Das menschliche Gehirn: Funktion und Aufbau – Ein komplexes Wunderwerk

Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das unser Denken, Verhalten und Empfinden steuert und beeinflusst. Es ist der natürliche Computer der Superlative: Mit rund 86 Milliarden Neuronen (Nervenzellen) und ebenso vielen Neuroglia (Gliazellen) ist das menschliche Gehirn die komplizierteste anatomische Struktur, die es gibt. Es ist die Steuerzentrale für lebenswichtige Abläufe im Körper und ermöglicht es uns, bis ins hohe Alter aktiv zu bleiben und unsere Lernfähigkeit zu behalten. Man kann sich das Gehirn wie eine Art Steuerzentrale vorstellen, deren Hauptaufgabe darin besteht, überlebenswichtige Vorgänge wie die Atmung, das Überleben, die Wahrnehmung und den Schlaf-Wach-Rhythmus zu regulieren.

Anatomie des Gehirns: Eine Übersicht

Das Gehirn befindet sich im Schädel und besteht aus einer rechten und einer linken Hälfte. Die beiden Gehirnhälften sind über einen Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden. Das Corpus callosum dient dem Austausch von Informationen zwischen den beiden Gehirnhälften. Das Gehirn wird durch die Schädelknochen und durch die drei Schichten der Hirnhaut (Dura mater, Arachnoidea und Pia mater) geschützt. Die Dura mater ist die äußere Schicht, die eine barriereähnliche Funktion hat, um das Gehirn vor äußeren Verletzungen zu schützen.

Grob lässt sich das menschliche Gehirn in fünf Abschnitte gliedern:

• Großhirn (Telencephalon)
• Zwischenhirn (Diencephalon)
• Mittelhirn (Mesencephalon)
• Kleinhirn (Cerebellum)
• Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)

Das Großhirn (Cerebrum)

Das Großhirn (Cerebrum) wird auch als Telencephalon bezeichnet. Es nimmt rund 80 Prozent der gesamten Hirnmasse ein und bildet den vordersten Bereich des menschlichen Gehirns. Das Großhirn ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Zum Großhirn gehört die Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Mit ihren Furchen und Windungen ähnelt die Großhirnrinde einer Walnuss. Der innere Teil des Großhirns, der vom Kortex umgeben ist, wird als weiße Substanz (Substantia alba) bezeichnet. Die Großhirnrinde hat eine Dicke von zwei bis fünf Millimetern und besteht aus einer äußeren Schicht (Isocortex oder Neocortex) und einer inneren Schicht (Allocortex).

Die Großhirnrinde besteht aus Nervenzellen und sogenannten Gliazellen, die den Raum zwischen den Nervenzellen und den Blutgefäßen ausfüllen. Die Nervenzellen verfügen über Fortsätze (Axone), die die weiße Substanz ausmachen. Dank dieser Axone ist die lokale ebenso wie die überregionale Vernetzung der Gehirnzellen möglich.

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Jede Gehirnhälfte des Großhirns ist in vier Bereiche eingeteilt: Frontallappen, Parietallappen, Temporallappen, Okzipitallappen.

• Der Frontallappen (Stirnlappen) befindet sich im vorderen Bereich des Großhirns. Er kontrolliert die Bewegungen und führt kognitive Prozesse aus.
• Der Parietallappen (Scheitellappen) ist ein primär sensorisches Rindenfeld und ist für somatosensorische Funktionen zuständig.
• Im Temporallappen (Schläfenlappen) befindet sich das Sprachzentrum, das für das Verständnis und die Verarbeitung von Sprache eine wichtige Rolle spielt. Der mittlere Teil des Temporallappens enthält den Hippocampus, der für das Gedächtnis von größter Bedeutung ist. Im Hippocampus werden Informationen aus dem Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis überführt.
• Der Okzipitallappen (Hinterhauptlappen) ist der hinterste und auch kleinste der vier Hirnlappen.

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 Windungen und Furchen des Gehirns sind nicht gleichmäßig verteilt. Die größten Furchen werden als Längs-, Quer- und Seitenfurchen bezeichnet und als Trennlinien genutzt, um die vier Hirnlappen anatomisch voneinander zu unterscheiden.

