Das Gehirn: Aufbau und Funktion der Steuerzentrale des Körpers

Das Gehirn, auch bekannt als Cerebrum oder Encephalon, ist die Steuerzentrale des Körpers. Es übernimmt lebenswichtige Aufgaben wie die Steuerung von Atmung und Kreislauf. Um diese komplexen Funktionen zu erfüllen, arbeiten verschiedene Strukturen eng zusammen. Über hin- und wegführende Nervenbahnen ist das Gehirn mit dem gesamten Körper verbunden. Die Gesamtlänge aller Nervenbahnen im Gehirn beträgt etwa 5,8 Millionen Kilometer.

Lage und Schutz des Gehirns

Das Gehirn befindet sich im Kopf, geschützt durch die knöcherne Schädeldecke. Im Bereich des Hinterkopfs geht das Gehirn in das Rückenmark über. Das Nervengewebe des Gehirns ist von drei verschiedenen Hirnhäuten (Meningen) geschützt, bevor es vom Schädel umgeben wird. Diese Hirnhäute setzen sich außerhalb des Gehirns in den Rückenmarkshäuten fort.

Graue und weiße Substanz

Das Gehirn besteht aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen: der grauen und der weißen Substanz. Die graue Substanz enthält alle Zellkörper der Nervenzellen. Bei Groß- und Kleinhirn bildet die graue Masse die umhüllende Rinde. Außerdem befindet sie sich in der weißen Substanz. Die weiße Substanz enthält die Nervenfasern, also die Axone der Nervenzellen. Im Gehirn befinden sich die Nervenzellkörper vor allem in den äußeren Bereichen, während die Axone im inneren Teil des Gehirns liegen.

Die Hauptbestandteile des Gehirns

Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:

• Großhirn (Telencephalon): Der größte und schwerste Teil des Gehirns, welcher in zwei Hälften (Hemisphären) unterteilt ist, 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 Großhirnrinde, die Oberfläche des Großhirns, besteht aus 52 Rindenfeldern, die nach verschiedenen Funktionen eingeteilt werden.
• Zwischenhirn (Diencephalon): Liegt zwischen Großhirn und Mittelhirn und besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus. Der Thalamus fungiert als "Tor zum Bewusstsein", indem er fast alle Sinneswahrnehmungen sammelt und an das primär sensorische Rindenfeld im Scheitellappen des Großhirns weiterleitet. Der Hypothalamus kontrolliert den Hormonhaushalt und stellt die Verbindung zwischen Hormon- und Nervensystem dar. Er steuert wichtige Funktionen wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten und ist mit der Hypophyse verbunden, der Hormondrüse am Gehirn.
• Mittelhirn (Mesencephalon): Der kleinste Abschnitt des Gehirns, welcher den Wach-Schlaf-Rhythmus steuert und die Aufmerksamkeit auf bestimmte Sinneseindrücke lenken kann.
• Kleinhirn (Cerebellum): Liegt unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Es lässt sich in zwei Hemisphären einteilen, zwischen denen der Kleinhirnwurm liegt. Das Kleinhirn ist vor allem für das Gleichgewicht und die Steuerung von erlernten Bewegungsabläufen verantwortlich.
• Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata): Bildet den untersten Teil des Gehirns und den Übergang zum Rückenmark. Hier überkreuzen sich viele Nervenbahnen der beiden Körperhälften. Das Nachhirn steuert die Atmung, den Kreislauf und viele Abläufe in den Organen. Es ist auch für Reflexe wie den Lidschlussreflex, den Tränenfluss, den Schluckreflex, die Speichelproduktion sowie für Niesen, Husten und Erbrechen zuständig.

