlich aus Gliazellen und Neuronen. Die Neurone dienen dabei der Reizweiterleitung. Alle anderen Aufgaben des Gehirns werden von den Gliazellen übernommen. Dazu zählen die Ernährung der Neurone, eine Stützfunktion und eine Schutzfunktion.
Graue und weiße Substanz
Im Zentralnervensystem unterscheidet man zwischen grauer und weißer Substanz. In der grauen Substanz liegen vorwiegend die Zellkörper der Zellen. In der weißen Substanz findest Du die Nervenfasern, die Fortsätze der Nervenzellen. Diese kannst Du Dir als Leitbahnen der Informationsübermittlung vorstellen. Im Rückenmark liegt die graue Substanz im Inneren und die weiße Substanz umgibt diese. Im Gehirn sind die Substanzen verteilt und ineinander verflochten. Die graue Substanz (Großhirnrinde) besteht vorwiegend aus Zellkörpern der Nervenzellen und bedeckt die Hemisphären. Die weiße Substanz liegt unter der grauen Substanz und besteht hauptsächlich aus Nervenfasern (Axonen) und Gliazellen, die die Nervenfasern umhüllen.
Anatomie des Gehirns: Eine entwicklungsbedingte Einteilung
Das Gehirn wird von der Schädelhöhle vor mechanischen Einflüssen geschützt. Bindehautgewebsschichten innerhalb des Schädels, sogenannte Hirnhäute, umgeben das Gehirn. Eine große Öffnung der Schädelhöhle ermöglicht dem Gehirn in das Rückenmark überzugehen.
Das Gehirn lässt sich in fünf Bereiche gliedern:
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- Vorder-, End- oder Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Hinterhirn (Metencephalon) (Brücke + Kleinhirn)
- Nachhirn (Myelencephalon)
Diese anatomische Einteilung ist entwicklungsbedingt. In der fünften Schwangerschaftswoche entwickeln sich aus dem Neuralrohr drei primäre Hirnbläschen im Embryo. Aus diesen entstehen eine Woche später die fünf sekundären Gehirnbläschen. Diese sind auch im späteren Gehirn vorhanden und stammen embryologisch aus den drei primären Gehirnbläschen ab.
Die einzelnen Gehirnbereiche und ihre Funktionen
Jeder Teil des Gehirns ist für bestimmte Aufgaben verantwortlich.
Großhirn (Endhirn, Kortex)
Das Großhirn umfasst fast 90 Volumenprozent des Gehirns und damit ein Fünftel aller Nervenzellen des Gehirns. Es ist in zwei Hälften geteilt, welche über eine Brücke aus weißer Substanz, dem Corpus callosum (Hirnbalken), verbunden sind. Die Großhirn-Hemisphären ummanteln den Großteil des Gehirns. Die Großhirnrinde ist durch vielfältige Faltungen stark vergrößert und erreicht eine Oberfläche von nahezu 2,5 m². Die Oberfläche wird Kortex genannt und ist stark gefaltet. Dies ermöglicht eine Oberflächenvergrößerung. Diese Großhirnrinde kann in funktionelle Felder eingeteilt werden, welche unterschiedliche Aufgaben übernehmen.
Aufgaben des Großhirns sind unter anderem:
- Visuelle Wahrnehmung
- Verarbeitung akustischer Reize → Hörzentrum
- Gedächtnis
- Höhere Denkvorgänge
- Instinkte
- Verarbeitung olfaktorischer Informationen (Lobus olfactorius)
Das Großhirn enthält primär graue Substanz. Die Informationsverarbeitung findet anschließend in der Großhirnrinde, dem Cortex, statt. Diese Rinde lässt sich in verschiedene Felder einteilen, da jedes Feld eine eigene Funktionseinheit bildet und für andere Aufgaben zuständig ist.
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Zwischenhirn
Das Zwischenhirn ist für die Wahrnehmung verantwortlich. Es ist der Teil des Gehirns, welches die Gefühle steuert. Außerdem reguliert es Deine Grundbedürfnisse, wie Hunger und Durst. Zusätzlich spielt das Zwischenhirn bei der Schlaf-Wach-Steuerung eine Rolle. Es liegt zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn.
