Das menschliche Gehirn ist eines der faszinierendsten und komplexesten Organe des menschlichen Körpers. Es steuert unser Denken, Verhalten und Empfinden und beeinflusst diese maßgeblich. Als Schaltzentrale ist es für viele kognitive Funktionen verantwortlich, während seine Plastizität es ihm ermöglicht, sich an neue Herausforderungen und Erfahrungen anzupassen.
Das menschliche Gehirn: Eine Übersicht
Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, das aus Milliarden von Neuronen und Gliazellen besteht. Es wiegt durchschnittlich 1,5 Kilogramm, ist etwa so groß wie zwei Fäuste und ähnelt in seiner Form dem Inneren einer Walnuss. Zwar macht das Gehirn nur zwei bis drei Prozent der Gesamtmasse unseres Körpers aus, verbraucht aber 20 % seiner Energie. Unser Körper versorgt damit etwa 86 Milliarden Neuronen sowie die gleiche Anzahl an Gliazellen. Der Speicherplatz des Gehirns wird auf ein Petabyte geschätzt, das sind 1.000.000 Gigabyte.
Das Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
Großhirn (Telencephalon)
Das Großhirn, auch Cerebrum genannt, ist der größte Teil des Gehirns und macht etwa 85 % des Gesamtvolumens aus. Es besteht aus zwei Hälften, den sogenannten Hemisphären, die durch eine tiefe Fissur getrennt sind. Jede Hemisphäre besteht aus vier Lappen: dem Frontallappen (Stirnlappen), dem Parietallappen (Scheitellappen), dem Temporallappen (Schläfenlappen) und dem Okzipitallappen (Hinterhauptlappen). Durch ihre dichte Vernetzung elektrischer Signalwege ermöglichen sie komplexe Hirnfunktionen wie Bewegung, Sinneswahrnehmung, Sprache und Gedächtnis.
Die Oberfläche des Großhirns besteht aus zahlreichen Windungen und Furchen, die auch als Gyri und Sulci bezeichnet werden. Diese komplexe Struktur erhöht die Oberfläche des Gehirns und ermöglicht es, eine große Anzahl von Neuronen auf kleinem Raum unterzubringen und somit die Leistungsfähigkeit des Gehirns zu erhöhen. Die größten Furchen werden als Längs-, Quer- und Seitenfurchen bezeichnet und als Trennlinien genutzt, um die vier Hirnlappen anatomisch voneinander zu unterscheiden. Die Anzahl und das Muster von Windungen und Furchen im Gehirn können auch durch Umweltfaktoren beeinflusst werden.
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Dem Großhirn werden verschiedene Funktionen zugeschrieben: der rechten Hemisphäre der musische Bereich, die räumliche Wahrnehmung und die Kreativität, der linken Hälfte mehr das mathematisch-logische Denken, die Sprache und das Konzentrieren auf einen Punkt. Die beiden Gehirnhälften sind für die jeweils gegenüberliegende Körperhälfte zuständig.
Kleinhirn (Cerebellum)
Das Kleinhirn befindet sich unterhalb des Großhirns und ist für die Koordination von Bewegungen und die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zuständig. Neue Studien zeigen, dass es außerdem an Lernprozessen und weiteren kognitiven Prozessen beteiligt ist. Es hat eine charakteristische, feine Oberflächenstruktur, die aus vielen kleinen Furchen und Windungen besteht. Trotz seiner im Vergleich zum Großhirn wesentlich geringeren Größe enthält das Kleinhirn die meisten Nervenzellen - rund 70 Milliarden. Genau wie das Großhirn verfügt auch das Kleinhirn über eine Hirnrinde. Außerdem ist auch das Cerebellum in eine rechte und eine linke Hälfte geteilt. Die Hauptaufgabe des Kleinhirns besteht darin, Bewegungsabläufe zu steuern und zu koordinieren. So haben wir es beispielsweise dem Kleinhirn zu verdanken, wenn unser Gleichgewicht hergestellt und die Körperhaltung aufrechterhalten wird. Jede Bewegung unseres Körpers wird vom Kleinhirn blitzschnell analysiert.
Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn liegt zwischen dem Großhirn und dem Hirnstamm. Seine größte Struktur, der Thalamus, filtert eingehende Signale von unseren Sinnesorganen und leitet sie dann an das Großhirn weiter. Der kleinere Hypothalamus liegt darunter und steuert durch Hormone primitive Funktionen wie unsere Körpertemperatur, Sexualverhalten, Hunger, Durst und Schlaf. Das Zwischenhirn enthält den Thalamus, den Hypothalamus und die Zirbeldrüse. Es filtert eingehende Informationen, bevor es sie an das Großhirn weiterleitet. Der Thalamus beinhaltet graue Substanz und ist für die Sammlung von Sinneswahrnehmungen zuständig, die er an den Parietallappen des Großhirns weiterleitet. Der Hypothalamus steuert den Hormonhaushalt und agiert sozusagen als Brücke zwischen Hormon- und Nervensystem. Er übernimmt die Steuerung von Funktionen wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten. Der Hypothalamus ist mit der Hypophyse verbunden, die die Ausschüttung von Hormonen im Körper reguliert.
Hirnstamm (Truncus cerebri)
Der Hirnstamm befindet sich unterhalb des Zwischenhirns und ist der Übergangsbereich zwischen dem Gehirn und dem Rückenmark. Er umfasst eine Vielzahl von Kerngebieten, die für lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Herzfrequenz und Blutdruckregulation verantwortlich sind. Der Hirnstamm dient als Verbindung zwischen Rückenmark und Großhirn. Er besteht aus dem Mittelhirn (Mesencephalon), der Brücke (Pons) und dem verlängerten Mark (Medulla oblongata). Der Hirnstamm ist für eine Vielzahl überlebenswichtiger Funktionen zuständig. Er koordiniert automatische Abläufe wie die Atmung und den Herzschlag, außerdem kontrolliert er auch Reflexe wie Husten, Harndrang, Erbrechen und Schlucken.
Der Hirnstamm, der entwicklungsgeschichtlich älteste Teil des Gehirns, ist für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig. Er steuert die Herzfrequenz, den Blutdruck und die Atmung sowie Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- oder Hustenreflex.
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Rechte und linke Hemisphäre
Das Gehirn lässt sich in eine rechte und eine linke Gehirnhälfte unterteilen. Diese beiden Hälften sind allerdings über einen dicken Strang Nervenfasern, dem Corpus callosum, verbunden und arbeiten zusammen. Jede Hemisphäre besteht dabei aus einer Großhirn-, einer Zwischenhirn- und einer Kleinhirnhälfte, die auf Funktionen spezialisiert sind, aber gleichzeitig kontinuierlich miteinander kommunizieren. Das Großhirn beherbergt den motorischen Kortex, der Signale an die Muskeln sendet und Bewegungen steuert. Hierbei übernimmt jeweils eine Seite des Gehirns eine Hälfte des Körpers. Interessant ist, dass jeweils die entgegengesetzte Seite gesteuert wird. Das heißt, die rechte Gehirnhälfte steuert die linke Seite des Körpers. Diese Organisation führt bei einem Schlaganfall dazu, dass es bei einer Schädigung des rechten motorischen Kortex’ zu einer Lähmung in der linken Körperhälfte kommt.
Aufbau des Nervensystems
Das Nervensystem des menschlichen Körpers besteht aus Neuronen, Gliazellen und Synapsen. Neuronen sind spezialisierte Zellen, die Signale in Form von elektrischen Impulsen empfangen, verarbeiten und weiterleiten. Sie bestehen aus einem Zellkörper, Dendriten und einem Axon. Dendriten empfangen Signale von anderen Neuronen und leiten sie an den Zellkörper weiter. Das Axon sendet Signale an andere Neuronen oder an Muskeln oder Drüsen. Gliazellen sind Zellen, die das Gehirn und das Rückenmark umgeben und unterstützen. Sie liefern den Neuronen Nährstoffe und Sauerstoff, entfernen Abfallprodukte und helfen, die Neuronen zu schützen. Gliazellen tragen auch dazu bei, dass sich Neuronen bei Verletzungen wieder regenerieren. Synapsen sind die Verbindungen zwischen Neuronen. Sie ermöglichen es Neuronen, Signale zu senden und zu empfangen. Synapsen funktionieren durch die Freisetzung von Neurotransmittern aus dem “Senderneuron”, die an Rezeptoren auf einem “Empfängerneuron” binden. Dieser Prozess erzeugt ein elektrisches Signal im Empfängerneuron, das in seinem Zellkern mit den Signalen von anderen Synapsen integriert wird. Synapsen sind der Ort, an dem Informationen im Gehirn verarbeitet werden und Lernen und Gedächtnisbildung stattfinden. Insgesamt arbeiten Neuronen und Gliazellen zusammen, um ein komplexes Netzwerk zu bilden, das die Grundlage für die Informationsverarbeitung im Gehirn bildet. Über die Synapsen tauschen die Gehirnzellen im Kopf untereinander Informationen aus. Als Synapsen werden die Kontaktstellen zwischen den Neuronen bezeichnet. Neurotransmitter (chemische Botenstoffe) übertragen die Informationen. Man geht von rund 100 Milliarden Synapsen im menschlichen Gehirn aus. Statistisch wäre somit jedes Neuron mit 1.000 anderen verbunden und von jedem anderen Neuron aus in nur vier Schritten zu erreichen. Nicht nur die Neuronen sind an der Weitergabe von Informationen beteiligt: Auch die sie umgebenden Gliazellen spielen hierbei eine wichtige Rolle. Sie stellen Nährstoffe bereit und absorbieren verschüttete Neurotransmitter. Rund die Hälfte der gesamten Hirnmasse besteht aus Gliazallen.
