Das menschliche Gehirn ist ein Wunderwerk der Natur, das mit seinen etwa 100 Milliarden Nervenzellen und unzähligen Verbindungen die Grundlage für unser Denken, Fühlen und Handeln bildet. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Funktionen des Gehirns, seine Struktur und die neuesten Erkenntnisse der Neurowissenschaften.
Einführung in die Welt des Gehirns
Das Gehirn, medizinisch als Encephalon bezeichnet, ist der Teil des zentralen Nervensystems, der sich innerhalb des knöchernen Schädels befindet und diesen ausfüllt. Es ist die Steuerzentrale unseres Körpers, die lebenswichtige Abläufe koordiniert und unsere Wahrnehmung, unser Verhalten und unsere Emotionen beeinflusst.
Die Bausteine des Gehirns: Nervenzellen und Synapsen
Das Gehirn besteht aus verschiedenen Teilen und Milliarden von vernetzten Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Diese Neuronen kommunizieren über spezielle Verbindungsstellen, die Synapsen, miteinander. An diesen Synapsen werden Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen übertragen.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
Lernen findet an den Synapsen statt. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können.
Die Anatomie des Gehirns: Eine Reise durch seine Regionen
Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich beispielsweise besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet. Anatomisch fallen besonders die Bereiche ins Auge, die als Groß-, Zwischen- und Kleinhirn (Cerebellum) bezeichnet werden, sowie der Hirnstamm.
Lesen Sie auch: Tipps gegen Wetterfühligkeit
Der Hirnstamm: Das Fundament des Lebens
Der Hirnstamm ist der älteste Gehirn-Teil in der Entwicklungsgeschichte des Menschen. Er verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und reguliert lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck. Auch wichtige Körperreflexe haben hier ihren Sitz. Dazu gehören z. B. Husten, Niesen oder Schlucken.
Das Zwischenhirn: Schaltzentrale für Empfindungen und Instinkte
Das Zwischenhirn ist für viele überlebenswichtige Empfindungen und Instinkte des Menschen verantwortlich. Hier werden zum Beispiel Durst und Hunger oder der Schlaf gesteuert. Auch an der Verarbeitung von Sinneseindrücken wie Sehen, Hören oder Tasten ist das Zwischenhirn beteiligt. 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. Der Thalamus ist also ein wichtiger Informationsfilter. Er sorgt dafür, dass das Großhirn und das Bewusstsein nicht von Signalen überflutet werden.
Das Kleinhirn: Koordination und Gleichgewicht
Das Kleinhirn ist wichtig für das Gleichgewicht und die Koordination. 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 Großhirn: Sitz der höheren geistigen Fähigkeiten
Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende sogenannte Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen.
Die Großhirnrinde: Eine Landkarte der Funktionen
Die Großhirn-Rinde bedeckt die gesamte Oberfläche des Großhirns. Sie ist etwa 1,5 bis 4,5 Millimeter dick und enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns. Hier gehen wichtige Sinneseindrücke ein. Sie werden sortiert, bewusst gemacht, gespeichert und sinnvoll miteinander verknüpft. Dadurch ist es dem Menschen möglich, zielgerichtet zu handeln. In der Großhirn-Rinde sitzen auch die Wahrnehmung und der Wille. Auch wesentliche Teile unseres Gedächtnisses liegen in der Großhirn-Rinde. Denken und Erinnern sind hier verankert, willentliche Bewegungen werden gesteuert. Die Großhirn-Rinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirn-Lappen, gegliedert. Sie werden entsprechend ihrer Lage Stirn-Lappen, Schläfen-Lappen, Scheitel-Lappen und Hinterkopf-Lappen genannt. In ihnen haben Nervenzellen mit ganz bestimmten Aufgaben ihren Sitz. Man kann heute schon sehr genau sagen, wo sich einzelne Funktionen befinden, z. B. das Sprachzentrum.
Lesen Sie auch: Der Conus Medullaris: Eine detaillierte Analyse
Die linke und rechte Gehirnhälfte: Spezialisten im Team
Unser Großhirn besteht aus zwei Hälften mit unterschiedlichen Spezialisierungen. Die linke Hirnhälfte steuert die rechte Körperseite und umgekehrt. Menschen, bei denen die rechte Gehirnhälfte stärker ist, sind eher kreativ und emotional. In ihrem Kopf überwiegen die Bilder. Bei wem die linke Gehirnhälfte stärker ist, der gehört eher zu den Denkern. Besonders klug sind die Menschen, bei denen beide Hälften gut zusammenarbeiten und sich ergänzen.
