Das Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das als Steuerzentrale des menschlichen Körpers fungiert. Es verarbeitet Sinneseindrücke und Informationen und sendet Botschaften an alle Körperbereiche zurück. Doch das Gehirn ist weit mehr als eine Maschine; hier liegen die Wurzeln der Intelligenz, des Denkens und Fühlens.
Allgemeine Anatomie des Gehirns
Unser Denkorgan ist ungefähr so groß wie zwei geballte Fäuste und wiegt etwa 1,5 Kilogramm. Von außen ähnelt das Gehirn durch Windungen und enge Spalten einer überdimensionalen Walnuss. Das Gehirnvolumen (Mensch) 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.
Gehirnzellen und Gliazellen
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.
Hirnhäute
Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater, Arachnoidea und Pia mater.
Hauptbereiche des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
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- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
Das Großhirn (Telencephalon)
Das Großhirn ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Es macht etwa 85 Prozent der gesamten Gehirnmasse aus. Das Großhirn besteht aus einer rechten und einer linken Gehirnhälfte. Beide sind durch ein dickes Bündel aus Nervenfasern verbunden, dem Balken (Corpus callosum). Dieser Abschnitt beschreibt den Aufbau des Großhirns und wie es mit allen anderen Funktionseinheiten des Zentralnervensystems (ZNS) zusammenarbeitet.
Funktion der Hemisphären
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. Im Großhirn ist die Hirnrinde der linken Gehirnhälfte für die Sprache verantwortlich. Die Hirnrinde der rechten Gehirnhälfte vermittelt dem Gehirn die räumliche Stellung des Körpers - beispielsweise, wo sich der Fuß gerade befindet.
Lappen des Großhirns
Jede Gehirnhälfte besteht wiederum aus sechs Bereichen (Lappen) mit unterschiedlichen Funktionen: den Stirnlappen (Frontallappen), Scheitellappen (Parietallappen), Schläfenlappen (Temporallappen) und Hinterhauptslappen (Okzipitallappen). Hinzu kommt der Insellappen (Lobus insularis), der tief in der seitlichen Großhirnfurche verborgen liegt und von außen nicht sichtbar ist.
- Stirnlappen (Frontallappen): Hier befinden sich die beiden Rindenfelder, die die motorische Rinde (Areas 4 und 6) bilden. Ein weiteres Rindenfeld (Area 8) gilt als das Blickzentrum für willkürliche Augenbewegungen. Schädigungen im Bereich der ganz vorn und an der Unterseite liegenden Rindengebiete des Frontallappens haben manchmal schwere Persönlichkeitsveränderungen zur Folge.
- Scheitellappen (Parietallappen): Hier liegt unter anderem die Postzentralregion. verschiedene Formen der Agnosie. Primäre somatosensorische Felder im Scheitellappen nehmen die Sinnesinformation über Berührung, Vibration, Druck, Dehnung oder Schmerz auf, verarbeiten sie und leiten sie an „höhere“ Rindenfelder weiter, wo dann zum Beispiel aus der Berührung eines Gegenstandes eine Vorstellung über dessen Form entsteht.
- Schläfenlappen (Temporallappen): Im hinteren Bereich der oberen Schläfenlappenwindung (Gyrus temporalis superior) der dominanten Hemisphäre liegt das sensorische oder Wernicke Sprachzentrum, bei dessen Schädigung eine Störung des Wortverständnisses eintritt (sensorische Aphasie). Im Schläfenlappen liegt auch der Hippocampus, eine Sehpferdchen-förmige Struktur, die hauptsächlich für die Gedächtnisbildung zuständig ist.
- Hinterhauptslappen (Okzipitallappen): Area 17 bildet die Endigungsstätte aller Sehbahnen, die Sehrinde. Schädigungen im Bereich des Hinterhauptslappens (zum Beispiel durch einen okzipitalen Hirntumor) können zu einer Rindenblindheit führen.
- Insellappen (Lobus insularis): viele verschiedene Funktionen, z.B.