Detaillierter Blick auf die Gehirnabschnitte

Das Großhirn (Telencephalon)

Das Großhirn ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Es ist der am höchsten entwickelte Abschnitt des Gehirns und ermöglicht "höhere" Hirnfunktionen wie Motivation, Lernen, Denken oder Verstehen. Es lässt sich in zwei Hälften (Hemisphären) unterteilen, die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Die Großhirnrinde, die Oberfläche des Großhirns, ist stark gefaltet, um ihre Oberfläche zu vergrößern. Sie bildet viele Gehirnwindungen (Gyri), die durch Gräben (Sulci) voneinander getrennt sind. Die Großhirnrinde besteht aus 52 Rindenfeldern, die nach verschiedenen Funktionen eingeteilt werden.

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Die verschiedenen Anteile der Großhirnrinde übernehmen ganz unterschiedliche Funktionen. Hier liegen die Verarbeitungszentren für Signale, die von den Augen (Sehrinde), den Ohren (Hörzentrum) und anderen Sinnesorganen kommen. Durch die Sehrinde beispielsweise erkennen wir einen Gegenstand als Auto, d.h. erst durch sie erhält das Gesehene eine Bedeutung. Auch Informationen von der Körperoberfläche werden in der Großhirnrinde verarbeitet. Dabei ist der Bereich der Großhirnrinde, der für eine bestimmte Region der Körperoberfläche zuständig ist, umso größer, je wichtiger er für die Wahrnehmung der Umwelt ist. So ist das „Wahrnehmungsfeld“ für Informationen, die von den Händen kommen, deutlich größer als das für die Füße. Auch das Wiedererkennen von Orten und Personen erfolgt in der Großhirnrinde. Andere Bereiche der Großhirnrinde sind für Sprache, Rechnen und Empfindungen zuständig. Der motorische Bereich der Großhirnrinde steuert und koordiniert Muskelbewegungen.

Die Großhirnrinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirn-Lappen, gegliedert:

• Frontallappen (Stirnlappen): Befindet sich im vorderen Bereich des Großhirns und kontrolliert höhere kognitive Funktionen wie Planung, Entscheidungsfindung, Problemlösung und willkürliche Bewegungen. 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. Schädigungen im Bereich der ganz vorn und an der Unterseite liegenden Rindengebiete des Frontallappens haben manchmal schwere Persönlichkeitsveränderungen zur Folge.
• Parietallappen (Scheitellappen): Verarbeitet sensorische Informationen wie Berührung, Temperatur, Schmerz und räumliche Wahrnehmung.
• Temporallappen (Schläfenlappen): Ist für das Hören, das Gedächtnis, die Sprache und die Verarbeitung von Emotionen zuständig. 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). Man nimmt außerdem an, dass die Schläfenlappenrinde eine wichtige Rolle der bewussten und unbewussten Verfügbarkeit der eigenen Vergangenheit und der in ihr gemachten Erfahrungen spielt, ohne die man sich in seiner Umwelt nicht zurechtfinden würde. Im Schläfenlappen liegt auch der Hippocampus, eine Sehpferdchen-förmige Struktur, die hauptsächlich für die Gedächtnisbildung zuständig ist. Bei einem Hirntumor im Schläfenlappen (temporaler Hirntumor) können unter anderem Hör- und/oder Sprachstörungen auftreten. Ist der Hippocampus mitbetroffen, sind oft Gedächtnisstörungen die Folge.
• Okzipitallappen (Hinterhauptslappen): Verarbeitet visuelle Informationen. Area 17 bildet die Endigungsstätte aller Sehbahnen, die Sehrinde. Schädigungen im Bereich des Hinterhauptslappens (zum Beispiel durch einen okzipitalen Hirntumor) können zu einer Rindenblindheit führen.

Das Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn liegt zwischen Großhirn und Mittelhirn und besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus.

