Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das als Steuerzentrale unseres Körpers fungiert. Es ermöglicht uns zu denken, zu fühlen, zu lernen und uns zu bewegen. In diesem Artikel werden wir den Aufbau und die Funktion des Gehirns detailliert untersuchen und die verschiedenen Bereiche und ihre jeweiligen Aufgaben beleuchten.
Einführung in die Komplexität des Gehirns
Der Mensch ist ein komplexes Gebilde, in dem unzählige Funktionen gleichzeitig und teilweise abhängig voneinander ablaufen. Damit dies reibungslos funktioniert und beispielsweise das Auge der Hand sagen kann, wo der Kaffee steht, bedarf es einer übergeordneten Instanz, die Informationen schnell und effizient verarbeitet und die zusammenhängenden Abläufe koordiniert. Diese Instanz ist unser Gehirn.
Das Gehirn ist eine riesige Ansammlung von Nervenzellen, die miteinander verknüpft sind. Diese Nervenzellen werden auch Neuronen genannt, und die Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen heißen Synapsen. Die Neuronen sind in ein stützendes Gewebe eingebettet, das als Gliazellen bezeichnet wird. Die Neuronen kommunizieren ständig miteinander, indem sie Informationen aus dem Körper oder der Umwelt in Form von Hormonen über das Blut oder als elektrische Impulse über Nervenbahnen ins Gehirn leiten. Dort werden diese Informationen bewertet und verarbeitet, und das Gehirn sendet als Antwort Signale zurück.
Um seine Funktion erfüllen zu können, benötigt unser Gehirn Energie in Form von Glukose. Obwohl das Denkorgan des Menschen nur etwa 2 % des Körpergewichts ausmacht, verbraucht es etwa 20 % der Energie. Im erwachsenen Gehirn haben die Gehirnzellen den höchsten Energiebedarf und benötigen eine kontinuierliche Zufuhr von Glukose aus dem Blut. Glukose - oder Traubenzucker - kann dem Körper über die Nahrung direkt zugeführt werden.
Die Hauptbestandteile des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Hauptabschnitte gliedern:
Lesen Sie auch: Faszination Nesseltiere: Wie sie ohne Gehirn leben
- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Hirnstamm (Truncus cerebri)
Jeder dieser Abschnitte hat spezifische Funktionen und trägt zur Gesamtleistung des Gehirns bei.
Der Hirnstamm: Das Fundament des Lebens
Der Hirnstamm (Truncus cerebri oder Truncus encephali) ist der entwicklungsgeschichtlich älteste Teil des Gehirns. Er verbindet das Rückenmark mit dem restlichen Gehirn. Durch den Hirnstamm verlaufen wichtige Nervenleitungen, die dafür sorgen, dass eingehende Sinneseindrücke aus dem Körper an das Großhirn weitergeleitet werden. Umgekehrt gelangen über sie auch Informationen vom Großhirn zu den Nervenzellen des Rückenmarks. Diese auf- bzw. absteigenden Informationen werden im Hirnstamm über Kreuz weitergeleitet. Daher ist die rechte Gehirnhälfte für die linke Körperhälfte zuständig und umgekehrt.
Der Hirnstamm wird in drei Abschnitte unterteilt:
- Verlängertes Rückenmark (Medulla oblongata): Hier werden lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck geregelt.
- Brücke (Pons): Sie dient als Verbindungsstück zwischen dem verlängerten Rückenmark und dem Mittelhirn und ist an der Steuerung von Schlaf, Atmung, Schlucken, Blasenfunktion, Gehör, Geschmack, Augenbewegungen, Gesichtsausdruck, Gesichtsempfindungen und Körperhaltung beteiligt.
- Mittelhirn (Mesencephalon): Es ist an der Steuerung von Augenbewegungen, auditorischer und visueller Verarbeitung sowie der motorischen Kontrolle beteiligt.