Funktion des Großhirns
Das Großhirn kontrolliert Bewegungen und verarbeitet Sinneseindrücke von außen. Hier entstehen bewusste und unbewusste Handlungen und Gefühle. Es ist außerdem für Sprache und Hören, Intelligenz und Gedächtnis verantwortlich. Im Cortex entsteht aus den Signalen der Sinnesorgane und vorgeschalteter Hirnregionen ein zusammenhängender Eindruck der Umwelt. Zudem kann er Informationen speichern und bildet damit die biologische Grundlage unseres Gedächtnisses.
Graue und weiße Substanz
Die graue Substanz liegt außen und bildet die Großhirnrinde, die weiße Substanz liegt innen und bildet das Marklager. Etwa 90 Prozent des Cortex bestehen aus dem evolutionär jungen Neocortex, der durchgehend aus sechs Zellschichten aufgebaut ist. Zieht man das innen Großhirnmark - vor allem bestehend aus Nervenfasern und den darin eingebetteten Basalganglien (Nuclei basales) - ab, bleibt die Großhirnrinde, eine zwei bis fünf Millimeter dicke Schicht, die als graue Substanz bezeichnet wird.
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Basalganglien
Die Basalganglien oder Stammganglien sind Gruppen von Nervenzellkernen (also graue Substanz), die in der Tiefe der weißen Substanz beider Hemisphären liegen. Man unterscheidet verschiedene Basalganglien (bezeichnet zum Beispiel als Claustrum, Globus pallidum oder Corpus striatum).
Das Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn liegt zwischen Großhirn und Hirnstamm. Es besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus.
Thalamus
Der Thalamus teilt dem Großhirn unter anderem Sinneseindrücke der Haut, der Augen und der Ohren mit. Den Thalamus kannst du dir als „Tor zum Bewusstsein“ vorstellen. Seine Funktion ist die Sammlung fast aller Sinneswahrnehmungen und die Weiterleitung an das primär sensorische Rindenfeld im Scheitellappen des Großhirns.
Hypothalamus
Der Hypothalamus reguliert zum Beispiel Hunger, Durst und Schlaf und kontrolliert zusammen mit der Hirnanhangdrüse (Hypophyse) den Hormonhaushalt. 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, wie z. B.
Hypophyse
Die Hypophyse ist mit dem Hypothalamus über einen Stiel verbunden.
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Der Hirnstamm
Im unteren Schädelbereich befindet sich die Hirnbasis, die - entsprechend der knöchernen Schädelbasis - stärker modelliert ist. Hier liegt der Hirnstamm. Der Hirnstamm ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und besteht aus Mittelhirn, Medulla oblongata und Brücke (Pons).
Funktion des Hirnstamms
Der Hirnstamm schaltet Informationen vom Gehirn zum Kleinhirn und dem Rückenmark um und kontrolliert Bewegungen der Augen sowie die Mimik. Er ist für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig. Er steuert die Herzfrequenz, den Blutdruck und die Atmung sowie Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- oder Hustenreflex. 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. Diese sind z. B.
Mittelhirn (Mesencephalon)
Das Mesencephalon ist der kleinste Abschnitt des Gehirns.
Medulla oblongata (Myelencephalon)
Das auch als Nachhirn bezeichnete Meyelencephalon stellt den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark dar. Im Nachhirn überkreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften.
Das Kleinhirn (Cerebellum)
Oberhalb des Hirnstamms und unterhalb der beiden Großhirnhemisphären sitzt das Kleinhirn.
Funktion des Kleinhirns
Das Kleinhirn koordiniert unsere Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen. 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 Kleinhirn (Cerebellum) liegt an der Basis des Schädels unter dem Hinterhauptlappen des Großhirns. Es stimmt Bewegungen aufeinander ab und speichert Abläufe, sodass nach einiger Übung bestimmte Bewegungen automatisch erfolgen. Verbindungen zur Großhirnrinde, zum Hirnstamm, zum Rückenmark und zum Gleichgewichtsorgan ermöglichen es dem Kleinhirn, seine wichtigen Funktionen zu erfüllen. Das Cerebellum gibt keine Bewegungsimpulse, vielmehr stimmt es Bewegungen fein ab, erhält die Muskelspannung und das Gleichgewicht. Wie das Großhirn hat auch das Cerebellum eine Rinde; in ihr liegt die graue Substanz des Kleinhirns: die Zellkörper der Nervenzellen.