• Thalamus: Fungiert als "Tor zum Bewusstsein", indem er fast alle Sinneswahrnehmungen sammelt und an das primär sensorische Rindenfeld im Scheitellappen des Großhirns weiterleitet. Im Thalamus treffen Informationen aus dem Körper und den verschiedenen Sinnesorganen ein. Der Thalamus leitet die Signale an das Großhirn weiter, nachdem er die Informationen im Vorfeld gefiltert hat. Dies vermeidet, dass das Hirn überlastet wird.
• Hypothalamus: 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 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. Der Hypothalamus steht in direktem Kontakt mit der Hirnanhangsdrüse (Hypophyse) und verbindet das Hormon- mit dem Nervensystem.

Das Kleinhirn (Cerebellum)

Das Kleinhirn liegt unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. 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.

Das Cerebellum gibt keine Bewegungsimpulse, vielmehr stimmt es Bewegungen fein ab, erhält die Muskelspannung und das Gleichgewicht. Wie das Großhirn hat auch das Cerebellum eine Rinde; in ihr liegt die graue Substanz des Kleinhirns: die Zellkörper der Nervenzellen.

Der Hirnstamm (Truncus cerebri)

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 Verschaltung von Sinneseindrücken verantwortlich. Im Nachhirn überkreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften.

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Der Hirnstamm verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark. Zum Hirnstamm werden drei Hirn-Abschnitte gerechnet: verlängertes Mark, Mittelhirn und Brücke. Er regelt lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck. Auch wichtige Körperreflexe haben hier ihren Sitz. Dazu gehören z. B. Husten, Niesen, Schlucken oder Würgen.

Wie funktioniert das Gehirn?

Das Gehirn übernimmt alle lebenswichtigen Funktionen des 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 zusammenarbeiten müssen.

Das Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die das zentrale Nervensystem aufbauen und untereinander verknüpft sind. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt. Die Nervenzellen 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.

Die Synapsen können dabei nutzungsabhängig optimiert und verändert werden. Der Prozess heißt auch neuronale oder synaptische Plastizität. Lernfähigkeit kommt dadurch zustande, dass durch ständiges Wiederholen entsprechende Synapsen verstärkt werden.

Entwicklung des Gehirns

Das Gehirn eines Embryos entwickelt sich etwa ab der vierten Schwangerschaftswoche. Dazu bilden sich aus dem vorderen Teil Neuralrohr drei bläschenförmige Erweiterungen aus. Bereits in dieser frühen Entwicklungsphase wird das Gehirn also in unterschiedliche Abschnitte eingeteilt. Aus den drei ersten Bläschen bilden sich das Vorder-, das Mittel- und das Rautenhirn. Im Laufe der Entwicklung gehen daraus dann weitere Hirnbläschen hervor, welche die restlichen Gehirnabschnitte bilden.

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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.

Energieversorgung des Gehirns

Da der Energieverbrauch des Gehirns so hoch und der Stoffwechsel dort so aktiv ist, benötigt es sehr viel Sauerstoff und Glukose (Energielieferant). Denn obwohl das Gehirn nur 2% des Körpergewichts ausmacht, geht ungefähr ein Fünftel unseres gesamten Sauerstoffbedarfs an das Gehirn. Die Durchblutung des Gehirns läuft über zwei große, jeweils in Paaren angelegte Arterien ab. Seitlich am Hals entlang verläuft die innere Halsschlagader (Arteria carotis interna), die aus der Halsschlagader (Arteria carotis communis) entspringt.

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. Der Gefäßring und seine Äste liegen zwischen zwei Hirnhäuten (der Spinngewebshaut und der inneren Hirnhaut) im sogenannten Subarachnoidalraum und sind dort von Liquor (Hirn-Rückenmarksflüssigkeit) umgeben, der die dünnwandigen Gefäße schützt.

Um zu verhindern, dass schädliche Stoffe aus dem Blut ins Gehirn gelangen, gibt es eine Schranke. Die sogenannte Blut-Hirn-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen dar.

Störungen und Erkrankungen des Gehirns

Das Gehirn kann aber auch 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.
• Hirntumor: 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.

Das Nervensystem: Sensorik und Motorik

Über das Nervensystem tritt der Mensch in Kontakt mit seiner Umwelt. So nehmen beispielsweise Augen, Ohren, Nase, Zunge und Sensoren in der Haut, wie beispielsweise Temperatur- und Berührungssensoren, Reize aus der Umwelt wahr und leiten sie weiter zum Zentralnervensystem. Auch Informationen über den Zustand des eigenen Organismus, wie z.B. die Stellung des Körpers oder Hunger und Durst, werden registriert. Dieser Teil des Nervensystems wird als sensorisches Nervensystem bezeichnet.

Dem gegenüber steht das motorische Nervensystem. Mit ihm reagiert der Organismus auf Signale aus seiner Umgebung oder vom Körper selbst. So steuert das motorische Nervensystem die Muskulatur und ermöglicht uns damit, Handlungen auszuführen und sich in der Umwelt zu bewegen. Ein Beispiel: Bewegen wir uns auf ein Hindernis zu, wird es vom Auge wahrgenommen. Das sensorische Nervensystem gibt diese Information an das Gehirn weiter. Hier wird die Information verarbeitet und die Entscheidung getroffen, dem Hindernis auszuweichen.

Vieles von dem, was unser Nervensystem leistet, machen wir bewusst. Wir entscheiden über Zuschauen oder Wegsehen, Fortgehen oder Stehenbleiben, Sprechen oder Zuhören. Der daran beteiligte Teil unseres Nervensystems unterliegt unserer willkürlichen Kontrolle. Daneben hat das Nervensystem aber auch Aufgaben, die wir nicht bewusst kontrollieren können. Jeder kennt die Situation: Beim Sport oder in Stresssituationen erhöht sich automatisch der Herzschlag, die Atmung wird schneller und man beginnt zu schwitzen. Verantwortlich dafür ist das vegetative Nervensystem, das auch als autonomes oder unwillkürliches Nervensystem bezeichnet wird, weil es nicht unserem Willen unterworfen ist. Das vegetative Nervensystem kontrolliert die Muskulatur aller Organe, regelt also lebenswichtige Körperfunktionen wie Herztätigkeit, Atmung, Kreislauf, Stoffwechsel, Verdauung, Ausscheidung, Schweißbildung, Körpertemperatur und Fortpflanzung. Außerhalb von Gehirn und Rückenmark besteht es aus dem Sympathikus und seinem Gegenspieler, dem Parasympathikus. Der Sympathikus sorgt für eine Erhöhung des Herzschlages und der Atemtätigkeit, verbessert die Durchblutung in der Muskulatur und fördert das Schwitzen. Durch den Parasympathikus hingegen schlägt das Herz langsamer, die Atmung wird ruhiger und die Verdauung wird gefördert.

Plastizität des Gehirns

Das Gehirn ist bis ins hohe Alter lernfähig und kann sich an neue Situationen anpassen. Diese Fähigkeit wird als Plastizität bezeichnet. 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. Viele Wissenschaftler bezweifeln aber, dass Gehirnjogging-Übungen die generelle Leistungsfähigkeit des Gehirns steigern. Sie gehen davon aus, dass sich der Trainingseffekt nur auf die unmittelbar trainierte Aufgabe auswirkt.

Die 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.

Forschung zum Gehirn

Wissenschaftler auf der ganzen Welt forschen intensiv am Gehirn, um seine Funktionsweise besser zu verstehen und neue Behandlungsmethoden für neurologische Erkrankungen zu entwickeln. Ein wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Wissenschaftler untersuchen, welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind und wie Informationen zwischen ihnen ausgetauscht werden.

Mit einer Variante dieser Technik, der sogenannten funktionellen Magnetresonanztomografie, können Wissenschaftler zwischen aktiven und nicht aktiven Gehirnregionen unterscheiden. Damit haben sie viel über den Aufbau und die Funktionsweise des Gehirns gelernt.

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