Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das unser Denken, Verhalten und Empfinden steuert und beeinflusst. Es ist die Informationszentrale unseres Körpers, in der Informationen aus der Umwelt und über den Zustand des Organismus zusammengetragen und zu Reaktionen weiterverarbeitet werden.
Nervensystem: Die Verbindung zur Umwelt
Über das Nervensystem tritt der Mensch in Kontakt mit seiner Umwelt. Augen, Ohren, Nase, Zunge und Sensoren in der Haut nehmen Reize aus der Umwelt wahr und leiten sie an das Zentralnervensystem weiter. Auch Informationen über den Zustand des eigenen Organismus, wie die Körperstellung oder Hunger und Durst, werden registriert.
Das Nervensystem besteht aus zwei Teilen:
- Sensorisches Nervensystem: Nimmt Informationen aus der Umwelt und dem Körper auf und leitet sie an das Gehirn weiter.
- Motorisches Nervensystem: Reagiert auf Signale aus dem Gehirn und steuert die Muskulatur, um Handlungen auszuführen und sich in der Umwelt zu bewegen.
Ein Beispiel: Wenn wir uns auf ein Hindernis zubewegen, wird es vom Auge wahrgenommen. Das sensorische Nervensystem gibt diese Information an das Gehirn weiter, wo sie verarbeitet wird und die Entscheidung getroffen wird, 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.
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Aufbau des Gehirns: Eine komplexe Struktur
Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, das aus Milliarden von Neuronen und Gliazellen besteht. Es wiegt durchschnittlich 1,5 Kilogramm und ist so groß wie zwei Fäuste. Seine Form erinnert an das Innere einer Walnuss.
Das Gehirn lässt sich in fünf Hauptbereiche unterteilen:
- Großhirn (Telencephalon): Der größte Teil des Gehirns, verantwortlich für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Sprache, Gedächtnis und bewusste Handlungen.
- Zwischenhirn (Diencephalon): Liegt zwischen Großhirn und Mittelhirn und steuert wichtige Funktionen wie Körpertemperatur, Hunger, Durst, Schlaf-Wach-Rhythmus und Hormonhaushalt.
- Mittelhirn (Mesencephalon): Der kleinste Abschnitt des Gehirns, der u.a. den Wach-Schlaf-Rhythmus steuert und die Aufmerksamkeit auf bestimmte Sinneseindrücke lenken kann.
- Kleinhirn (Cerebellum): Befindet sich unterhalb des Großhirns und ist für die Koordination von Bewegungen, die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts und das Erlernen von Bewegungsabläufen zuständig.
- Nachhirn (Myelencephalon/Medulla oblongata): Bildet den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark und steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Kreislauf und Reflexe.
Großhirn: Sitz der höheren Funktionen
Der am höchsten entwickelte Abschnitt des Gehirns ist das Großhirn mit der Großhirnrinde. 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.
Das Großhirn besteht aus zwei Hälften, den sogenannten Hemisphären, die durch eine tiefe Fissur getrennt sind. Jede Hemisphäre besteht aus vier Lappen:
- Frontallappen (Stirnlappen): Verantwortlich für Planung, Entscheidungsfindung, Problemlösung, Persönlichkeit und willkürliche Bewegungen.
- Parietallappen (Scheitellappen): Zuständig für die Verarbeitung von sensorischen Informationen wie Berührung, Schmerz, Temperatur und räumliche Wahrnehmung.
- Temporallappen (Schläfenlappen): Spielt eine Rolle bei Gedächtnis, Sprache, Hören und Erkennen von Objekten und Gesichtern.
- Okzipitallappen (Hinterhauptlappen): Verantwortlich für die Verarbeitung von visuellen Informationen.
Die Oberfläche des Großhirns besteht aus zahlreichen Windungen und Furchen, die auch als Gyri und Sulci bezeichnet werden. Diese komplexe Struktur erhöht die Oberfläche des Gehirns und ermöglicht es, eine große Anzahl von Neuronen auf kleinem Raum unterzubringen und somit die Leistungsfähigkeit des Gehirns zu erhöhen.