Blutversorgung des Gehirns
Das Gehirn muss ständig mit genügend Sauerstoff, Glukose und weiteren Nährstoffen versorgt werden. Deshalb ist es besonders gut durchblutet. 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.
Arterien des Gehirns
- Die vordere Hirnarterie (Arteria cerebri anterior) versorgt das Gewebe hinter der Stirn und im Bereich des Scheitels.
- Die mittlere Hirnarterie (Arteria cerebri media) ist für die Seite und weiter innen liegende Gehirnbereiche wichtig. Die vordere und die mittlere Hirnarterie zweigen von der inneren Halsschlagader ab.
- Die hintere Hirnarterie (Arteria cerebri posterior) versorgt den Hinterkopf und den unteren Bereich des Gehirns sowie das Kleinhirn. Sie wird mit Blut aus den Wirbelarterien gespeist.
Circulus arteriosus cerebri
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.
Blut-Hirn-Schranke
Die feinsten Aufzweigungen (Kapillaren) der Hirnarterien geben zwar Sauerstoff und Nährstoffe aus dem Blut an die Gehirnzellen ab - für andere Stoffe sind sie jedoch weniger durchlässig als vergleichbare Blutgefäße im übrigen Körper. Fachleute nennen diese Eigenschaft „Blut-Hirn-Schranke“. Sie kann das empfindliche Gehirn zum Beispiel vor im Blut gelösten Schadstoffen schützen.Die Blut-Hirn-SchrankeDas empfindliche Gewebe im Gehirn ist durch die Blut-Hirn-Schranke gegen schädigende Substanzen im Blut (wie Gifte, Krankheitserreger, bestimmte Medikamente etc.) abgeschirmt.
Abtransport von Blut
„Verbrauchtes“ - also sauerstoffarmes - Blut wird über die Gehirnvenen abtransportiert. Sie leiten es in größere Blutgefäße, die sogenannten Sinusse. Die Sinuswände sind durch harte Hirnhaut verstärkt, die die Gefäße gleichzeitig aufspannen.
Weitere wichtige Aspekte
Energieverbrauch des Gehirns
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.
Ventrikelsystem und Liquor
Das Gehirn weist mehrere Hohlräume (Hirnkammern) auf, in denen der Liquor zirkuliert und die zusammen das Ventrikelsystem bilden. Der Liquor ist die Flüssigkeit, welche das Gehirn und auch das Rückenmark schützend umgibt.
Entwicklung des Gehirns
Die embryonale Entwicklung des Gehirns aus dem Neuralrohr zeichnet sich einerseits durch ein besonderes Größenwachstum aus, andererseits durch ein ungleichmäßiges Dickenwachstum der Wand und besondere Knickstellen. Dadurch wird das Gehirn schon frühzeitig in mehrere Abschnitte unterteilt.
Hirnnerven
Dem Gehirn entspringen zwölf paarige Nerven, die den Kopf, den Hals und Organe im Rumpf versorgen.
Funktionsweise des Gehirns
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.
Hirntätigkeit sichtbar machen
Die Hirntätigkeit können Wissenschaftler teilweise anhand der begleitenden Stoffwechselvorgänge sichtbar machen. Dies ist zum Beispiel möglich, indem sie den Sauerstoff- oder Zuckerverbrauch des Gehirns beobachten. Hierbei handelt es sich um funktionelle Untersuchungen des zerebralen (von: Cerebrum) Stoffwechsels.
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.
- 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.
Plastizität des Gehirns
Das Gehirn ist nicht statisch, sondern besitzt die Fähigkeit, sich im Laufe des Lebens zu verändern und anzupassen. Diese Eigenschaft wird als Plastizität bezeichnet. So können wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache und Yoga lernen, uns Gesicht und Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria. Synapsen übertragen nicht nur elektrische Signale von einer Nervenzelle zur nächsten, sie können die Intensität des Signals auch verstärken oder abschwächen. 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. Wissenschaftler erforschen an verschiedenen Max-Planck-Instituten, wie das Gehirn und seine Nervenzellen plastisch bleiben.