Das Zwischenhirn lässt sich in vier Gebiete unterteilen:
- Thalamus
- Hypothalamus
- Subthalamus
- Epithalamus
Der Thalamus sammelt alle Signale, die von den Sinnesorganen herkommen, ein. So endet der Sehnerv zum Beispiel im Zwischenhirn. Er gibt diese Informationen dann an das Großhirn weiter. Der Thalamus besteht größtenteils aus grauer Substanz. Er kann als „Tor zum Bewusstsein“ vorgestellt werden. Seine Funktion ist die Sammlung fast aller Sinneswahrnehmungen und die Weiterleitung an das primär sensorische Rindenfeld im Scheitellappen des Großhirns.
Der Hypothalamus verknüpft das Hormonsystem mit dem Nervensystem. Er reguliert die Hypophyse. Die Hypophyse ist eine bedeutungsvolle Hormondrüse. Durch die Ausschüttung von Hormonen steuert die Hormondrüse im Gehirn Vorgänge wie Wachstum, Fortpflanzung und Stoffwechsel. Er kontrolliert den Hormonhaushalt und stellt die Verbindung zwischen Hormon- und Nervensystem dar. Er steuert wichtige Funktionen, wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten. Der Hypothalamus ist verbunden mit der Hypophyse. Sie ist die Hormondrüse am Gehirn.
Ein Tumor, eine Entzündung des Gehirns oder der Hirnhäute, oder ein Unfall können dazu führen, dass die Hormondrüse nicht mehr ausstreichend oder zu viele Hormone produziert.
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Hinterhirn
Das Hinterhirn besteht aus dem Kleinhirn und der Brücke (Pons). Auch das Kleinhirn ist, wie das Großhirn, in zwei Hemisphären aufgeteilt. Die Brücke verknüpft das Kleinhirn mit dem Großhirn.
Das Kleinhirn ist für Bewegung und Gleichgewicht verantwortlich. Außerdem unterstützt es beim unbewussten und sozialen Lernen. Das Kleinhirn wird auch als Cerebellum bezeichnet. Das Kleinhirn steuert sowohl bewusste als auch unbewusste Bewegungen und unterstützt den Gleichgewichtssinn. Es wird vom Großhirn überdeckt, und seine Hemisphären arbeiten eng zusammen. Es filtert, komprimiert und verarbeitet die vielen eingehenden Informationen.
Hirnstamm
Das Mittelhirn und das Nachhirn können zusammen mit der Brücke (Pons) zum Hirnstamm zusammengefasst werden. Der Hirnstamm ist räumlich gesehen der unterste Gehirnabschnitt. Ein Teil des Hirnstamms wird auch verlängertes Mark, in der Fachwelt Medulla oblongata, genannt. Im Hirnstamm werden eingehende Sinneseindrücke und ausgehende Bewegungsabläufe verwertet. Zudem entstehen hier Reflexreaktionen.
Nachhirn
Das Nachhirn ist für viele vegetativ ablaufende Vorgänge verantwortlich. Dies sind Prozess, die unbewusst, also automatisch ablaufen.
Beispiele für vegetative Funktionen des Nachhirns sind:
- Herzschlag
- Atmung
- Stoffwechsel
- Lidschluss
- Schlucken und Husten
Das Nachhirn verknüpft zudem das Gehirn mit dem Rückenmark. Das bedeutet auch, dass hier die graue und weiße Substanz Positionen wechseln. Die bisher meist außen liegende graue Substanz liegt im Rückenmark innen.