Das Kleinhirn (Cerebellum)

Das Kleinhirn (auch Cerebellum genannt) befindet sich im unteren hinteren Bereich des Schädels. 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.

Das Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn (Diencephalon) 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. 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. Der Hypothalamus kontrolliert den Hormonhaushalt. Damit stellt er sozusagen die Verbindung zwischen Hormon- und Nervensystem dar. Er steuert wichtige Funktionen, wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten. Der Hypothalamus ist verbunden mit der Hypophyse. Sie ist die Hormondrüse am Gehirn.

Der Hirnstamm (Truncus cerebri)

Der Hirnstamm (Truncus cerebri) 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 ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und 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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Wie funktioniert das Gehirn?

Das Gehirn übernimmt alle lebenswichtigen Funktionen unserer 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. Das Gehirn ist also sehr komplex und übernimmt viele unterschiedliche Aufgaben. Daher gibt es viele verschiedene Gehirnregionen mit speziellen Aufgaben, die zusammen arbeiten müssen.

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.

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. Das Gehirn arbeitet wie ein großer Computer. Es verarbeitet Sinneseindrücke und Informationen des Körpers und schickt Botschaften in alle Bereiche des Körpers zurück. Doch das Gehirn kann weit mehr als eine Maschine: Mit dem Gehirn denkt und fühlt der Mensch, hier liegen die Wurzeln seiner Intelligenz.

Lateralisation und Gehirnfunktion

Bei der Gehirnfunktion spielt die Lateralisation eine wichtige Rolle. Dies bedeutet, dass bestimmte Prozesse bevorzugt in einer der beiden Gehirnhälften des Organismus stattfinden. So ist beispielsweise die linke Gehirnhälfte bei der Sprachproduktion sowie beim Lösen mathematischer Aufgaben ausschlaggebend. Die rechte Gehirnhälfte hingegen dominiert bei der räumlichen Wahrnehmung und der Gesichtserkennung.

Die 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.

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Energieverbrauch und Gehirnkapazität

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. Die Gehirnkapazität ist deutlich größer als die, die wir im Alltag tatsächlich nutzen. Das bedeutet: Ein Großteil unserer Gehirnkapazität ist ungenutzt.

Die Entwicklung des Gehirns

Das Gehirn eines Embryos entwickelt sich etwa ab der vierten Schwangerschaftswoche. Dazu bilden sich aus dem vorderen Teil Neuralrohr drei bläschenförmige Erweiterungen aus. Bereits in dieser frühen Entwicklungsphase wird das Gehirn also in unterschiedliche Abschnitte eingeteilt. Aus den drei ersten Bläschen bilden sich das Vorder-, das Mittel- und das Rautenhirn. Im Laufe der Entwicklung gehen daraus dann weitere Hirnbläschen hervor, welche die restlichen Gehirnabschnitte bilden.

Synaptische Plastizität: Die Grundlage für Lernen und Gedächtnis

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.

Erkrankungen des Gehirns

Das Gehirn, der Supercomputer, ist zwar durch die Schädelknochen geschützt, aufgrund seiner Empfindlichkeit jedoch auch sehr anfällig für Erkrankungen.

• Der Schlaganfall ist die am häufigsten auftretende Erkrankung des Gehirns. Schlaganfälle entstehen dadurch, dass eine Region des Gehirns durch den Verschluss eines Hirngefäßes nicht mit ausreichend Sauerstoff versorgt werden kann. Es kommt zu einem Blutgerinnsel oder zu einer Blutung aufgrund eines geplatzten Gefäßes.
• Die leichteste Form der Gehirnerkrankung ist die Gehirnerschütterung.
• 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.
• Auch die Demenz, die eine Verminderung der kognitiven Leistungen zur Folge hat, entsteht durch Veränderungen im Gehirn. Am weitesten verbreitet ist im Schnitt der Morbus Alzheimer.
• Gehirntumore können in jedem Alter auftreten. Ihre Vielfalt ist sehr groß, sie können gut- ebenso wie bösartig sein.

Gehirn und Intelligenz: Gibt es einen Zusammenhang?

Durchschnittlich wiegt das Gehirn eines Erwachsenen 1,5 Kilo. Man geht davon aus, dass das Gehirn rund 10 Prozent des Körpergewichts ausmachen. 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.

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