Das menschliche Gehirn ist eine bemerkenswerte Struktur, ein "natürlicher Computer der Superlative". Mit etwa 86 Milliarden Neuronen (Nervenzellen) und einer ähnlichen Anzahl von Gliazellen ist es die komplexeste anatomische Struktur, die wir kennen. Es reguliert überlebenswichtige Prozesse wie Atmung, Wahrnehmung und den Schlaf-Wach-Rhythmus. Dieses hochaktive Organ ist auf eine stetige Zufuhr von Blutzucker und Sauerstoff angewiesen.
Anatomie des Gehirns: Ein Überblick
Das Gehirn lässt sich in verschiedene Hauptbereiche unterteilen, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen:
- Großhirn (Cerebrum): Der größte Teil des Gehirns, verantwortlich für höhere kognitive Funktionen.
- Kleinhirn (Cerebellum): Koordiniert Bewegungen und hält das Gleichgewicht.
- Zwischenhirn (Diencephalon): Enthält wichtige Strukturen wie Thalamus und Hypothalamus.
- Hirnstamm (Truncus cerebri): Verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und steuert lebenswichtige Funktionen.
Großhirn (Cerebrum)
Das Großhirn, auch Telencephalon genannt, macht etwa 80 % der gesamten Hirnmasse aus. Es besteht aus zwei Hälften, die durch den Balken (Corpus callosum) verbunden sind, welcher den Informationsaustausch zwischen den Hemisphären ermöglicht. Die äußere Schicht des Großhirns, die Großhirnrinde (Kortex), ist durch Furchen und Windungen gekennzeichnet, was an eine Walnuss erinnert. Die Großhirnrinde besteht aus Nervenzellen und Gliazellen. Die Nervenzellen verfügen über Fortsätze (Axone), die die weiße Substanz ausmachen. Dank dieser Axone ist die lokale ebenso wie die überregionale Vernetzung der Gehirnzellen möglich.
Jede Gehirnhälfte ist in vier Lappen unterteilt:
- Frontallappen (Stirnlappen): Kontrolliert Bewegungen und führt kognitive Prozesse aus.
- Parietallappen (Scheitellappen): Zuständig für somatosensorische Funktionen.
- Temporallappen (Schläfenlappen): Enthält das Sprachzentrum und den Hippocampus, der für das Gedächtnis wichtig ist.
- Okzipitallappen (Hinterhauptlappen): Verantwortlich für die Verarbeitung visueller Informationen.
Kleinhirn (Cerebellum)
Das Kleinhirn, auch Cerebellum genannt, befindet sich im unteren hinteren Bereich des Schädels. Es enthält die meisten Nervenzellen im Gehirn (etwa 70 Milliarden) und ist für die Steuerung und Koordination von Bewegungsabläufen zuständig. Es analysiert jede Körperbewegung blitzschnell und trägt zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts und der Körperhaltung bei.
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Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn enthält den Thalamus, den Hypothalamus und die Zirbeldrüse. Es filtert eingehende Informationen, bevor es sie an das Großhirn weiterleitet. Der Thalamus sammelt Sinneswahrnehmungen und leitet sie an den Parietallappen des Großhirns weiter. Der Hypothalamus steuert den Hormonhaushalt und reguliert Funktionen wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten.
Hirnstamm (Truncus cerebri)
Der Hirnstamm verbindet das Rückenmark mit dem Großhirn und besteht aus Mittelhirn (Mesencephalon), Brücke (Pons) und verlängertem Mark (Medulla oblongata). Er koordiniert lebenswichtige Funktionen wie Atmung und Herzschlag und kontrolliert Reflexe wie Husten, Harndrang, Erbrechen und Schlucken.
Wie funktioniert das Gehirn?
Das Gehirn funktioniert als ein komplexes Netzwerk von Nervenzellen, die über Synapsen miteinander kommunizieren. Neurotransmitter (chemische Botenstoffe) übertragen Informationen zwischen den Neuronen. Man geht von rund 100 Milliarden Synapsen im menschlichen Gehirn aus. Nicht nur die Neuronen sind an der Weitergabe von Informationen beteiligt: Auch die sie umgebenden Gliazellen spielen hierbei eine wichtige Rolle. Sie stellen Nährstoffe bereit und absorbieren verschüttete Neurotransmitter. Rund die Hälfte der gesamten Hirnmasse besteht aus Gliazallen.
Ein wichtiger Aspekt der Gehirnfunktion ist die Lateralisation, bei der bestimmte Prozesse bevorzugt in einer der beiden Gehirnhälften stattfinden. Die linke Gehirnhälfte ist beispielsweise für Sprachproduktion und mathematische Aufgaben zuständig, während die rechte Gehirnhälfte bei räumlicher Wahrnehmung und Gesichtserkennung dominiert.
Gehirnerkrankungen
Obwohl das Gehirn durch die Schädelknochen geschützt ist, ist es anfällig für verschiedene Erkrankungen:
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- Schlaganfall: Entsteht durch den Verschluss eines Hirngefäßes, was zu Sauerstoffmangel führt.
- Gehirnerschütterung: Die leichteste Form der Gehirnerkrankung.
- Parkinson: Entsteht durch das Absterben bestimmter Hirnzellen, was zu einer Störung der Motorik führt.
- Demenz: Eine Verminderung der kognitiven Leistungen, oft durch Morbus Alzheimer verursacht.
- Gehirntumore: Können gut- oder bösartig sein und in jedem Alter auftreten.
Gehirn und Intelligenz
Das durchschnittliche Gehirn eines Erwachsenen wiegt etwa 1,5 Kilogramm. Intelligenz hängt jedoch nicht nur von der Größe des Gehirns ab, sondern auch von der Vernetzung der Nervenzellen und Gehirnbereiche.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage für Lernen und Gedächtnis
Die synaptische Plastizität ist die Fähigkeit, die Stärke der Signale zwischen Nervenzellen zu verändern. Bei der Übertragung von Informationen kann die Synapse mehr oder weniger Botenstoffe ausschütten, um die Stärke der Signale zu regulieren. Im erwachsenen Gehirn werden fortlaufend neue Synapsen gebildet.
Synapsen übertragen nicht nur elektrische Signale von einer Nervenzelle zur nächsten, sie können die Intensität des Signals auch verstärken oder abschwächen. Lernen findet an den Synapsen statt - also den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. 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. 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.
Das Gehirn als "Baustelle": Lebenslanges Lernen
Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. 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.
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! Ob die Taxifahrer auch generell ein besseres Gedächtnis besitzen, ist noch unbekannt.
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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. Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben Forscher herausgefunden, dass das Gehirn so die Schäden nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann. Wissenschaftler erforschen an verschiedenen Max-Planck-Instituten, wie das Gehirn und seine Nervenzellen plastisch bleiben.