In unseren Köpfen befindet sich die wohl komplexeste Struktur des Universums: das Gehirn. Trotz seiner enormen Komplexität sind die grundlegenden Prinzipien, nach denen seine Bausteine - die Nervenzellen oder Neuronen - funktionieren, verständlich. Auch die grundlegende Organisation der Gehirnneuronen in Bahnen und Strukturen lässt sich auf einer relativ einfachen Ebene verstehen, auch wenn eine detaillierte Beschreibung der vielfältigen neuronalen Schaltkreise noch aussteht.
Ziel dieser breit angelegten Einführung ist es, den umfangreichen Fundus unseres Wissens über das Zentralnervensystem und seine Leistungen - von den Molekülen bis zum Bewusstsein - auf einem allgemeinverständlichen Niveau zu präsentieren.
Überblick über die Gehirnstruktur und -funktion
Das Gehirn ist die Steuerzentrale für lebenswichtige Abläufe im Körper und besteht aus verschiedenen Teilen und Milliarden von vernetzten Nervenzellen. Es steuert alle wichtigen Fähigkeiten des Menschen: was wir wahrnehmen und empfinden, was wir wissen und denken oder wie wir uns verhalten. Es stellt aber auch sicher, dass unsere Organe richtig arbeiten und steuert all unsere Bewegungen. Es nimmt Sinneseindrücke auf und verarbeitet sie. Außerdem speichert es Informationen im Gedächtnis und ruft sie bei Bedarf wieder ab.
Man unterscheidet verschiedene Bereiche im Gehirn, wobei jeder Bereich auf bestimmte Aufgaben spezialisiert ist.
Der Hirnstamm
Der Hirnstamm ist der älteste Gehirn-Teil in der Entwicklungsgeschichte des Menschen und verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark. Zum Hirnstamm werden drei Hirn-Abschnitte gerechnet: verlängertes Mark, Mittelhirn und Brücke. Durch den Hirnstamm verlaufen wichtige Nerven-Bahnen. Sie sorgen dafür, dass eingehende Sinneseindrücke aus dem Körper an das Großhirn weitergeleitet werden. Umgekehrt leiten sie auch Informationen vom Großhirn zu den Nervenzellen des Rückenmarks. Außerdem regelt der Hirnstamm lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck. Auch wichtige Körperreflexe haben hier ihren Sitz.
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Das Zwischenhirn
Das Zwischenhirn ist für viele überlebenswichtige Empfindungen und Instinkte des Menschen verantwortlich. Hier werden zum Beispiel Durst und Hunger oder der Schlaf gesteuert. Auch an der Verarbeitung von Sinneseindrücken wie Sehen, Hören oder Tasten ist das Zwischenhirn beteiligt.
Der Thalamus ist die wichtigste Schaltstation für Informationen aus den Sinnesorganen. Äußere Sinneseindrücke wie Sehen, Hören oder Tasten gehen hier ein. Hier werden sie verarbeitet und bewertet - jedoch, ohne dass sie uns bereits bewusst sind. Wichtige Informationen werden an das Großhirn weitergeleitet und dort bewusst gemacht. Der Thalamus ist also ein wichtiger Informationsfilter. Er sorgt dafür, dass das Großhirn und das Bewusstsein nicht von Signalen überflutet werden.
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.
Weitere wichtige Gehirnstrukturen
Im Hirnstamm, genauer gesagt im verlängerten Mark, kreuzen sich viele Nerven-Fasern. So kommt es, dass die Nerven-Fasern aus der linken Hirnhälfte die Muskeln der rechten Körperhälfte mit Signalen versorgen und umgekehrt.
Zum limbischen System gehören verschiedene Teile im Zentrum des Gehirns. Es spielt eine wichtige Rolle bei Gefühlen und triebgesteuertem Verhalten (z. B. essen oder trinken).
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Das Kleinhirn ist wichtig für das Gleichgewicht und die Koordination. Gemeinsam mit dem Großhirn steuert es die Muskeln und somit die Bewegungen. Außerdem sorgt es ganz wesentlich mit dafür, dass die Muskel-Spannung des Körpers erhalten bleibt. Während das Großhirn vorrangig für bewusste Bewegungen zuständig ist, steuert das Kleinhirn bereits gelernte Bewegungsabläufe. Hier werden bestimmte Bewegungsabfolgen wie Tanzschritte oder das Schalten beim Autofahren gespeichert.
Das Großhirn
Das Großhirn ist der jüngste Gehirn-Teil in der Entwicklungsgeschichte des Menschen. Es ist zugleich der größte Teil des menschlichen Gehirns. Das Großhirn ermöglicht die sogenannten „höheren“ Hirnfunktionen, wie Motivation, Lernen, Denken oder Verstehen.
Die Großhirn-Rinde bedeckt die gesamte Oberfläche des Großhirns. Sie ist etwa 1,5 bis 4,5 Millimeter dick und enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns. Hier gehen wichtige Sinneseindrücke ein. Sie werden sortiert, bewusst gemacht, gespeichert und sinnvoll miteinander verknüpft. Dadurch ist es dem Menschen möglich, zielgerichtet zu handeln. In der Großhirn-Rinde sitzen auch die Wahrnehmung und der Wille. Auch wesentliche Teile unseres Gedächtnisses liegen in der Großhirn-Rinde. Denken und Erinnern sind hier verankert, willentliche Bewegungen werden gesteuert.
Die Großhirn-Rinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirn-Lappen, gegliedert. Sie werden entsprechend ihrer Lage Stirn-Lappen, Schläfen-Lappen, Scheitel-Lappen und Hinterkopf-Lappen genannt. In ihnen haben Nervenzellen mit ganz bestimmten Aufgaben ihren Sitz. Man kann heute schon sehr genau sagen, wo sich einzelne Funktionen befinden.
Unterhalb der Großhirn-Rinde verlaufen die Fortsätze der Nervenzellen. Sie übertragen Informationen. Unterhalb des Großhirns liegen auch die Basal-Ganglien. Das sind sehr dichte Verbünde von Nervenzellen.
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Nervenzellen und ihre Kommunikation
Manche vergleichen das Gehirn mit einem Hochleistungs-Computer. Es kann Reize aus der Umgebung und dem Körperinneren aufnehmen, Reaktionen und Verhalten steuern oder auch Wissen speichern und verarbeiten. Dies passiert mithilfe von Nerven-Zellen.
Nerven-Zellen haben einen kleinen Körper und sehr lange, faden-artige Fortsätze. Man nennt sie Axone und Dendriten. Diese können sich durch das gesamte Gehirn ziehen. Über diese Ausläufer können Nerven-Zellen sich miteinander verbinden und kommunizieren. Nerven-Zellen tauschen Informationen an speziellen Verbindungs-Stellen aus. Man nennt diese Verbindungs-Stellen Synapsen. Nerven-Zellen besitzen oft unzählige solcher Synapsen. Dementsprechend kann eine einzelne Nerven-Zelle im Gehirn Tausende Kontakte mit anderen Nerven-Zellen aufbauen. Durch den wiederholten Informationsaustausch zwischen den Nerven-Zellen können sich die Verknüpfungen verstärken.
Die Rolle der Nervenzellen bei der Informationsverarbeitung
Die neuronale Informationsverarbeitung in Nervenzellen erfolgt durch präzise gesteuerte elektrische und chemische Prozesse. Der komplexe Prozess der Reizaufnahme und -verarbeitung beginnt mit der Aufnahme eines Umweltreizes durch spezialisierte Rezeptoren. Das zentrale Nervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark, verarbeitet diese elektrischen Signale und koordiniert entsprechende Reaktionen.
Die Struktur einer Nervenzelle ist perfekt an ihre Funktion der Signalverarbeitung angepasst. Der Dendrit dient als Empfangsstation für Signale von anderen Neuronen. Das Axon, umgeben von isolierenden Hüllzellen (Myelinscheide), leitet die elektrischen Impulse weiter. Die Ranvierschen Schnürringe ermöglichen dabei eine besonders schnelle Weiterleitung des elektrischen Potentials. Die räumliche und zeitliche Summation von Signalen erfolgt im Soma, wo verschiedene eingehende Reize verrechnet werden. Die synaptische Übertragung ist ein fundamentaler Prozess der Neuronalen Informationsverarbeitung.
