Biologie des Gehirns: Aufbau, Funktion und Bedeutung für den Unterricht

Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, dessen vollständige Funktionsweise noch lange nicht vollständig erforscht ist. Es steuert lebenswichtige Prozesse und ist für höhere Funktionen wie Lernen, Denken und Verstehen zuständig. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Einblick in den Aufbau und die Funktionsweise des Gehirns, insbesondere im Hinblick auf seine Bedeutung für den Biologieunterricht.

Schutzmechanismen des Gehirns

Das Gehirn ist ein lebenswichtiges und sensibles Organ, das durch verschiedene Schutzeinrichtungen vor mechanischen Einwirkungen wie Stößen und Schlägen sowie vor Krankheitserregern geschützt wird.

• Knöcherner Schädel: Die äußerste Schutzschicht bildet der knöcherne Schädel, der in Gesichts- und Hirnschädel unterteilt ist. Der größere Hirnschädel umgibt das Gehirn und schützt es vor allem vor mechanischen Einwirkungen.
• Hirnhäute: Unterhalb des Schädels liegen die Hirnhäute, die das Gehirn zusätzlich schützen.
  • Spinnengewebshaut: Die mittlere Hirnhaut besteht aus Bindegewebe mit kollagenen Fasern, die wie Spinnenweben aussehen.
  • Weiche Hirnhaut: Die weiche Hirnhaut liegt dem Gehirn direkt an.

Trotz dieser Schutzmechanismen können Bakterien und Viren die Barrieren durchdringen und eine Hirnhautentzündung (Meningitis) verursachen.

Aufbau des Gehirns

Das menschliche Gehirn unterscheidet sich in seinem grundlegenden Aufbau nicht wesentlich von den Gehirnen anderer Wirbeltiere. Während der vorgeburtlichen Entwicklung ist die Gliederung des Gehirns besonders gut zu erkennen. Für jeden Abschnitt des Gehirns existiert in der Gehirnanlage des Embryos je ein Hirnbläschen, die sich mit fortschreitender Entwicklung vergrößern und differenzieren.

Die Hauptbestandteile des Gehirns sind:

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• Großhirn: Das Großhirn nimmt den größten Anteil des Gehirns ein (ca. 80 % des Volumens). Es besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den Balken getrennt sind. Die äußerste Schicht des Großhirns ist die Großhirnrinde, die für höhere Gehirnfunktionen wie Lernen, Denken und Verstehen zuständig ist.
• Zwischenhirn: Das Zwischenhirn ist das oberste Regulationszentrum des vegetativen Nervensystems und überwacht lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Appetit- und Durstempfinden. Ein wichtiger Teil des Zwischenhirns ist der Hypothalamus mit der Hirnanhangsdrüse.
• Mittelhirn: Das Mittelhirn verbindet das Zwischenhirn mit dem Kleinhirn.
• Hirnstamm: Zusammen mit dem verlängerten Rückenmark und der dazwischenliegenden Brücke bildet das Mittelhirn den Hirnstamm.
• Kleinhirn: Das Kleinhirn ist für die Koordination aller motorischen Abläufe unseres Körpers verantwortlich. Es speichert auch Gewohnheiten.
• Verlängertes Rückenmark: Das verlängerte Rückenmark wird auch als Nachhirn bezeichnet.

Nervenzellen: Die Bausteine des Gehirns

Das Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die Informationen aufnehmen, verarbeiten und weiterleiten können. Nervenzellen sind hochspezialisierte Zellen, die sich nicht teilen können, sodass die maximale Anzahl an Nervenzellen bereits bei der Geburt festgelegt ist.

Eine Nervenzelle besteht aus:

• Zellkern: Die Steuerzentrale der Zelle, die wichtige Prozesse wie die Eiweißproduktion und die Zellaktivität reguliert.
• Soma (Zellkörper): Enthält den Zellkern und die meisten Organellen.
• Dendriten: Verästelte Fortsätze, an denen Informationen von anderen Nervenzellen empfangen werden. Eine Nervenzelle kann bis zu 10.000 Verbindungen mit anderen Zellen eingehen.
• Axon: Ein langer Fortsatz, über den Informationen weitergeleitet werden. Manche Axone können über einen Meter lang sein.
• Axonhügel: Der Übergang vom Soma zum Axon, an dem entschieden wird, ob ein Aktionspotenzial ausgelöst wird.
• Synaptische Endigungen: Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endigungen, die eine Synapse bilden - die Kontaktstelle zu einer anderen Zelle. Über diese werden mithilfe von Neurotransmittern Informationen an die nächste Nervenzelle weitergegeben.
• Myelinscheide: Um das Axon befindet sich bei vielen Nervenzellen eine Myelinscheide, die aus Schwann’schen Zellen besteht und das Axon isoliert. Die Myelinscheide ist regelmäßig von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. Neuronen mit Myelinscheide werden als markhaltig bezeichnet.

Funktion des Gehirns

Das Gehirn ist für eine Vielzahl von Funktionen verantwortlich, darunter:

• Sinneswahrnehmung: Verarbeitung von Informationen aus den Sinnesorganen.
• Bewegungssteuerung: Koordination von willkürlichen und unwillkürlichen Bewegungen.
• Kognitive Funktionen: Lernen, Denken, Verstehen, Gedächtnis, Sprache.
• Emotionen: Verarbeitung und Regulation von Emotionen.
• Vegetative Funktionen: Steuerung von Atmung, Herzschlag, Verdauung und anderen lebenswichtigen Prozessen.

Das Gehirn im Biologieunterricht

Das Thema Gehirn bietet im Biologieunterricht vielfältige Möglichkeiten für aktives Lernen und die Vermittlung von komplexen Inhalten.

Vorschläge für den Unterricht

• Filmanalyse: Die Schülerinnen und Schüler sehen Filme über das Gehirn an und setzen sich mit den Inhalten auseinander.
• Gruppenpuzzle: Der Kurs wird in Gruppen aufgeteilt, die zu Experten für einen Bereich des Gehirns werden und einen Steckbrief erstellen. Anschließend werden die Gruppen neu zusammengesetzt, und die Experten berichten von ihren Erkenntnissen.
• Modellieren eines Gehirn-Modells: Die Schülerinnen und Schüler modellieren ein Gehirn nach bestimmten Vorgaben, beispielsweise das Gehirn eines Schachweltmeisters, eines Fußballers oder eines Alzheimer-Patienten.
• Spiel: In einem Spiel werden wesentliche Teile des Zentralen Nervensystems, der Hormondrüsen und der Hormone erarbeitet.
• Arbeitsblätter: Mit Arbeitsblättern festigen die Schülerinnen und Schüler das Gelernte und wenden es auf weitere Situationen an.

Mögliche Aufgaben und Übungen

• Aufgaben und Übungen zum Thema "Neurobiologie - Der Aufbau einer Nervenzelle".
• Die Schülerinnen und Schüler sollen eine Geschichte mit vorgegebenen Bedingungen über eine/n fiktiven Freund*in verfassen, der/die an einer Infektionskrankheit erkrankt ist.
• Die Schülerinnen und Schüler fertigen in Gruppen ein Strukturmodell der Nervenzelle an.
• Die Schülerinnen und Schüler lernen die Sinne kennen und was diese wahrnehmen.

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