Das limbische System: Zentrum der Emotionen
Zum limbischen System gehören verschiedene Teile im Zentrum des Gehirns. Es spielt eine wichtige Rolle bei Gefühlen und triebgesteuertem Verhalten (z. B. essen oder trinken). Zwei wichtige Teilbereiche innerhalb des limbischen Systems sind die Amygdala (Mandelkern) und der Hippocampus: Der Hippocampus ist der Arbeitsspeicher unseres Gehirns und die Schaltstelle zwischen dem Kurz- und dem Langzeitgedächtnis.
Die Plastizität des Gehirns: Ein Leben lang lernfähig
Bis vor wenigen Jahren galt unter Wissenschaftlern als ausgemacht: Das Gehirn eines Erwachsenen verändert sich nicht mehr. Heute weiß man jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird. Manche Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann.
Lernen wie ein Muskel: Die Stärkung neuronaler Verbindungen
Mit dem Lernen verhält es sich wie mit dem Sport: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie erledigt. Wer beispielsweise Taxi fährt, muss sich gut orientieren und Routen merken können. Durch die tägliche Arbeit wird so das Ortsgedächtnis immer besser. Das hinterlässt auch Spuren im Gehirn, zum Beispiel im Gehirn Londoner Taxifahrer: Forscher haben herausgefunden, dass in ihrem Gehirn der Hippocampus - ein für das Ortsgedächtnis zentrale Region im Gehirn - über die Jahre größer wird. Offenbar braucht ein derart trainiertes Orientierungsvermögen auch mehr Raum!
Reparaturmechanismen: Das Gehirn als Baustelle
Seine Plastizität hilft dem Gehirn zudem, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben Forscher herausgefunden, dass das Gehirn so die Schäden nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann.
Lesen Sie auch: Behandlung von Gesichtstaubheit
Die Kommunikation im Gehirn: Das Konnektom entschlüsseln
Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Einen exakten Schaltplan des Gehirns lässt sich jedoch mit der MRT-Technik nicht erstellen, dafür ist die Genauigkeit der Methode nicht hoch genug. Schließlich sitzen bis zu 10.000 Synapsen auf einer Nervenzelle, 100 Billionen sind es insgesamt. Dies zeigt, wie dicht das Kommunikationsnetz im Gehirn ist. In diesem Netz können einerseits benachbarte Nervenzellen miteinander verknüpft sein, andererseits auch Zellen, die weit voneinander entfernt sind. Die Wissenschaftler entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln können. Als Modellfälle dienen ihnen dafür Mäuse: Sie haben zum Beispiel die Verschaltung von Bereichen der Netzhaut des Auges sowie der Großhirnrinde aufgeklärt und herausgefunden, dass Nervenzellen im sogenannten entorhinalen Kortex der Großhirnrinde wie ein Transistor organisiert sind: Bevor eine Nervenzelle eine andere Zelle aktivieren kann, kontaktiert sie eine hemmende Zelle und wird so in ihrer eigenen Aktivität behindert. Anhand solcher Schaltpläne wollen Wissenschaftler lernen, wie das Gehirn funktioniert.
Forschung am Gehirn: Neue Einblicke in die Funktionsweise
An Max-Planck-Instituten arbeiten sie bereits heute daran, die Prinzipien der Informationsverarbeitung aufzuklären. Derzeit konzentrieren sie sich auf einfacher aufgebaute Gehirne, die weniger Nervenzellen und -fasern besitzen als das Gehirn des Menschen. Mäuse sind ein solcher Modellfall für Neurowissenschaftler. Sie besitzen als Säugetiere ein ähnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch. Trotz aller Ähnlichkeit zum Gehirn des Menschen gibt es natürlich auch Unterschiede. So haben Forschende des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung entdeckt, dass der Mensch ein dichtes Netz aus hemmenden Interneuronen besitzt, die mit anderen Interneuronen in Verbindung stehen. Mäuse haben dies in dieser Form nicht. Die Forschenden wollen nun die Funktion dieses Netzwerks herausfinden. Eine Möglichkeit ist, dass ein solches hemmendes Netzwerk hilft, Sinneseindrücke länger im Arbeitsgedächtnis zu halten.