Das Zwischenhirn: Schaltzentrale für Empfindungen und Instinkte
Das Zwischenhirn (Diencephalon) liegt zwischen Großhirn und Hirnstamm. Es ist für viele überlebenswichtige Empfindungen und Instinkte verantwortlich und regelt zum Beispiel den Schlaf-Wach-Rhythmus. Es besteht aus zwei Hauptstrukturen:
- Thalamus: Er ist ein wichtiger Informationsfilter. Äußere Sinneseindrücke - mit Ausnahme des Geruchssinns - werden darin verarbeitet und bewertet. Ausschließlich relevante Informationen werden an das Großhirn weitergeleitet, wo sie uns bewusst werden. 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: Er regelt zahlreiche automatisch ablaufende Körpervorgänge, zum Beispiel die Körpertemperatur oder die Magen-Darm-Funktion. Er ist auch für unser Durst-, Hunger- und Sättigungsgefühl zuständig. 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.
Das Kleinhirn: Koordination und Gleichgewicht
Das Kleinhirn (Cerebellum) liegt an der Basis des Schädels oberhalb des Hirnstamms und unterhalb des Großhirns. Obwohl es nur etwa ein Sechstel des Volumens des Großhirns besitzt, verfügt es über fünfmal mehr Neuronen.
Lesen Sie auch: Lesen Sie mehr über die neuesten Fortschritte in der Neurowissenschaft.
Das Kleinhirn ist wichtig für unser Gleichgewicht. Gemeinsam mit dem Großhirn koordiniert es die Muskeln und ist damit für Bewegungen zuständig. Während das Großhirn vorrangig bewusste Bewegungen koordiniert, arbeitet das Kleinhirn unbewusst. Es steuert bereits gelernte Bewegungsabläufe, die direkt aus dem Kleinhirn abgerufen werden. So können wir zum Beispiel laufen, ohne darüber nachzudenken. Das Kleinhirn ist vor allem für das Gleichgewicht und die Steuerung von erlernten Bewegungsabläufen verantwortlich.
Das Großhirn: Sitz der höheren Hirnfunktionen
Das Großhirn (Telencephalon) ist entwicklungsgeschichtlich der jüngste Teil des menschlichen Gehirns, zugleich aber der größte. Es macht ungefähr 80 Prozent der gesamten Hirnmasse aus und ist Sitz der sogenannten höheren Hirnfunktionen, wie Lernen, Denken, Erinnern oder Verstehen.
Die Großhirnrinde bedeckt die gesamte Großhirnoberfläche und enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns. Hier gehen die vom Thalamus vorsortierten Sinneseindrücke ein, werden weiter sortiert, bewusst gemacht und sinnvoll miteinander verknüpft. Die Großhirnrinde ist der Sitz zielgerichteten Handelns, der Wahrnehmung und des Willens. Auch wesentliche Teile unseres Gedächtnisses sind hier zu finden.
Die Großhirnrinde ist in verschiedene Unterbereiche gegliedert, sogenannte Gehirnlappen. Diese sind entsprechend ihrer Lage benannt:
- Stirnlappen (Frontallappen): zuständig für Handlungsplanung, Entscheidungsfindung, soziale Interaktion und willkürliche Bewegungen. Im Frontallappen liegt unter anderem die Präzentralregion. Hier befinden sich die beiden Rindenfelder, die die motorische Rinde (Areas 4 und 6) bilden. Die motorische Rinde ist das Hauptursprungsgebiet der Nachrichtenvermittlung für Muskelaktivitäten. 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.
- Schläfenlappen (Temporallappen): zuständig für auditive Verarbeitung, Gedächtnis, Spracherkennung und das Erkennen von Objekten. In den Schläfenlappen liegt unter anderem die Hör- und die Sprachregion. 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). Man nimmt außerdem an, dass die Schläfenlappenrinde eine wichtige Rolle der bewussten und unbewussten Verfügbarkeit der eigenen Vergangenheit und der in ihr gemachten Erfahrungen spielt, ohne die man sich in seiner Umwelt nicht zurechtfinden würde. Im Schläfenlappen liegt auch der Hippocampus, eine Sehpferdchen-förmige Struktur, die hauptsächlich für die Gedächtnisbildung zuständig ist. Bei einem Hirntumor im Schläfenlappen (temporaler Hirntumor) können unter anderem Hör- und/oder Sprachstörungen auftreten. Ist der Hippocampus mitbetroffen, sind oft Gedächtnisstörungen die Folge.
- Scheitellappen (Parietallappen): zuständig für sensorische Verarbeitung, räumliche Wahrnehmung, Navigation und Aufmerksamkeit. Im Scheitellappen (Parietallappen) liegt unter anderem die Postzentralregion. verschiedene Formen der Agnosie.
- Hinterhauptslappen (Okzipitallappen): zuständig für visuelle Verarbeitung. Im Hinterhauptslappen liegt die Sehregion (siehe Sehzentrum in Abbildung oben). 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.
Das Großhirnmark besteht aus den Fortsätzen der Nervenzellen der Großhirnrinde, den sogenannten Axonen.
Lesen Sie auch: Tinnitus und Gehirnaktivität: Ein detaillierter Einblick
Die Hirnventrikel und der Liquor
Das Gehirn weist mehrere Hohlräume auf, sogenannte Hirnkammern. Sie sind Teil des Ventrikelsystems, das aus vier Hirnkammern besteht, die über Öffnungen und einen Verbindungsgang miteinander verbunden sind. Darin zirkuliert Liquor. Das ist eine Flüssigkeit, die das Gehirn umgibt und es vor mechanischen Krafteinwirkungen schützt. Über das Ventrikelsystem und den Liquor wird das Gehirn mit Nährstoffen versorgt.
Die Hemisphären des Gehirns
Wenn wir ein Gehirn betrachten, lässt es sich rein optisch in zwei Hälften - oder Hemisphären - unterteilen. Es ist jedoch nur das Großhirn, das zweigeteilt ist. Die wichtigste Verbindung der beiden Hemisphären ist der Corpus callosum, der oft einfach Balken genannt wird.
Die linke Gehirnhälfte übernimmt überwiegend rationale Leistungen, wie Sprache, Logik und analytisches Denken. Die rechte Gehirnhälfte ist für unsere emotionale und kreative Seite zuständig, einschließlich räumlicher Wahrnehmung, Mustererkennung und künstlerischem Ausdruck.
Schmerzempfinden im Gehirn
Das Gehirn selbst kennt keinen Schmerz - es hat keine Schmerzrezeptoren. Trotzdem können wir Kopfschmerzen haben, da sich entsprechende Rezeptoren um das Gehirn herum verteilen, zum Beispiel in den Hirnhäuten, die das Gehirn schützend umgeben.
Die Mechanismen der Migräne-Kopfschmerzen sind in den letzten Jahrzehnten intensiv erforscht worden, aber sie sind bis heute nicht in allen Einzelheiten geklärt. Mediziner gehen jedoch davon aus, dass überaktive Nervenzellen im Hirnstamm dazu führen, dass bestimmte Fasern des Gesichtsnervs (Nervus trigeminus) Schmerzsignale an das Gehirn senden. Das verursacht eine vermehrte Ausschüttung spezieller Botenstoffe, die eine Dehnung der Blutgefäße bewirken und die Gefäßwände für Blutflüssigkeit durchlässig machen. Außerdem werden Entzündungsproteine freigesetzt. Die Folge: Es kommt zu einer Aufschwemmung des Hirngewebes sowie der Hirnhäute, der sogenannten neurogenen Entzündung.
Die Gehirnzellen: Neuronen und Gliazellen
Das Gehirn besteht aus einer Vielzahl von Gehirnzellen, wobei die wichtigsten und häufigsten die Nervenzellen (Neurone) sind. Von ihnen gibt es im menschlichen Gehirn ungefähr 200 Milliarden. Der Körper der Nervenzelle misst etwa 5 bis 100 Mikrometer (1 Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter). Die Nervenzellfortsätze verjüngen sich auf einen Durchmesser von etwa einem Mikrometer. Am Ende des Axons befinden sich die Endplatten. Dort, wo sie die benachbarte Zelle berühren, bilden sich Synapsen aus.
