Das Gehirn: Aufbau, Funktion und Entwicklung

Das Gehirn, auch Encephalon oder Cerebrum genannt, ist die Steuerzentrale des menschlichen Körpers. Es ist der Teil des zentralen Nervensystems, der innerhalb des knöchernen Schädels liegt und diesen ausfüllt. Mit seinen etwa 1,5 bis 2 Kilogramm Gewicht macht es ungefähr drei Prozent des Körpergewichts aus. Das Gehirnvolumen beträgt etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse. Es besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen) und einer noch größeren Anzahl von Gliazellen. Diese Zellen sind über zuführende und wegführende Nervenbahnen mit dem gesamten Organismus verbunden und steuern ihn. Die Länge aller Nervenbahnen im Gehirn beträgt zusammen etwa 5,8 Millionen Kilometer.

Die Bausteine des Gehirns

Nervenzellen und Gliazellen

Das Gehirn besteht aus zwei Haupttypen von Zellen: Nervenzellen (Neuronen) und Gliazellen. Die Nervenzellen sind für die Informationsverarbeitung und -weiterleitung zuständig. Sie kommunizieren über Synapsen, Kontaktstellen zwischen den Zellen, die eine wichtige Rolle bei der Nachrichtenverarbeitung spielen. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt. Gliazellen hingegen stützen und versorgen die Nervenzellen. Sie füllen den Raum zwischen den Nervenzellen und den Blutgefäßen aus und haben wichtige Funktionen für den Stoffwechsel und die Bildung der Blut-Hirn-Schranke.

Graue und weiße Substanz

Das Nervengewebe des Gehirns besteht aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen: der grauen und der weißen Substanz. Die graue Substanz besteht hauptsächlich aus Nervenzellkörpern. Daher kommt auch der Name, da sich die Nervenzellen nach dem Tod grau verfärben. Aus grauer Substanz bestehen etwa die Großhirnrinde, die Basalganglien, die Kleinhirnrinde und die Hirnnervenkerne. Die weiße Substanz besteht aus den Nervenzellfortsätzen, den Nervenfasern (Axonen). Die weiße Substanz findet sich im Mark von Großhirn und Kleinhirn.

Hirnhäute

Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten (Meningen) umgeben:

• Dura mater (harte Hirnhaut): Sie ist die äußere, feste Schicht, die das Gehirn vor äußeren Verletzungen schützt.
• Arachnoidea (Spinngewebshaut): Hier verlaufen zahlreiche Blutgefäße.
• Pia mater (innere Hirnhaut): Sie liegt direkt auf dem Gehirn und ist sehr dünn.

Zwischen der Arachnoidea und der Pia mater befindet sich der Subarachnoidalraum, der mit Liquor (Hirn-Rückenmarksflüssigkeit) gefüllt ist.

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Liquor und Ventrikelsystem

Der Liquor ist die Flüssigkeit, welche das Gehirn und auch das Rückenmark schützend umgibt. Er schützt das Gehirn vor Stößen und versorgt es mit Nährstoffen. Das Gehirn weist mehrere Hohlräume (Hirnkammern) auf, in denen der Liquor zirkuliert und die zusammen das Ventrikelsystem bilden. Die Ventrikel stehen mit den äußeren Liquorräumen in Verbindung.

Blut-Hirn-Schranke

Das empfindliche Gewebe im Gehirn ist durch die Blut-Hirn-Schranke gegen schädigende Substanzen im Blut (wie Gifte, Krankheitserreger, bestimmte Medikamente etc.) abgeschirmt. Sie lässt nur wenige Stoffe passieren, wobei die Endothel- und Gliazellen kontrollieren, welche Stoffe die Schranke durchdringen dürfen.

Die fünf Hauptabschnitte des Gehirns

Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:

1. Großhirn (Telencephalon): Es ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern.
2. Zwischenhirn (Diencephalon): Es besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus.
3. Mittelhirn (Mesencephalon): Es ist der kleinste Abschnitt des Gehirns.
4. Kleinhirn (Cerebellum): Es sitzt oberhalb des Hirnstamms und unterhalb der beiden Großhirnhemisphären.
5. Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata): Es stellt den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark dar.

Großhirn (Telencephalon)

Das Großhirn ist der größte und am höchsten entwickelte Teil des Gehirns. Es nimmt rund 80 Prozent der gesamten Hirnmasse ein und bildet den vordersten Bereich des Gehirns. Es besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Die Oberfläche der Hemisphären besteht aus Furchen (Sulci) und Windungen (Gyri), die der Oberflächenvergrößerung dienen. Die graue Substanz liegt außen und bildet die Großhirnrinde, die weiße Substanz liegt innen und bildet das Marklager.

Die Großhirnrinde ist in verschiedene Rindenfelder (Brodmann-Areale) eingeteilt, die die Endstätten der aufsteigenden Nachrichten-/Nervenbahnen aus Rückenmark, Hirnstamm, Zwischenhirn und Kleinhirn darstellen. Die Motorische Rinde wird z.B. von zwei Rindenfeldern (Areal 4 und 6) gebildet; ebenfalls zwei Rindenfelder (Areal 44 und 45) bilden das motorische Sprachzentrum (auch Brocasches Feld genannt); das Sehzentrum wird von Areal 17 gebildet.

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Die Hauptfunktionen des Großhirns sind:

• Bewusstsein: An die Großhirnrinde ist unter anderem das Bewusstsein geknüpft. Nur diejenigen Sinnesreize werden bewusst, welche bis zur Großhirnrinde weitergeleitet werden.
• Sprache: Nur der Mensch besitzt die Fähigkeit der Sprache. Als innere Sprache ist sie eine Voraussetzung für das Denken; gesprochen ermöglicht sie die Kommunikation und geschrieben die Weitergabe von Informationen über Jahrtausende hinweg. Die Fähigkeit zur Sprache ist unmittelbar gebunden an die Unversehrtheit bestimmter Rindengebiete des Großhirns, die in der Regel nur in einer Gehirnhälfte (Hemisphäre) liegen. Diese wird als dominante Hemisphäre bezeichnet und ist beim Rechtshänder meist die linke, beim Linkshänder meist die rechte.
• Motorik: Im Frontallappen liegt unter anderem die Präzentralregion. Hier befinden sich die beiden Rindenfelder, die die motorische Rinde (Areas 4 und 6) bilden. Die motorische Rinde ist das Hauptursprungsgebiet der Nachrichtenvermittlung für Muskelaktivitäten. Ein weiteres Rindenfeld (Area 8) gilt als das Blickzentrum für willkürliche Augenbewegungen.
• Sensorik: Im Scheitellappen (Parietallappen) liegt unter anderem die Postzentralregion.
• Hören: In den Schläfenlappen liegt unter anderem die Hör- und die Sprachregion. Im hinteren Bereich der oberen Schläfenlappenwindung (Gyrus temporalis superior) der dominanten Hemisphäre liegt das sensorische oder Wernicke Sprachzentrum, bei dessen Schädigung eine Störung des Wortverständnisses eintritt (sensorische Aphasie).
• Gedächtnis: Im Schläfenlappen liegt auch der Hippocampus, eine Sehpferdchen-förmige Struktur, die hauptsächlich für die Gedächtnisbildung zuständig ist.
• Sehen: Im Hinterhauptslappen liegt die Sehregion. Area 17 bildet die Endigungsstätte aller Sehbahnen, die Sehrinde.

Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn liegt zwischen Großhirn und Mittelhirn. Es besteht aus dem Thalamus, dem Hypothalamus und der Zirbeldrüse.

• Thalamus: Er ist die wichtigste Schaltstation für Informationen aus den Sinnesorganen. Äußere Sinneseindrücke wie Sehen, Hören oder Tasten gehen hier ein. Hier werden sie verarbeitet und bewertet - jedoch, ohne dass sie uns bereits bewusst sind. Wichtige Informationen werden an das Großhirn weitergeleitet und dort bewusst gemacht. Der Thalamus ist also ein wichtiger Informationsfilter. Er sorgt dafür, dass das Großhirn und das Bewusstsein nicht von Signalen überflutet werden. Seine Funktion ist die Sammlung fast aller Sinneswahrnehmungen und die Weiterleitung an das primär sensorische Rindenfeld im Scheitellappen des Großhirns.
• Hypothalamus: Er regelt zahlreiche automatische Vorgänge im Körper. Dazu gehören die Körpertemperatur, Wasser- und Salz-Haushalt oder auch die Magen-Darm-Funktion. Er ist auch am Entstehen des Durst-, Hunger- und Sättigungs-Gefühls beteiligt. Gemeinsam mit der Hirn-Anhang-Drüse (Hypophyse) reguliert der Hypothalamus wichtige Hormone im Körper. Im Zusammenspiel mit anderen Gehirn-Bereichen ist der Hypothalamus auch für Gefühle zuständig. Er kontrolliert den Hormonhaushalt. Damit stellt er sozusagen die Verbindung zwischen Hormon- und Nervensystem dar. Er steuert wichtige Funktionen, wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten.
• Hypophyse: Die Hypophyse ist mit dem Hypothalamus über einen Stiel verbunden. Sie ist eine Hormondrüse am Gehirn.

Mittelhirn (Mesencephalon)

Das Mittelhirn ist der kleinste Abschnitt des Gehirns. Es steuert u.a. den Wach-Schlaf-Rhythmus und kann die Aufmerksamkeit auf bestimmte Sinneseindrücke lenken.

Kleinhirn (Cerebellum)

Das Kleinhirn liegt unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Genau wie das Großhirn, lässt sich auch das Kleinhirn in zwei Hemisphären einteilen. Zwischen den beiden Hälften liegt der Kleinhirnwurm. Das Kleinhirn ist vor allem für das Gleichgewicht und die Steuerung von erlernten Bewegungsabläufen verantwortlich. Es koordiniert unsere Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen. Gemeinsam mit dem Großhirn steuert es die Muskeln und somit die Bewegungen. Außerdem sorgt es ganz wesentlich mit dafür, dass die Muskel-Spannung des Körpers erhalten bleibt. Während das Großhirn vorrangig für bewusste Bewegungen zuständig ist, steuert das Kleinhirn bereits gelernte Bewegungsabläufe. Hier werden bestimmte Bewegungsabfolgen wie Tanzschritte oder das Schalten beim Autofahren gespeichert.

Hirnstamm

Der Hirnstamm bildet den untersten Teil des Gehirns. Er ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und besteht aus Mittelhirn, Medulla oblongata und Brücke (Pons). Der Hirnstamm ist für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig. Er steuert die Herzfrequenz, den Blutdruck und die Atmung sowie Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- oder Hustenreflex. Durch den Hirnstamm verlaufen wichtige Nerven-Bahnen. Sie sorgen dafür, dass eingehende Sinneseindrücke aus dem Körper an das Großhirn weitergeleitet werden. Umgekehrt leiten sie auch Informationen vom Großhirn zu den Nervenzellen des Rückenmarks.

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Wie funktioniert das Gehirn?

Das Gehirn übernimmt alle lebenswichtigen Funktionen unseres 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 Gehirnzellen sind durch Synapsen, Kontaktstellen zwischen den Zellen, miteinander verbunden. Diese Kontaktstellen spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung der Nachrichten. Informationen aus dem Körper oder der Umwelt gelangen etwa in Form von Hormonen über das Blut oder als elektrische Impulse aus den Sinneszellen über Nervenbahnen bis ins Gehirn. Dort werden sie bewertet und verarbeitet. Als Reaktion werden entsprechende Signale vom Gehirn wieder ausgesendet - zum Beispiel an Muskeln, um sich zu bewegen, an Drüsen, um Sekrete zu produzieren und abzugeben, oder an Sinnesorgane, um Reize aus der Umwelt zu beantworten.

Energieverbrauch und Durchblutung

Der Energieverbrauch im Gehirn ist enorm hoch. Fast ein Viertel des Gesamtenergiebedarfs des Körpers entfällt auf das Gehirn. Die Glukosemenge, die täglich mit der Nahrung aufgenommen wird, wird bis zu zwei Drittel vom Gehirn beansprucht. Zwischen 15 und 20 Prozent des Herzminutenvolumens entfällt auf die Blutversorgung des Gehirns.

Die Blutversorgung des Gehirns erfolgt über die rechte und linke innere Halsschlagader (Arteria carotis interna), die aus der gemeinsamen Halsschlagader (Arteria communis) entspringen, und über die Arteria vertebralis, die aus den Wirbelkörpern kommt und durch das Hinterhauptsloch in die Schädelhöhle eintritt. Durch weitere Arterien werden diese zu einem Gefäßring (Circulus arteriosus cerebri) geschlossen, der die Basis des Zwischenhirns umfasst. Durch diesen Gefäßring wird sichergestellt, dass der Blutbedarf des empfindlichen Gehirns auch bei Schwankungen in der Blutzufuhr immer ausreichend ist.

Entwicklung des Gehirns

Die embryonale Entwicklung des Gehirns aus dem Neuralrohr zeichnet sich einerseits durch ein besonderes Größenwachstum aus, andererseits durch ein ungleichmäßiges Dickenwachstum der Wand und besondere Knickstellen. Dadurch wird das Gehirn schon frühzeitig in mehrere Abschnitte unterteilt. Aus der Hirnanlage bilden sich zunächst drei hintereinander liegende Abschnitte (primäre Hirnbläschen) heraus, die dann das Vorderhirn, das Mittelhirn und das Rautenhirn bilden. In der weiteren Entwicklung entstehen daraus fünf weitere, sekundäre Hirnbläschen: Aus dem Vorderhirn entwickeln sich Großhirn und Zwischenhirn. Aus dem Rautenhirn gehen die Medulla oblongata, die Brücke und das Kleinhirn hervor.

Die synaptische Plastizität gilt als Grundlage von Gedächtnis und Lernen. Als synaptische Plastizität bezeichnet man die Fähigkeit, Signale zur Übertragung von Informationen zwischen zwei Nervenzellen variieren zu können.

Erkrankungen des Gehirns

Das Gehirn kann durch verschiedene Ursachen in seiner Funktion gestört oder beschädigt werden. Am besten können Schädigungen durch ein Gehirn-MRT festgestellt werden. Je nachdem, welcher Bereich des Gehirns beschädigt wird, können ganz unterschiedliche Symptome auftreten.

Einige Beispiele für Erkrankungen des Gehirns sind:

• Schlaganfall: Eine Durchblutungsstörung im Gehirn durch den Verschluss eines Blutgefäßes, die zu Sauerstoffunterversorgung im entsprechenden Gebiet führt.
• Gehirntumor: Es gibt gutartige und bösartige Hirntumore.
• Demenz: Unter Demenz versteht man die Abnahme von Gedächtnis- und Denkleistungen. Eine Art der Demenz ist Alzheimer.
• Parkinson: Bei Parkinson kommt es zum Absterben einer bestimmten Art von Nervenzellen im Gehirn. Dadurch herrscht eine geringere Konzentration des Botenstoffs Dopamin vor.
• Gehirnerschütterung: Die leichteste Form der Gehirnerkrankung.

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