Funktionsweise des Gehirns: Informationsverarbeitung und Gedächtnis
Das Gehirn übernimmt eine Vielzahl an lebenswichtigen Funktionen. Es ist für unbewusste Handlungen wie die Atmung, Kreislauf, Schlafen und Gefühle, ebenso wie bewusste Reaktionen wie Bewegung, Denken und Lernen verantwortlich. All diese Informationen werden über elektrische Signale weitergeleitet. Dafür sind die Neurone verantwortlich. Diese sind miteinander über Synapsen verknüpft. Neuronen leiten über Nervenbahnen sowohl Informationen von den Sinnesorganen zum Gehirn (afferente Neurone), als auch vom Gehirn zu den Sinnesorganen (efferente Neurone) zurück.
Das Gehirn übernimmt alle lebenswichtigen Funktionen unserer Körpers, wie die Atmung, den Kreislauf oder das Schlaf-Wach-Verhalten. Dazu nimmt das Gehirn alle Informationen von den Organen und aus der Umwelt auf, speichert und verarbeitet sie. Auch komplexe Funktionen wie Denken, Lernen, Emotionen oder Handlungsabläufe werden dort gesteuert. Das Gehirn ist also sehr komplex und übernimmt viele unterschiedliche Aufgaben. Daher gibt es viele verschiedene Gehirnregionen mit speziellen Aufgaben, die zusammen arbeiten müssen. Die Neuronen sind über Synapsen miteinander verbunden. Die Synapsen können dabei nutzungsabhängig optimiert und verändert werden. Der Prozess heißt auch neuronale oder synaptische Plastizität.
Gedächtnis und Neuroplastizität
Eine Besonderheit des Gehirns ist seine Fähigkeit, Informationen zu speichern. Unter dem Gedächtnis versteht man die Eigenschaft des Gehirns, Informationen zu speichern und diese als Erfahrungen wieder abzurufen. Die Leistungs- und Speicherfähigkeit des Gehirns wird auch Gehirnkapazität genannt.
Je nachdem, wie viel Gehirnkapazität benötigt wird, unterscheidet man verschiedene Gedächtnisstufen:
| Gedächtnisstufen | vermutete Kapazität | Speicherdauer | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Kurzzeitgedächtnis | 400 bit | Wenige Sekunden | Aufgeschnappte Telefonnummer |
| Mittelfristiges Gedächtnis | 10000 bit | Bis zu einigen Tagen | Erlernte Fakten vor einer Klausur |
| Langzeitgedächtnis | 100 Milliarden bis 10 Billionen bit | über Jahre hinweg | Erster Kuss |
Durch das Verwenden der immer gleichen Synapsen werden diese gestärkt. Dies führt zu einem deutlich höheren und schnelleren Informationsfluss. Durch das wiederholte Eintreten von Informationen entstehen Leistungsmuster. Man geht davon aus, dass so Informationen im Gehirn gespeichert werden. Die Anpassung der Synapsen an die Umweltbedingungen nennt man neuronale oder synaptische Plastizität.
Dabei unterscheidet man zwischen struktureller und funktioneller Plastizität. Bei der strukturellen Plastizität werden durch vermehrte Benutzung bestimmter Signalwege neue Synapsen gebildet. Es ändert sich also die Struktur des Gehirns. Bei der funktionellen Plastizität hingegen, welche weniger permanent ist, verändert sich die Menge der Neurotransmitter. Lernfähigkeit kommt dadurch zustande, dass durch ständiges Wiederholen entsprechende Synapsen verstärkt werden.
Blutversorgung und Blut-Hirn-Schranke
Das Gehirn wird durch zwei große Arterien mit Blut versorgt. Die innere Halsschlagader entspringt der Halsschlagader und verläuft seitlich am Hals. Die Wirbelarterie befindet sich hinten am Hals und tritt durch das Hinterhauptloch in den Schädel ein. Das Gehirn wird durch die Blut-Hirn-Schranke vom Blutkreislauf abgetrennt. Nur bestimmte Substanzen können die Blut-Hirn-Schranke passieren und so in das Gehirn gelangen. Durch diese Eigenschaft schützt die Blut-Hirn-Schranke unser Gehirn vor schädlichen Substanzen, Krankheitserregern und sonstigen Stoffen, welche das innere Milieu stören könnten. Die Blut-Hirn-Schranke wird durch die Gliazellen gebildet. Sie sind der Filter für viele Schadstoffe, die in das Gehirn eindringen wollen. Diese können diese natürliche Barriere aber oftmals nicht überwinden.
Da der Energieverbrauch des Gehirns so hoch und der Stoffwechsel dort so aktiv ist, benötigt es sehr viel Sauerstoff und Glucose (Energielieferant). Denn obwohl das Gehirn nur 2% des Körpergewichts ausmacht, geht ungefähr ein Fünftel unseres gesamten Sauerstoffbedarfs an das Gehirn.
Erkrankungen des Gehirns
Erkrankungen des Gehirns können unterschiedliche Ursachen haben. Das Ausmaß und die Symptome der Erkrankung hängen zudem von der betroffenen Region ab.
Schlaganfall
Wenn Blutgefäße im Gehirn blockiert werden, ist der Blutfluss gestört. Dies führt zu Sauerstoffmangel und das Gehirn wird nicht mit genügend Nährstoffen versorgt. In einem solchen Fall spricht man von einem Schlaganfall. Das umliegende Nervensystem stirbt ab. Je nachdem welcher Teil des Gehirns betroffen ist, kann ein Schlaganfall zur Lähmung einzelner Extremitäten, Sprechstörungen oder Gleichgewichtsstörungen führen.
Neurodegenerative Erkrankungen
Die zwei häufigsten vorkommenden neurodegenerativen Erkrankungen des Gehirns sind Parkinson und Alzheimer.
Parkinson
Bei der Parkinson-Krankheit sterben dopaminerge Neuronen in der Substantia nigra ab. Dies führt zu den drei charakteristischen Symptomen für diese Krankheit:
- Bewegungslosigkeit
- Muskelstarre
- Ruhetremor (Zittern)
Alzheimer
Ganz anders sind die Symptome der Alzheimer-Krankheit. Menschen, die von Alzheimer betroffen sind, verlieren ihre kognitiven Fähigkeiten. Die Betroffenen zeigen bestimmte Verhaltensauffälligkeiten und können in vielen Fällen kein selbstständiges Leben mehr führen, sondern benötigen Assistenz. Grund für die Alzheimer-Erkrankung ist zum einen die Bildung von sogenannten Plaques und Fibrillen im Gehirn. Zum anderen schrumpft das Gehirn und die mit Flüssigkeit gefüllten Hohlräume (Hirnventrikel) werden größer.
Andere mögliche Erkrankungen sind:
- Gehirntumore (gutartig und bösartig)
- Demenz (Abnahme von Gedächtnis- und Denkleistungen)
Wahrnehmung und das Gehirn
Wahrnehmung ist der Prozess, bei dem das Gehirn sensorische Informationen interpretiert und organisiert, um ein verständliches Bild der Umgebung zu erzeugen.
- Sensorische Eingänge und Transduktion: Reize werden durch Sinne wie Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und Fühlen erfasst und in elektrische Signale umgewandelt.
- Übertragung und Verarbeitung: Die Signale werden über Nervenzellen an spezifische Bereiche des Gehirns weitergeleitet, wie den visuellen Cortex für visuelle Informationen oder den Temporallappen für auditive Informationen.
- Erste und höhere Verarbeitung: Im primären sensorischen Cortex (Teil der Großhirnrinde) werden grundlegende Merkmale der Reize verarbeitet. Diese Informationen werden dann in sekundären und tertiären Cortexen weiterverarbeitet, wo sie integriert und interpretiert werden.
- Aufmerksamkeit und Interpretation: Das Gehirn filtert relevante Informationen, erkennt Muster und identifiziert Objekte basierend auf Erfahrungen und Erwartungen.
- Integration: Informationen aus verschiedenen Sinnen werden kombiniert, um ein einheitliches Bild der Umgebung zu erzeugen.
- Neuronale Plastizität: Das Gehirn zeigt neuronale Plastizität, was seine Fähigkeit zur Anpassung an veränderte sensorische Umgebungen und zur Schaffung neuer Verarbeitungswege unterstreicht.
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