Das Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das wie ein großer Computer arbeitet. Es verarbeitet Sinneseindrücke und Informationen des Körpers und sendet Botschaften in alle Bereiche des Körpers zurück. Doch das Gehirn kann weit mehr als eine Maschine: Mit dem Gehirn denkt und fühlt der Mensch, hier liegen die Wurzeln seiner Intelligenz. Es ist die Steuerzentrale für lebenswichtige Abläufe im Körper und steuert alle wichtigen Fähigkeiten des Menschen: was wir wahrnehmen und empfinden, was wir wissen und denken oder wie wir uns verhalten. Es stellt aber auch sicher, dass unsere Organe richtig arbeiten und steuert all unsere Bewegungen. Es nimmt Sinneseindrücke auf und verarbeitet sie. Außerdem speichert es Informationen im Gedächtnis und ruft sie bei Bedarf wieder ab. Es koordiniert sämtliche Körperfunktionen und ermöglicht uns, unsere Umwelt wahrzunehmen.
Äußere Erscheinung und grundlegender Aufbau
Unser Denkorgan ist ungefähr so groß wie zwei geballte Fäuste und wiegt etwa 1,5 Kilogramm. Von außen ähnelt das Gehirn durch Windungen und enge Spalten einer überdimensionalen Walnuss. Das Gehirn wird von den Schädelknochen und innerhalb des Schädels von drei Hirnhäuten (Meningen) umgeben. In dieser festen Hülle schwimmt es gewissermaßen im Hirnwasser, dem Liquor.
Das Gehirn besteht aus verschiedenen Teilen und Milliarden von vernetzten Nervenzellen. Man unterscheidet verschiedene Bereiche im Gehirn, wobei jeder Bereich auf bestimmte Aufgaben spezialisiert ist. Das Gehirn besteht aus zwei Arten von Zellen: Nervenzellen und Glia-Zellen. Die Nervenzellen sind die eigentlichen „Arbeitstiere“ im Gehirn. Darüber hinaus gibt es Glia-Zellen, die die Arbeit der Nervenzellen unterstützen. Das menschliche Gehirn hat ungefähr 100 Milliarden solcher Nervenzellen.
Das Gehirn besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den sogenannten Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Die beiden Gehirnhälften haben zum Teil unterschiedliche Funktionen: Während die linke Hälfte bei den meisten Menschen auf Sprache und abstraktes Denken spezialisiert ist, kommt die rechte in der Regel dann zum Einsatz, wenn es um räumliches Denken oder bildhafte Zusammenhänge geht. Die rechte Gehirnhälfte steuert die linke Körperseite, die linke Hälfte ist für die rechte Seite zuständig.
Die Hauptbereiche des Gehirns und ihre Funktionen
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
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- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
Das Großhirn: Zentrale für höhere Funktionen
Das Großhirn ist der größte und am höchsten entwickelte Teil des Gehirns. Es ist zugleich der größte Teil des menschlichen Gehirns. Das Großhirn besteht aus einer rechten und einer linken Gehirnhälfte. Beide sind durch ein dickes Bündel aus Nervenfasern verbunden, dem Balken. Jede Gehirnhälfte besteht wiederum aus sechs Bereichen (Lappen) mit unterschiedlichen Funktionen. Das Großhirn kontrolliert Bewegungen und verarbeitet Sinneseindrücke von außen. Hier entstehen bewusste und unbewusste Handlungen und Gefühle. Es ist außerdem für Sprache und Hören, Intelligenz und Gedächtnis verantwortlich. Die Großhirn-Rinde bedeckt die gesamte Oberfläche des Großhirns. Sie ist etwa 1,5 bis 4,5 Millimeter dick und enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns. Hier gehen wichtige Sinneseindrücke ein. Sie werden sortiert, bewusst gemacht, gespeichert und sinnvoll miteinander verknüpft. Dadurch ist es dem Menschen möglich, zielgerichtet zu handeln. In der Großhirn-Rinde sitzen auch die Wahrnehmung und der Wille. Auch wesentliche Teile unseres Gedächtnisses liegen in der Großhirn-Rinde. Denken und Erinnern sind hier verankert, willentliche Bewegungen werden gesteuert. Die Großhirn-Rinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirn-Lappen, gegliedert. Sie werden entsprechend ihrer Lage Stirn-Lappen, Schläfen-Lappen, Scheitel-Lappen und Hinterkopf-Lappen genannt. In ihnen haben Nervenzellen mit ganz bestimmten Aufgaben ihren Sitz.