Modellorganismen: Zebrafische und Fadenwürmer
Noch einfacher aufgebaut und leichter zu untersuchen ist das Gehirn von Zebrafischen und ihrer Larven. So besitzt das Gehirn einer Fischlarve nicht nur lediglich 100.000 Nervenzellen und damit eine Million Mal weniger als das des Menschen, es ist auch noch nahezu völlig transparent. Wissenschaftler können deshalb ohne operativen Eingriff mit ihren Mikroskopen ins Gehirninnere blicken. An diesem vergleichsweise einfach aufgebauten Gehirn können Forschende viel über die Arbeitsweise des Fischgehirns lernen und dabei Rückschlüsse auf die Abläufe im menschlichen Gehirn ziehen. Auch Wirbellose können ein Modell für Neurowissenschaftler sein. Ihre Nervenzellen sind zwar sehr klein, dadurch kann ihre Aktivität nicht so leicht gemessen werden. Dafür lassen sich wegen der vergleichsweise einfacheren Architektur die Prinzipien von Verschaltungen zur Wahrnehmung und Verarbeitung von Umweltreizen analysieren. So können Forscher anhand des Gehirns von Fruchtfliegen lernen, wie der Geruch von Nahrung die Fortpflanzung beeinflusst. Durch die Analyse des Sehsystems von Schmeißfliegen wollen sie herausfinden, wie die Insekten Bewegungen so unglaublich schnell wahrnehmen können. Selbst ein so einfach aufgebauter Organismus wie der Fadenwurm C. elegans kann den Forschenden helfen.
Erkrankungen des Gehirns: Wenn die Schaltzentrale aus dem Takt gerät
Das menschliche Gehirn ist ein empfindliches Organ, das anfällig für verschiedene Störungen und Krankheiten sein kann. Einige der häufigsten Störungen des Gehirns sind: Schlaganfall, Epilepsie und Demenz.
Psychische Erkrankungen: Das Gehirn im Ungleichgewicht
Psychosen gehören zu den schwerwiegendsten psychischen Erkrankungen, Früherkennung ist hier besonders wichtig. Kann künstliche Intelligenz Krankheiten erkennen? Krankheiten wie Depressionen, Bipolare Störungen oder Schizophrenie hingegen beruhen auf einer gestörten Balance des Gehirns.
Das Gehirn fit halten: Tipps und Tricks für ein gesundes Denkorgan
Mit zunehmendem Alter schrumpft die Hirnsubstanz, und die Denkleistung nimmt ab. Die Weitergabe von Signalen zwischen Nervenzellen wird langsamer, und die Gehirnblutversorgung nimmt ab. Durch gezielte Denkarbeit soll das Gehirn weiterhin gefordert und gewohnte Denkmuster durchbrochen werden. Doch auch andere Faktoren spielen eine wichtige Rolle: ausreichend Schlaf, ausgewogene Ernährung und regelmäßige Bewegung sind die Grundlage für einen gesunden Lebensstil. Aktivitäten wie Musizieren, Tanzen oder das Erlernen einer neuen Fremdsprache fordern das Gehirn auf besondere Weise heraus. Sie fördern die Neuroplastizität, also die Fähigkeit des Gehirns, sich anzupassen und neue Verbindungen zu bilden. Auch intensive soziale Kontakte wirken sich positiv auf das Gehirn aus. Bleiben Sie aktiv durch Weiterbildungen, sei es beruflich oder in der Freizeit. Radiohören, Puzzeln und Museumsbesuche sind ebenfalls förderlich.
Gehirnjogging: Training für die grauen Zellen?
Anbieter sogenannter Gehirnjoggings greifen diese Idee inzwischen auf und bieten Übungen an, die die Lern- und Gedächtnisleistung erhöhen sollen. Viele Wissenschaftler bezweifeln aber, dass Gehirnjogging-Übungen die generelle Leistungsfähigkeit des Gehirns steigern. Sie gehen davon aus, dass sich der Trainingseffekt nur auf die unmittelbar trainierte Aufgabe auswirkt.