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Zwischenhirn: Schaltzentrale für lebenswichtige Funktionen
Im Zwischenhirn werden beispielsweise vegetative Funktionen wie Körpertemperatur, das Hunger- und Durstgefühl sowie das Sexualverhalten gesteuert. Hier befindet sich auch die Hypophyse. Diese wichtige Hormondrüse, die auch als Hirnanhangsdrüse bezeichnet wird, produziert Wirkstoffe (Hormone), die in die Blutbahn abgegeben werden und dann über den Blutkreislauf zu ihren Wirkorten gelangen. Die Hormone der Hypophyse steuern beispielsweise das Längenwachstum vor der Pubertät, fördern das Wachstum der inneren Organe und haben Einfluss auf den Stoffwechsel. Zudem fördern sie die Reifung der Eizellen in den Eierstöcken der Frau und die Entwicklung der Spermien beim Mann.
Mittelhirn: Steuerung von Aufmerksamkeit und Schlaf-Wach-Rhythmus
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: Koordination von Bewegungen und Gleichgewicht
Verantwortlich für den richtigen Ablauf aller Körperbewegungen ist das Kleinhirn. Zudem ist es massgeblich an der Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes beteiligt. Bei einem Ausfall des Kleinhirns kommt es deshalb zu taumelnden, zielunsicheren oder zittrigen Bewegungen, wie sie bei Betrunkenheit auftreten. Auch schnell aufeinander folgende Bewegungen können nicht mehr ausgeführt werden.
Nachhirn: Verbindung zum Rückenmark und Steuerung von Reflexen
Mit dem Nachhirn grenzt das Gehirn an das Rückenmark. Hier werden die Atmung, der Kreislauf und viele Abläufe in den Organen gesteuert. Das Nachhirn ist auch für den Lidschlussreflex, den Tränenfluss, den Schluckreflex, die Speichelproduktion sowie für Niesen, Husten und Erbrechen zuständig. Zudem gibt es Reflexe, an denen nur das Rückenmark beteiligt ist.
Nervenzellen und Synapsen: Die Grundlage der Informationsverarbeitung
Die Aufgabe der Nervenzellen besteht darin, Signale aufzunehmen und an andere Nervenzellen oder Muskel- und Drüsenzellen weiterzuleiten. Entlang einer Nervenzelle werden die Signale elektrisch fortgeleitet. Die Geschwindigkeit solcher Signale kann bis zu 360 km pro Stunde erreichen (100 m/sec = 6000 m/min = 360 km/h). Solche hohen Geschwindigkeiten sind notwendig, wenn man bedenkt, dass beispielsweise die Signale vom Gehirn bis zu der Muskulatur der Beine eine relativ große Strecke zurücklegen müssen.
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Die Kontaktstelle zwischen 2 Nervenzellen ist die Synapse. Hier erfolgt die Übertragung des elektrischen Signals von einer Nervenzelle zur nächsten mit Hilfe von Botenstoffen, die auch als Transmitter bezeichnet werden. Gelangt das elektrische Signal zum Axonende einer Nervenzelle, wird dort der jeweilige Botenstoff in den winzigen Spalt zwischen den beiden Zellen ausgeschüttet. Die Funktion von Gehirn und Nervensystem basiert somit nicht nur auf einer Weiterleitung von elektrischen Signale sondern auch biochemischen Prozessen, welche die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen erst ermöglicht.
Dimensionen des Gehirns: Beeindruckende Zahlen
Die Dimensionen des Gehirns sind beeindruckend. Zwar macht das Gehirn nur zwei bis drei Prozent der Gesamtmasse unseres Körpers aus, verbraucht allerdings 20% seiner Energie. Damit versorgt unser Körper etwa 86 Milliarden Neuronen sowie die gleiche Anzahl an Gliazellen. Der Speicherplatz des Gehirns wird auf ein Petabyte geschätzt, das sind 1.000.000 Gigabyte. Dass wir nicht unser gesamtes Gehirn nutzen, ist übrigens ein Mythos. Zwar sind nicht alle Teile des Gehirns gleichzeitig aktiv, trotzdem hat jeder Bereich seine Spezialisierung und kommt auch regelmäßig zum Einsatz.
Steuerung des Körpers durch das Gehirn: Ein komplexes Zusammenspiel
Von einfachen Handgriffen bis zu komplexen Tanzschritten - das Gehirn steuert, meist automatisch, alle unsere Bewegungen. Dabei arbeiten die verschiedenen Bereiche des Gehirns nahtlos zusammen. Auch das Rückenmark spielt hierbei eine Schlüsselrolle. Es fungiert als Schnittstelle zwischen dem Gehirn und unserem Körper, leitet Signale an die Muskeln und ist für einfache Reflexe verantwortlich.
Das Rückenmark und das Gehirn arbeiten eng zusammen, um das reibungslose Funktionieren des Körpers zu gewährleisten. Das Rückenmark ist ein Teil des zentralen Nervensystems und dient als Verbindung zwischen dem Gehirn und den peripheren Nerven des Körpers. Es verläuft entlang der Wirbelsäule und besteht aus Nervenfasern, die Signale vom Gehirn zu den Muskeln und Drüsen des Körpers übertragen. Das Gehirn ist das Kontrollzentrum des Körpers und sendet ständig Signale an das Rückenmark, um Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag, Verdauung und Bewegung zu regulieren. Diese Signale werden entlang des Rückenmarks weitergeleitet und führen zur Aktivierung der entsprechenden Muskeln oder Drüsen. Zusätzlich werden über das Rückenmark auch Signale an das Gehirn gesendet, um Informationen über Schmerzen, Berührungen und andere sensorische Reize zu übermitteln. Dieses Zusammenspiel zwischen Rückenmark und Gehirn ermöglicht es dem Körper, auf seine Umgebung zu reagieren und seine Funktionen zu regulieren.
Die Verbindung zwischen Gehirn und Körper ist von entscheidender Bedeutung für unser alltägliches Leben. Das Gehirn ist das Kontrollzentrum des Körpers, welches alle Körperfunktionen steuert, einschließlich der Bewegungen, der Sinneswahrnehmung und der Organtätigkeit. Es kommuniziert mit den Sinnesorganen, den Skelettmuskeln, den Drüsen und der glatten, von uns nicht bewusst steuerbaren Muskulatur, wie von Blutgefäßen, der Lunge und Verdauungsorgane. Diese Kommunikation läuft fast ausschließlich über die Nervenbahnen im Rückenmark.
Kognitive Funktionen und Plastizität im Gehirn: Anpassungsfähigkeit und Lernen
Das menschliche Gehirn ist nicht nur für die Steuerung des Körpers verantwortlich, sondern auch für eine Vielzahl von kognitiven Funktionen wie Lernen, Gedächtnis, Sprache und Entscheidungsfindung. Diese kognitiven Funktionen beruhen auf komplexen neuronalen Netzwerken, die sich im Laufe des Lebens entwickeln und verändern.
Die Plastizität des Gehirns ist eine faszinierende Eigenschaft, die es dem Gehirn ermöglicht, sich an neue Herausforderungen, Veränderungen und Erfahrungen anzupassen. Das Gehirn kann durch die Bildung neuer Verbindungen zwischen Neuronen und die Modifikation bestehender Verbindungen seine Funktionen verändern und verbessern. Dieser Prozess der Anpassungsfähigkeit findet während der gesamten Lebensspanne statt und wird durch Faktoren wie Lernen, Erfahrung, körperliche Aktivität und Umgebung beeinflusst. Beispielsweise kann sich das Gehirn nach einem Schlaganfall oder einer Verletzung aufgrund von neuroplastischen Mechanismen regenerieren. Wenn ein Teil des Gehirns beschädigt wird, können andere Teile des Gehirns die Funktionen dieses beschädigten Bereichs übernehmen. Darüber hinaus kann das Gehirn auch in der Lage sein, neue Verbindungen zwischen Neuronen zu bilden, um verlorene Funktionen wiederzugewinnen. Die Plastizität des Gehirns spielt auch eine wichtige Rolle beim Lernen und Gedächtnis. Wenn wir etwas lernen, werden neue neuronale Verbindungen gebildet und bestehende Verbindungen verstärkt. Durch diese Veränderungen kann das Gehirn Informationen schneller und effektiver verarbeiten, wodurch wir unsere kognitiven Fähigkeiten verbessern. Darüber hinaus kann die Plastizität des Gehirns auch durch körperliche Aktivität und Umgebung beeinflusst werden. Wenn wir unser Gehirn regelmäßig durch kognitive Aktivitäten oder körperliches Training herausfordern, kann dies die Neubildung von neuronalen Verbindungen und die Verbesserung kognitiver Fähigkeiten wie Gedächtnis, Aufmerksamkeit und Problemlösung fördern.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der kognitiven Funktionen des Gehirns ist das Gedächtnis. Das Gehirn ist in der Lage, Erinnerungen zu speichern und abzurufen, indem es verschiedene Formen von Gedächtnissen verwendet: Das Arbeitsgedächtnis, Kurzzeitgedächtnis und Langzeitgedächtnis. Der Hippocampus spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung des Langzeitgedächtnisses, indem er Informationen aus dem Kurzzeitgedächtnis konsolidiert und sie in der Großhirnrinde speichert.
Das Gehirn ist auch entscheidend für die Sprachfunktionen des Menschen, einschließlich der Fähigkeit, Sprache zu verstehen, zu sprechen und zu lesen. Die Sprachfunktionen des Gehirns sind hauptsächlich in der linken Hemisphäre lokalisiert und umfassen verschiedene Regionen, darunter das Broca-Areal und das Wernicke-Areal. Das Broca-Areal ist für die Sprachproduktion zuständig, während das Wernicke-Areal das Verständnis von Sprache ermöglicht. Das Broca-Areal liegt im Stirnlappen, während das Wernicke-Areal im Schläfenlappen liegt. Sie sind durch eine dicke Nervenfaser, den fasciculus arcuatus, verbunden. Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass dieses Nervenbündel nur im menschlichen Gehirn so tief in den Schläfenlappen reicht. Bei anderen Säugetieren, unter anderem unserem nächsten Verwandten, dem Schimpansen, ist der fasciculus arcuatus kürzer und kann so keine Verbindung zwischen den beiden Arealen herstellen. Dies könnte erklären, wieso der Mensch als einziges Lebewesen über Sprache kommuniziert.
Störungen und Krankheiten des Gehirns: Beeinträchtigungen der Funktion
Das menschliche Gehirn ist ein empfindliches Organ, das anfällig für verschiedene Störungen und Krankheiten sein kann. Einige der häufigsten Störungen des Gehirns sind:
- Schlaganfall: Ein Schlaganfall tritt auf, wenn die Blutversorgung des Gehirns unterbrochen wird, was zu Schäden an den Gehirnzellen führen kann. Schlaganfälle können zu Lähmungen, Sprachproblemen und Gedächtnisverlust führen.
- Epilepsie: Epilepsie ist eine Störung des Gehirns, die zu wiederholten Anfällen führen kann. Während eines Anfalls können Betroffene Krämpfe, Bewusstseinsverlust und andere Symptome erleiden.
- 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.
- Gehirntumor: Es gibt gutartige und bösartige Hirntumore.
Schutz und Versorgung des Gehirns: Blut-Hirn-Schranke und Blutversorgung
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.
Damit keine schädlichen Substanzen 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.
Methoden zur Untersuchung des Gehirns: MRT und andere Verfahren
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. Bei der Magnetresonanztomographie (MRT) wird der Kopf sozusagen gescannt und ein Bild erstellt. Je nachdem, welcher Bereich des Gehirns beschädigt wird, können ganz unterschiedliche Symptome auftreten.