Das Zwischenhirn: Schaltzentrale für lebenswichtige Funktionen
Das Zwischenhirn liegt zwischen Großhirn und Hirnstamm. Es ist für viele überlebenswichtige Empfindungen und Instinkte des Menschen verantwortlich. Hier werden zum Beispiel Durst und Hunger oder der Schlaf gesteuert. Auch an der Verarbeitung von Sinneseindrücken wie Sehen, Hören oder Tasten ist das Zwischenhirn beteiligt. Es besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus.
Der Thalamus 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. Der Hypothalamus reguliert 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.
Der Hirnstamm: Steuerung lebenswichtiger Reflexe
Der Hirnstamm ist der älteste Gehirn-Teil in der Entwicklungsgeschichte des Menschen. Er verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark. Zum Hirnstamm werden drei Hirn-Abschnitte gerechnet: verlängertes Mark, Mittelhirn und Brücke. Der Hirnstamm ist u. a. 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. Diese sind z. B. Außerdem regelt der Hirnstamm lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck. Auch wichtige Körperreflexe haben hier ihren Sitz. Dazu gehören z. B.
Das Kleinhirn: Koordination von Bewegung und Gleichgewicht
Das Kleinhirn ist wichtig für das Gleichgewicht und die Koordination. 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.
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Blutversorgung des Gehirns: Lebensnotwendig für die Funktion
Das Gehirn muss ständig mit genügend Sauerstoff, Glukose und weiteren Nährstoffen versorgt werden. Deshalb ist es besonders gut durchblutet. Die Blutversorgung des Gehirns erfolgt über die rechte und linke innere Halsschlagader (Arteria carotis interna) und über die Arteria vertebralis. Durch weitere Arterien werden diese zu einem Gefäßring (Circulus arteriosus cerebri) geschlossen, der die Basis des Zwischenhirns umfasst.
Die vordere Hirnarterie (Arteria cerebri anterior) versorgt das Gewebe hinter der Stirn und im Bereich des Scheitels. Die mittlere Hirnarterie (Arteria cerebri media) ist für die Seite und weiter innen liegende Gehirnbereiche wichtig. Die vordere und die mittlere Hirnarterie zweigen von der inneren Halsschlagader ab. Die hintere Hirnarterie (Arteria cerebri posterior) versorgt den Hinterkopf und den unteren Bereich des Gehirns sowie das Kleinhirn. Sie wird mit Blut aus den Wirbelarterien gespeist.
Bevor die drei Arterien in „ihre“ Hirnregionen ziehen und sich dort in kleinere Äste verzweigen, liegen sie nahe beieinander unterhalb des Gehirns. Hier sind sie über kleinere Blutgefäße miteinander verbunden - ähnlich wie in einem Kreisverkehr. Auch an weiter entfernten Stellen gibt es Verbindungswege zwischen den einzelnen Arterien. Das hat den Vorteil, dass Durchblutungsstörungen im Gehirn bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden können: Wenn zum Beispiel ein Arterienast allmählich immer enger wird, kann über diese „Umwege“ (sogenannte Kollateralen) trotzdem Blut in den betroffenen Hirnbereich fließen.