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. 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 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. Bevor die drei Arterien in „ihre“ Hirnregionen ziehen und sich dort in kleinere Äste verzweigen, liegen sie nahe beieinander unterhalb des Gehirns. Hier sind sie über kleinere Blutgefäße miteinander verbunden - ähnlich wie in einem Kreisverkehr. Auch an weiter entfernten Stellen gibt es Verbindungswege zwischen den einzelnen Arterien. Das hat den Vorteil, dass Durchblutungsstörungen im Gehirn bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden können: Wenn zum Beispiel ein Arterienast allmählich immer enger wird, kann über diese „Umwege“ (sogenannte Kollateralen) trotzdem Blut in den betroffenen Hirnbereich fließen. 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. „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.
Liquor und Ventrikelsystem
Der Liquor ist die Flüssigkeit, welche das Gehirn und auch das Rückenmark schützend umgibt. Das Gehirn weist mehrere Hohlräume (Hirnkammern) auf, in denen der Liquor zirkuliert und die zusammen das Ventrikelsystem bilden.
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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.
Steuerung des Körpers durch das Gehirn
Von einfachen Handgriffen bis zu komplexen Tanzschritten - das Gehirn steuert, meist automatisch, alle unsere Bewegungen. Dabei arbeiten die verschiedenen Bereiche des Gehirns nahtlos zusammen. Auch das Rückenmark spielt hierbei eine Schlüsselrolle. Es fungiert als Schnittstelle zwischen dem Gehirn und unserem Körper, leitet Signale an die Muskeln und ist für einfache Reflexe verantwortlich. Das Rückenmark und das Gehirn arbeiten eng zusammen, um das reibungslose Funktionieren des Körpers zu gewährleisten. Das Rückenmark ist ein Teil des zentralen Nervensystems und dient als Verbindung zwischen dem Gehirn und den peripheren Nerven des Körpers. Es verläuft entlang der Wirbelsäule und besteht aus Nervenfasern, die Signale vom Gehirn zu den Muskeln und Drüsen des Körpers übertragen. Das Gehirn ist das Kontrollzentrum des Körpers und sendet ständig Signale an das Rückenmark, um Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag, Verdauung und Bewegung zu regulieren. Diese Signale werden entlang des Rückenmarks weitergeleitet und führen zur Aktivierung der entsprechenden Muskeln oder Drüsen. Zusätzlich werden über das Rückenmark auch Signale an das Gehirn gesendet, um Informationen über Schmerzen, Berührungen und andere sensorische Reize zu übermitteln. Dieses Zusammenspiel zwischen Rückenmark und Gehirn ermöglicht es dem Körper, auf seine Umgebung zu reagieren und seine Funktionen zu regulieren. Insgesamt ist die Zusammenarbeit von Rückenmark und Gehirn von großer Bedeutung für das reibungslose Funktionieren des Körpers. Die Verbindung zwischen Gehirn und Körper ist von entscheidender Bedeutung für unser alltägliches Leben. Das Gehirn ist das Kontrollzentrum des Körpers, welches alle Körperfunktionen steuert, einschließlich der Bewegungen, der Sinneswahrnehmung und der Organtätigkeit. Es kommuniziert mit den Sinnesorganen, den Skelettmuskeln, den Drüsen und der glatten, von uns nicht bewusst steuerbaren Muskulatur, wie von Blutgefäßen, der Lunge und Verdauungsorgane. Diese Kommunikation läuft fast ausschließlich über die Nervenbahnen im Rückenmark.
Kognitive Funktionen und Plastizität im Gehirn
Das menschliche Gehirn ist nicht nur für die Steuerung des Körpers verantwortlich, sondern auch für eine Vielzahl von kognitiven Funktionen wie Lernen, Gedächtnis, Sprache und Entscheidungsfindung. Diese kognitiven Funktionen beruhen auf komplexen neuronalen Netzwerken, die sich im Laufe des Lebens entwickeln und verändern.
Die Plastizität des Gehirns ist eine faszinierende Eigenschaft, die es dem Gehirn ermöglicht, sich an neue Herausforderungen, Veränderungen und Erfahrungen anzupassen. Das Gehirn kann durch die Bildung neuer Verbindungen zwischen Neuronen und die Modifikation bestehender Verbindungen 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. Beispielsweise kann sich das Gehirn nach einem Schlaganfall oder einer Verletzung aufgrund von neuroplastischen Mechanismen regenerieren. Wenn ein Teil des Gehirns beschädigt wird, können andere Teile des Gehirns die Funktionen dieses beschädigten Bereichs übernehmen. Darüber hinaus kann das Gehirn auch in der Lage sein, neue Verbindungen zwischen Neuronen zu bilden, um verlorene Funktionen wiederzugewinnen. Die Plastizität des Gehirns spielt auch eine wichtige Rolle beim Lernen und Gedächtnis. Wenn wir etwas lernen, werden neue neuronale Verbindungen gebildet und bestehende Verbindungen verstärkt. Durch diese Veränderungen kann das Gehirn Informationen schneller und effektiver verarbeiten, wodurch wir unsere kognitiven Fähigkeiten verbessern. Darüber hinaus kann die Plastizität des Gehirns auch durch körperliche Aktivität und Umgebung beeinflusst werden. Wenn wir unser Gehirn regelmäßig durch kognitive Aktivitäten oder körperliches Training herausfordern, kann dies die Neubildung von neuronalen Verbindungen und die Verbesserung kognitiver Fähigkeiten wie Gedächtnis, Aufmerksamkeit und Problemlösung fördern.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der kognitiven Funktionen des Gehirns ist das Gedächtnis. Das Gehirn ist in der Lage, Erinnerungen zu speichern und abzurufen, indem es verschiedene Formen von Gedächtnissen verwendet: Das Arbeitsgedächtnis, Kurzzeitgedächtnis und 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.
Das Gehirn ist auch entscheidend für die Sprachfunktionen des Menschen, einschließlich der Fähigkeit, Sprache zu verstehen, zu sprechen und zu lesen. Die Sprachfunktionen des Gehirns sind hauptsächlich in der linken Hemisphäre lokalisiert und umfassen verschiedene Regionen, darunter das Broca-Areal und das Wernicke-Areal. Das Broca-Areal ist für die Sprachproduktion zuständig, während das Wernicke-Areal das Verständnis von Sprache ermöglicht. Das Broca-Areal liegt im Stirnlappen, während das Wernicke-Areal im Schläfenlappen liegt. Sie sind durch eine dicke Nervenfaser, den fasciculus arcuatus, verbunden. Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass dieses Nervenbündel nur im menschlichen Gehirn so tief in den Schläfenlappen reicht. Bei anderen Säugetieren, unter anderem unserem nächsten Verwandten, dem Schimpansen, ist der fasciculus arcuatus kürzer und kann so keine Verbindung zwischen den beiden Arealen herstellen. Dies könnte erklären, wieso der Mensch als einziges Lebewesen über Sprache kommuniziert.
Störungen und Krankheiten 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. Schlaganfälle können zu Lähmungen, Sprachproblemen und Gedächtnisverlust führen.
- Epilepsie: Epilepsie ist eine Störung des Gehirns, die zu wiederholten Anfällen führen kann. Während eines Anfalls können Betroffene Krämpfe, Bewusstseinsverlust und andere Symptome erleiden.
- Demenz: Demenz ist eine Erkrankung, die das Gedächtnis und andere kognitive Funktionen beeinträchtigt. Die Alzheimer-Krankheit ist die häufigste Ursache für Demenz.
- Parkinson: Parkinson entsteht dadurch, dass bestimmte Hirnzellen im Organ absterben. Es kommt zu einer verminderten Ausschüttung des Botenstoffes Dopamin, was zu einer Störung der Motorik führt. Typisch ist eine unwillkürliche Anspannung der Muskulatur, die sich in den für die Erkrankung typischen Zitterbewegungen offenbart.
- Gehirntumore: Gehirntumore können in jedem Alter auftreten. Ihre Vielfalt ist sehr groß, sie können gut- ebenso wie bösartig sein.
- Gehirnerschütterung: Die leichteste Form der Gehirnerkrankung ist die Gehirnerschütterung.