Die Gehirnzellen tauschen Informationen untereinander durch chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) über die Synapsen aus. Je mehr Synapsen eine Nervenzelle hat, desto mehr Informationen kann sie übertragen. Nervenzellen teilen sich nach der Geburt nicht mehr.
Die Nervenzellen werden von den sogenannten Gliazellen umhüllt. Gliazellen machen etwa 50 Prozent der gesamten Hirnmasse aus. Die meisten Hirntumoren entstehen aus diesen Gliazellen (sog. Gliome, z. B. Astrozyten haben für den Stoffwechsel und die Versorgung des Gehirns eine wichtige Funktion und sind am Aufbau der Blut-Hirn-Schranke beteiligt. Oligodendrozyten bilden die Markscheiden um die Nervenzellfortsätze, die Ependymzellen kleiden die Gehirnkammern (Ventrikel) aus.
Die Hirnhäute: Schutz des Gehirns
Das Gehirn muss in besonderem Maße vor Verletzungen geschützt werden. Es wird von drei Hirnhäuten (Meningen) umgeben:
- Dura mater (harte Hirnhaut): Sie ist die äußerste und dickste Hirnhaut.
- Arachnoidea (Spinngewebshaut): Hier verlaufen zahlreiche Blutgefäße. Sie liegt zwischen der Dura mater und der Pia mater.
- Pia mater (weiche Hirnhaut): Sie ist die innerste und dünnste Hirnhaut, die direkt auf dem Gehirn aufliegt.
Zwischen der Arachnoidea und der Pia mater befindet sich der Subarachnoidalraum, der mit Liquor gefüllt ist.
Die 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 vier Hauptarterien:
- Die vordere Hirnarterie (Arteria cerebri anterior): Sie versorgt das Gewebe hinter der Stirn und im Bereich des Scheitels.
- Die mittlere Hirnarterie (Arteria cerebri media): Sie ist für die Seite und weiter innen liegende Gehirnbereiche wichtig.
- Die hintere Hirnarterie (Arteria cerebri posterior): Sie versorgt den Hinterkopf und den unteren Bereich des Gehirns sowie das Kleinhirn.
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.
Funktionelle Karte des Gehirns
Mit dem heutigen Wissen lässt sich eine sogenannte funktionelle Karte des Gehirns erstellen. So weiß man, dass im Stirnhirn die Funktionen von Intelligenz, Sprache (motorisches Sprachzentrum), die Persönlichkeitsmerkmale sowie die Bewegungssteuerung zu finden sind. Zellen des Schläfenlappens sind wichtig für das Gedächtnis, für Gefühle und Emotionen. Der Schläfenlappen beherbergt zudem die Hörrinde und das Sprachverständnis.
Im Hirnstamm befinden sich Nervenbahnen, die das Gehirn mit dem Rückenmark verbinden. Weiterhin liegt dort das Atemzentrum. Es regelt die Atmung, das Herz-Kreislauf-System und den Blutdruck. Die Hirnanhangsdrüse (Hypophyse) schüttet Hormone oder Vorstufen von Hormonen in die Blutbahn aus. Das Kleinhirn hält Bewegungsprogramme bereit und stimmt Bewegungsabläufe ab.
Da sich die meisten Hirnleistungen einer bestimmten anatomischen Hirnregion zuordnen lassen, weisen bestimmte Ausfälle - etwa Bewegungsstörungen, Sprachstörungen oder Sehstörungen - bereits auf krankhafte Veränderungen eines bestimmten Hirnareals hin. Dabei kann es sich zum Beispiel um Durchblutungsstörungen (Schlaganfall) oder gut- oder bösartige Gewebeneubildungen handeln.