Die feinsten Aufzweigungen (Kapillaren) der Hirnarterien geben zwar Sauerstoff und Nährstoffe aus dem Blut an die Gehirnzellen ab - für andere Stoffe sind sie jedoch weniger durchlässig als vergleichbare Blutgefäße im übrigen Körper. Fachleute nennen diese Eigenschaft „Blut-Hirn-Schranke“. Sie kann das empfindliche Gehirn zum Beispiel vor im Blut gelösten Schadstoffen schützen.„Verbrauchtes“ - also sauerstoffarmes - Blut wird über die Gehirnvenen abtransportiert. Sie leiten es in größere Blutgefäße, die sogenannten Sinusse. Die Sinuswände sind durch harte Hirnhaut verstärkt, die die Gefäße gleichzeitig aufspannen.
Die Blut-Hirn-Schranke: Schutzschild für das Gehirn
Das empfindliche Gewebe im Gehirn ist durch die Blut-Hirn-Schranke gegen schädigende Substanzen im Blut (wie Gifte, Krankheitserreger, bestimmte Medikamente etc.) abgeschirmt. Die Blut-Hirn-Schranke lässt nur wenige Stoffe passieren. Welche Stoffe die Blut-Hirn-Schranke durchlässt, kontrollieren die Endothel- und Gliazellen.
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Nervenzellen und Synapsen: Die Grundlage der Informationsverarbeitung
Das Gehirn ist ein gigantisches Netzwerk von Nervenzellen. Dieses Netzwerk steuert all unsere Organe und Körperfunktionen. Manche vergleichen das Gehirn mit einem Hochleistungs-Computer. Es kann Reize aus der Umgebung und dem Körperinneren aufnehmen, Reaktionen und Verhalten steuern oder auch Wissen speichern und verarbeiten. Dies passiert mithilfe von Nerven-Zellen. Nerven-Zellen haben einen kleinen Körper und sehr lange, faden-artige Fortsätze. Man nennt sie Axone und Dendriten. Diese können sich durch das gesamte Gehirn ziehen. Über diese Ausläufer können Nerven-Zellen sich miteinander verbinden und kommunizieren. Nerven-Zellen tauschen Informationen an speziellen Verbindungs-Stellen aus. Man nennt diese Verbindungs-Stellen Synapsen. Nerven-Zellen besitzen oft unzählige solcher Synapsen. Dementsprechend kann eine einzelne Nerven-Zelle im Gehirn Tausende Kontakte mit anderen Nerven-Zellen aufbauen. Durch den wiederholten Informationsaustausch zwischen den Nerven-Zellen können sich die Verknüpfungen verstärken.
Synapsen übertragen nicht nur elektrische Signale von einer Nervenzelle zur nächsten, sie können die Intensität des Signals auch verstärken oder abschwächen. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet.
Die lebenslange Lernfähigkeit des Gehirns
Bis vor wenigen Jahren galt unter Wissenschaftlern als ausgemacht: Das Gehirn eines Erwachsenen verändert sich nicht mehr. Heute weiß man jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird. Manche Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann. Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. Anders hätte der Mensch die vielfältigen Herausforderungen, denen er im Laufe eines Lebens begegnet, auch gar nicht bewältigen können. So können wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache und Yoga lernen, uns Gesicht und Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria. Wissenschaftler können die Gehirnaktivität eines Menschen durch EEG-Signale mitlesen.
So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle. Stärkung und Schwächung, Auf- und Abbau - die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Etwas vereinfacht könnte man sich also vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert - und abgeschwächt wird, wenn es vergisst. Ohne die Plastizität würde dem Gehirn folglich etwas Fundamentales fehlen: seine Lernfähigkeit.
Mit dem Lernen verhält es sich wie mit dem Sport: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie erledigt. Wer beispielsweise Taxi fährt, muss sich gut orientieren und Routen merken können. Durch die tägliche Arbeit wird so das Ortsgedächtnis immer besser. Das hinterlässt auch Spuren im Gehirn, zum Beispiel im Gehirn Londoner Taxifahrer: Forscher haben herausgefunden, dass in ihrem Gehirn der Hippocampus - ein für das Ortsgedächtnis zentrale Region im Gehirn - über die Jahre größer wird. Offenbar braucht ein derart trainiertes Orientierungsvermögen auch mehr Raum! Seine Plastizität hilft dem Gehirn zudem, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen.