Das Gehirn, auch Encephalon oder Cerebrum genannt, ist die Steuerzentrale des menschlichen Körpers. Als Teil des zentralen Nervensystems (ZNS) liegt es innerhalb des knöchernen Schädels und füllt diesen aus. Es besteht aus einem komplexen Netzwerk von Nervenzellen, die über Nervenbahnen mit dem gesamten Organismus verbunden sind und lebenswichtige Funktionen steuern. Es verarbeitet Sinneseindrücke und Informationen des Körpers und schickt Botschaften zurück in alle Bereiche des Körpers. Das Gehirn ermöglicht uns zu denken, zu fühlen und ist die Wurzel unserer Intelligenz.
Die Anatomie des Gehirns
Das Gehirnvolumen beträgt etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse. Das Gewicht (Gehirn) macht mit 1,5 bis zwei Kilogramm ungefähr drei Prozent des Körpergewichts aus. Ein Mensch hat ungefähr 100 Milliarden Gehirnzellen, die das zentrale Nervensystem, unser Gehirn, aufbauen und untereinander verknüpft sind. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt. GliazellenDie Nervenzellen im Gehirn sind eingebettet in ein stützendes Gewebe aus Gliazellen.
Schutzhüllen und Gewebearten
Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater (harte Hirnhaut), Arachnoidea (Spinngewebshaut) und Pia mater (innere Hirnhaut). Die Hirnhäute setzen sich außerhalb des Gehirns in den Rückenmarkshäuten fort. Sie schützen das Gehirn vor Verletzungen und äußeren Einflüssen. Zwischen den Hirnhäuten befindet sich der Subarachnoidalraum, der mit Liquor cerebrospinalis (Hirn-Rückenmarksflüssigkeit) gefüllt ist. Dieser Liquor dient als zusätzlicher Schutz, indem er das Gehirn polstert und Stöße abfängt.
Das Nervengewebe des Gehirns besteht aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen:
- Graue Substanz: Sie enthält die Zellkörper der Nervenzellen (Neuronen) und ist vor allem in der Großhirnrinde, den Basalganglien, der Kleinhirnrinde und den Hirnnervenkerne zu finden. Etwa 80 Prozent der Hirndurchblutung sind für die Versorgung der grauen Substanz notwendig.
- Weiße Substanz: Sie besteht aus den Nervenzellfortsätzen, den Nervenfasern (Axonen), die von einer isolierenden Myelinschicht umgeben sind. Die weiße Substanz findet sich im Mark von Großhirn und Kleinhirn.
Die fünf Hauptabschnitte des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
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- Großhirn (Telencephalon): Das Großhirn ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Es ist für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Lernen, Gedächtnis, Sprache und bewusste Handlungen zuständig. Das Großhirn besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Jede Hemisphäre ist in vier Lappen unterteilt: Frontallappen (Stirnlappen), Parietallappen (Scheitellappen), Temporallappen (Schläfenlappen) und Okzipitallappen (Hinterhauptlappen).
- Zwischenhirn (Diencephalon): Das Zwischenhirn liegt zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn. Es besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus. Der Thalamus fungiert als "Tor zum Bewusstsein" und filtert Sinneseindrücke, bevor er sie an die Großhirnrinde weiterleitet. Der Hypothalamus steuert wichtige Körperfunktionen wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur, Hunger, Durst und Sexualverhalten. Die Hypophyse ist mit dem Hypothalamus über einen Stiel verbunden.
- Mittelhirn (Mesencephalon): Das Mesencephalon ist der kleinste Abschnitt des Gehirns. Es ist an der Steuerung von Augenbewegungen, Reflexen und der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt.
- Kleinhirn (Cerebellum): Das Kleinhirn sitzt oberhalb des Hirnstamms und unterhalb der beiden Großhirnhemisphären. Es koordiniert Bewegungen, gleicht sie aufeinander ab und speichert erlernte Bewegungsabläufe. Es ist auch für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts verantwortlich.
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata): Das auch als Nachhirn bezeichnete Meyelencephalon stellt den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark dar. Hier kreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften. Es steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Herzschlag, Blutdruck und Reflexe wie Schlucken, Husten und Niesen.
Der Hirnstamm: Die Verbindung zum Körper
Der Hirnstamm ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und besteht aus Mittelhirn, Medulla oblongata und Brücke (Pons). Er ist für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig und verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark. Er steuert die Herzfrequenz, den Blutdruck und die Atmung sowie Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- oder Hustenreflex.
Hirnnerven
Dem Gehirn entspringen zwölf paarige Nerven, die den Kopf, den Hals und Organe im Rumpf versorgen. Diese Hirnnerven sind für sensorische Wahrnehmungen, motorische Funktionen und die Steuerung vegetativer Prozesse zuständig.
Die Funktionen des Gehirns
Das Gehirn ist die Informationszentrale unseres Körpers. Hier werden Informationen aus der Umwelt und über den Zustand des Organismus zusammengetragen und zu Reaktionen weiterverarbeitet. Das Gehirn übernimmt alle lebenswichtigen Funktionen unserer 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.
Informationsverarbeitung und Kommunikation
Die Gehirnzellen (Neuronen) 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 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. 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.
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Sensorisches und motorisches Nervensystem
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.
Vegetatives Nervensystem
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.
Gedächtnis und Lernen
Eine sehr wichtige Funktion des Gehirns ist das Gedächtnis - vom Ultrakurzzeit- über das Kurzzeit- bis zum Langzeitgedächtnis. Das Gehirn verändert sich im Laufe des ganzen Lebens und erlaubt es uns, bis ins hohe Alter hinein aktiv zu bleiben und unsere Lernfähigkeit zu behalten. 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.
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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.
Energieverbrauch und Blutversorgung
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.
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.
Die 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. Die Blut-Hirn-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen dar. Welche Stoffe die Blut-Hirn-Schranke durchlässt, kontrollieren die Endothel- und Gliazellen.
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.
- 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.
Forschung und Zukunftsperspektiven
Die Erforschung des Gehirns ist ein komplexes und interdisziplinäres Feld. Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen wie Neurowissenschaften, Medizin, Psychologie und Informatik arbeiten zusammen, um die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen und neue Therapien für neurologische und psychische Erkrankungen zu entwickeln.
Ein wichtiger Forschungsbereich ist die Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs), die es ermöglichen, Gedanken in Handlungen umzusetzen oder Prothesen direkt über das Gehirn zu steuern. Auch die Erforschung der neuronalen Plastizität und die Entwicklung von Strategien zur Förderung der Regeneration von Nervenzellen sind vielversprechende Ansätze für die Behandlung von Hirnschäden.