Das Gehirn, auch Encephalon 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 einer immensen Anzahl von Nervenzellen, die über zu- und abführende Nervenbahnen mit dem restlichen Organismus verbunden sind und diesen steuern. Mit einer durchschnittlichen Masse von etwa 1.400 Gramm, abhängig von Geschlecht und Körpergröße, macht das Gehirn nur etwa drei Prozent des Körpergewichts aus, beansprucht aber fast ein Viertel des gesamten Energiebedarfs des Körpers.
Zusammensetzung und Struktur des Gehirns
Ein Mensch besitzt etwa 100 Milliarden Gehirnzellen, die das zentrale Nervensystem bilden und untereinander verknüpft sind. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt. Diese Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind eingebettet in ein stützendes Gewebe aus Gliazellen, die etwa 50 Prozent der gesamten Hirnmasse ausmachen. Gliazellen übernehmen wichtige Funktionen für den Stoffwechsel und die Versorgung des Gehirns und sind am Aufbau der Blut-Hirn-Schranke beteiligt. Oligodendrozyten bilden die Markscheiden um die Nervenzellfortsätze, während Ependymzellen die Gehirnkammern (Ventrikel) auskleiden.
Hirnhäute und Schutzmechanismen
Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: der harten Hirnhaut (Dura mater), der Spinngewebshaut (Arachnoidea) und der inneren Hirnhaut (Pia mater). Zwischen der Arachnoidea und der Pia mater befindet sich der Subarachnoidalraum, der mit Liquor (Hirn-Rückenmarksflüssigkeit) gefüllt ist und die dünnwandigen Gefäße schützt. Der Liquor umgibt auch das Rückenmark und dient als Schutzschild für das gesamte zentrale Nervensystem.
Ein weiterer wichtiger Schutzmechanismus ist die Blut-Hirn-Schranke, die das empfindliche Gewebe im Gehirn vor schädigenden Substanzen im Blut (wie Gifte, Krankheitserreger, bestimmte Medikamente etc.) abschirmt. Die Endothel- und Gliazellen kontrollieren, welche Stoffe die Blut-Hirn-Schranke passieren dürfen.
Die fünf Hauptabschnitte des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
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- Großhirn (Telencephalon): Der größte und schwerste Teil des Gehirns, der für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Lernen, Gedächtnis und Sprache zuständig ist.
- Zwischenhirn (Diencephalon): Besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus und steuert wichtige Funktionen wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Hunger, Durst, Schmerz- und Temperaturempfinden sowie den Sexualtrieb.
- Mittelhirn (Mesencephalon): Der kleinste Abschnitt des Gehirns, der unter anderem den Wach-Schlaf-Rhythmus steuert und die Aufmerksamkeit auf bestimmte Sinneseindrücke lenken kann.
- Kleinhirn (Cerebellum): Koordiniert Bewegungen, hält das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen.
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata): Bildet den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark und steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Kreislauf und Reflexe.
Die Funktionellen Bereiche des Gehirns
Die verschiedenen Anteile des Gehirns übernehmen ganz unterschiedliche Funktionen.
Großhirn (Telencephalon)
Das Großhirn ist der größte und am höchsten entwickelte Teil des Gehirns. Es besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Die Großhirnrinde, der äußere Bereich des Großhirns, ist für Lern-, Sprech- und Denkfähigkeit sowie das Bewusstsein und das Gedächtnis verantwortlich. Hier laufen die Informationen aus den Sinnesorganen zusammen, werden verarbeitet und schließlich im Gedächtnis gespeichert.
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.
Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus. Der Thalamus ist die wichtigste Schaltstation für Informationen aus den Sinnesorganen und leitet die Signale an das Großhirn weiter, nachdem er die Informationen im Vorfeld gefiltert hat. Der Hypothalamus steuert als übergeordnetes Schaltzentrum zum Beispiel den Schlaf-Wach-Rhythmus, den Wasserhaushalt, die Schweißsekretion sowie Schmerz- und Temperaturempfinden. Er lässt sich sowohl über Nerven als auch durch Hormone beeinflussen und steht in direktem Kontakt mit der Hirnanhangsdrüse (Hypophyse).
Hirnstamm
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 steuert die Herzfrequenz, den Blutdruck und die Atmung sowie Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- oder Hustenreflex.
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Kleinhirn (Cerebellum)
Das Kleinhirn koordiniert unsere Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen. Verbindungen zur Großhirnrinde, zum Hirnstamm, zum Rückenmark und zum Gleichgewichtsorgan ermöglichen es dem Kleinhirn, seine wichtigen Funktionen zu erfüllen.
Limbisches System
Das Limbische System reguliert das Affekt- und Triebverhalten und dessen Verknüpfungen mit vegetativen Organfunktionen. Zwei wichtige Teilbereiche innerhalb des limbischen Systems sind die Amygdala (Mandelkern) und der Hippocampus. Der Hippocampus ist der Arbeitsspeicher unseres Gehirns und die Schaltstelle zwischen dem Kurz- und dem Langzeitgedächtnis.
Die Funktion des Gehirns im Detail
Ein reibungsloses Funktionieren aller Organe und Gewebe im Körper sowie ein sinnvolles Verhalten sind nur möglich, wenn alle Organfunktionen von einer übergeordneten Kontrollinstanz koordiniert und kontrolliert werden und alle Informationen, die uns die Umwelt liefert, aufgenommen, verarbeitet und beantwortet werden. Diese Aufgabe leistet unser Gehirn, das Netzwerk aus Milliarden von Nervenzellen (Neuronen).
Die Gehirnzellen 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.
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.
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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. Durch diesen Gefäßring wird sichergestellt, dass der Blutbedarf des empfindlichen Gehirns auch bei Schwankungen in der Blutzufuhr immer ausreichend ist.
Erkrankungen und Störungen des Gehirns
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.
- Epilepsie: Epilepsie ist eine Störung des Gehirns, die zu wiederholten Anfällen führen kann.
- Demenz: Demenz ist eine Erkrankung, die das Gedächtnis, das Denken und das Verhalten beeinträchtigt.
Die Plastizität des Gehirns und Lernfähigkeit
Das Gehirn ist nicht statisch, sondern besitzt die Fähigkeit, sich an neue Anforderungen anzupassen und zu verändern. Diese Eigenschaft wird als Plastizität bezeichnet. Durch die Bildung neuer Verbindungen zwischen Neuronen und die Modifikation bestehender Verbindungen kann das Gehirn 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.
Lernen und Gedächtnis
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.
Das Gedächtnis ist eine sehr wichtige Funktion des Gehirns - vom Ultrakurzzeit- über das Kurzzeit- bis zum 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.
Forschung und zukünftige Perspektiven
Das Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das noch viele Geheimnisse birgt. Wissenschaftler auf der ganzen Welt forschen intensiv, um die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen und neue Therapien für neurologische und psychiatrische Erkrankungen zu entwickeln.
Ein wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Wissenschaftler untersuchen, welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind und wie diese Verbindungen die verschiedenen Funktionen des Gehirns beeinflussen. Mithilfe moderner bildgebender Verfahren wie der Magnetresonanztomografie (MRT) können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden.
Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Plastizität des Gehirns. Wissenschaftler untersuchen, wie das Gehirn auf Schäden reagiert und wie es sich an neue Anforderungen anpassen kann. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, neue Therapien für Schlaganfallpatienten oder Menschen mit anderen neurologischen Erkrankungen zu entwickeln.
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