Das Membranpotential
Das Membranpotential einer Nervenzelle ist ein fundamentaler Mechanismus der neuronalen Informationsverarbeitung. Die Lipiddoppelschicht der Zellmembran fungiert als isolierende Barriere für Ionen, wodurch eine Ungleichverteilung von Ladungen entsteht. Das Ruhepotential entsteht durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen zwischen dem Zellinneren und dem Außenmedium. Die Natrium-Kalium-Pumpe spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials. Die räumliche und zeitliche Summation von Ionenströmen ist entscheidend für die Signalverarbeitung in Neuronen. Das Aktionspotential ist der zentrale Mechanismus der neuronalen Informationsverarbeitung.
Erregungsleitung
Bei marklosen Axonen erfolgt die Erregungsleitung kontinuierlich und ohne Abschwächung entlang der Axonmembran. Das Besondere hierbei ist, dass die Amplitude des Aktionspotentials konstant bleibt, da es an jeder Stelle der Membran durch den gleichen Mechanismus neu generiert wird. Ein wichtiger Aspekt der Erregungsleitung ist die Refraktärzeit der Natriumkanäle, die eine unidirektionale Ausbreitung des Signals vom Axonhügel zu den Synapsen gewährleistet. Dies ermöglicht eine verlustfreie Informationsübertragung über beliebige Strecken.
Die saltatorische Erregungsleitung stellt eine evolutionäre Optimierung der neuronalen Signalübertragung dar. Die Myelinscheiden, die das Axon umgeben, wirken als elektrische Isolatoren und ermöglichen eine deutlich schnellere Signalübertragung im Vergleich zu marklosen Axonen.
Synaptische Übertragung
Die neuronale Verschaltung zwischen den Nervenzellen erfolgt über spezialisierte Kontaktstellen, die Synapsen. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt und auf die nachfolgende Zelle übertragen.
Selbstgesteuertes Lernen und Gehirnfunktionen
Selbstgesteuertes Lernen, in der Fachliteratur auch als selbstreguliertes Lernen bezeichnet, bedeutet Verantwortung für den eigenen Lernfortschritt zu übernehmen. Gedanken, Gefühle und Handlungen müssen an die Lernziele angepasst werden. Empirisch belegt werden konnte, dass selbstgesteuertes Lernen gefördert bzw. trainiert werden kann. Am erfolgreichsten ist die Verknüpfung der Selbststeuerungsförderung mit den jeweils zu verbessernden fachlichen Inhalten bzw. Kompetenzen. Das bedeutet für den Schulalltag, in möglichst vielen Unterrichtsfächern selbstgesteuertes Lernen fachspezifisch zu trainieren.
Intelligenz und Vernetzung
Der Mensch besitzt - bezogen auf das Körpergewicht - das größte Gehirn unter den Säugetieren. Vor allem das Großhirn ist beim Menschen deutlich besser ausgebildet als bei seinen haarigen Verwandten. Hier sitzen viele Nerven-Zellen, die eng miteinander vernetzt sind.
Intelligenz hängt nicht so sehr von der Größe des Gehirns ab. Vielmehr ist entscheidend, wie gut die einzelnen Nerven-Zellen und Gehirn-Bereiche miteinander vernetzt sind. Die Haupt-Verbindungen im Gehirn entwickeln sich schon vor der Geburt. Aus der Gehirn-Forschung weiß man aber, dass sich neue Kontakte zwischen Nerven-Zellen über das gesamte Leben ausbilden. Auch alte Verknüpfungen können sich verändern.
Fazit
Das Gehirn ist ein faszinierendes Organ, dessen Komplexität uns immer wieder aufs Neue überrascht. Von den grundlegenden Funktionen der Nervenzellen bis hin zur Steuerung komplexer Verhaltensweisen - das Gehirn ist die Grundlage unseres Denkens, Fühlens und Handelns. Das Verständnis der Gehirnfunktionen ist entscheidend, um die biologischen Mechanismen der Verhaltenssteuerung zu verstehen und die moderne Hirnforschung voranzutreiben.