Das Gehirn ist die zentrale Steuereinheit des Körpers und spielt eine entscheidende Rolle für unsere Wahrnehmung, unser Verhalten und unsere kognitiven Fähigkeiten. Es ist ein komplexes Organ, das aus Milliarden von Nervenzellen besteht, die miteinander kommunizieren und Informationen austauschen. In diesem Artikel werden wir den Aufbau und die Funktion des Gehirns im Detail untersuchen.
Einführung
Das Gehirn, auch Cerebrum oder Encephalon genannt, ist der Teil des zentralen Nervensystems (ZNS), der sich innerhalb des knöchernen Schädels befindet und diesen ausfüllt. Es koordiniert lebenswichtige Körperfunktionen und ermöglicht uns das Denken, Fühlen und Handeln. Über hin- und wegführende Nervenbahnen ist das Gehirn mit unserem gesamten Körper verbunden. Die Länge aller Nervenbahnen unseres Gehirns zusammen beträgt ungefähr 5,8 Millionen Kilometer.
Aufbau des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Hauptabschnitte gliedern:
- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
Großhirn (Telencephalon)
Das Großhirn ist der größte und am höchsten entwickelte Teil des Gehirns. Es nimmt rund 80 Prozent der gesamten Hirnmasse ein und bildet den vordersten Bereich des menschlichen Gehirns. Mit seinen Falten und Furchen ähnelt es einem Walnusskern. Die Großhirnrinde (Kortex) bedeckt die gesamte Oberfläche des Großhirns und ist etwa 1,5 bis 4,5 Millimeter dick. Sie enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns.
Funktionen des Großhirns:
- Verarbeitung von Sinnesinformationen: Die Großhirnrinde ist der Ort, an dem wichtige Sinneseindrücke eingehen. Sie werden sortiert, bewusst gemacht, gespeichert und sinnvoll miteinander verknüpft.
- Steuerung von Bewegungen: Der motorische Bereich der Großhirnrinde steuert und koordiniert Muskelbewegungen.
- Höhere kognitive Funktionen: Das Großhirn ermöglicht die sogenannten „höheren“ Hirnfunktionen, wie Motivation, Lernen, Denken oder Verstehen.
- Sprache: Bestimmte Bereiche der Großhirnrinde sind für Sprache, Rechnen und Empfindungen zuständig.
Die Großhirnrinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirn-Lappen, gegliedert:
- Stirnlappen (Frontallappen): Kontrolliert Bewegungen und führt kognitive Prozesse aus. Schädigungen im Bereich der ganz vorn und an der Unterseite liegenden Rindengebiete des Frontallappens haben manchmal schwere Persönlichkeitsveränderungen zur Folge.
- Scheitellappen (Parietallappen): Ist ein primär sensorisches Rindenfeld und ist für somatosensorische Funktionen zuständig. Hier liegt unter anderem die Postzentralregion.
- Schläfenlappen (Temporallappen): Hier befindet sich das Sprachzentrum, das für das Verständnis und die Verarbeitung von Sprache eine wichtige Rolle spielt. Im mittleren Teil des Temporallappens befindet sich der Hippocampus, der für das Gedächtnis von größter Bedeutung ist.
- Hinterhauptlappen (Okzipitallappen): Ist der hinterste und auch kleinste der vier Hirnlappen. Hier liegt die Sehregion (Area 17 bildet die Endigungsstätte aller Sehbahnen, die Sehrinde).
Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn liegt zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn. Es besteht unter anderem aus dem Thalamus, dem Hypothalamus und der Hypophyse.
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Funktionen des Zwischenhirns:
- Filterung von Informationen: Das Zwischenhirn filtert eingehende Informationen, bevor es sie an das Großhirn weiterleitet.
- Steuerung vegetativer Funktionen: Im Zwischenhirn werden beispielsweise vegetative Funktionen wie Körpertemperatur, das Hunger- und Durstgefühl sowie das Sexualverhalten gesteuert.
- Hormonelle Regulation: Der Hypothalamus kontrolliert den Hormonhaushalt und stellt sozusagen die Verbindung zwischen Hormon- und Nervensystem dar. Er ist verbunden mit der Hypophyse, die die Hormondrüse am Gehirn ist.
Bestandteile des Zwischenhirns:
- Thalamus: 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.
- Hypothalamus: Der Hypothalamus regelt zahlreiche automatische Vorgänge im Körper. Dazu gehören die Körpertemperatur, der Wasser- und Salz-Haushalt oder auch die Magen-Darm-Funktion. Er ist auch am Entstehen des Durst-, Hunger- und Sättigungs-Gefühls beteiligt.
- Hypophyse: Gemeinsam mit der Hirn-Anhang-Drüse (Hypophyse) reguliert der Hypothalamus wichtige Hormone im Körper. Die Hypophyse produziert Wirkstoffe (Hormone), die in die Blutbahn abgegeben werden und dann über den Blutkreislauf zu ihren Wirkorten gelangen.
Mittelhirn (Mesencephalon)
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 (Cerebellum)
Das Kleinhirn liegt unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Genau wie das Großhirn, lässt sich auch das Kleinhirn in zwei Hemisphären einteilen. Zwischen den beiden Hälften liegt der Kleinhirnwurm.
Funktionen des Kleinhirns:
- Koordination von Bewegungen: Verantwortlich für den richtigen Ablauf aller Körperbewegungen.
- Gleichgewicht: Massgeblich an der Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes beteiligt.
- Speicherung erlernter Bewegungsabläufe: Steuert bereits gelernte Bewegungsabläufe. Hier werden bestimmte Bewegungsabfolgen wie Tanzschritte oder das Schalten beim Autofahren gespeichert.
Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
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.
Wie funktioniert das Gehirn?
Das Gehirn übernimmt alle lebenswichtigen Funktionen unseres 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 im Gehirn
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.
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Nervenzellen und Synapsen
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 Synapsen können dabei nutzungsabhängig optimiert und verändert werden. Der Prozess heißt auch neuronale oder synaptische Plastizität. Das beantwortet zum Beispiel die Frage „Wie lernt das Gehirn?“. Denn Lernfähigkeit kommt dadurch zustande, dass durch ständiges Wiederholen entsprechende Synapsen verstärkt werden.
Blutversorgung des Gehirns
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:
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- Innere Halsschlagader (Arteria carotis interna)
- Arteria vertebralis
Diese Arterien sind durch weitere Arterien 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.
Blut-Hirn-Schranke
Um zu verhindern, dass schädliche 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.
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.
Häufige 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.
Die Bedeutung der Vernetzung im Gehirn
Intelligenz hängt nicht so sehr von der Größe des Gehirns ab. Vielmehr ist entscheidend, wie gut die einzelnen Nervenzellen 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.
Die synaptische Plastizität gilt als Grundlage von Gedächtnis und Lernen. Als synaptische Plastizität bezeichnet man die Fähigkeit, Signale zur Übertragung von Informationen zwischen zwei Nervenzellen variieren zu können. 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.