Das Gehirn ist ein komplexes Organ, das als Steuerzentrale des Körpers fungiert. Es verarbeitet Sinneseindrücke, koordiniert Bewegungen und Verhaltensweisen und speichert Informationen. Es ist das komplizierteste Organ, das die Natur je hervorgebracht hat: 100 Milliarden Nervenzellen und ein Vielfaches davon an Kontaktpunkten verleihen ihm Fähigkeiten, an die kein Supercomputer bis heute heranreicht.
Aufbau des Gehirns
Das Nervensystem lässt sich räumlich in das periphere und das Zentralnervensystem einteilen. Das Zentralnervensystem wiederum gliedert sich in das Rückenmark und das Gehirn. Das Gehirn ist der Teil des Zentralnervensystems, welches sich im Kopf befindet. Es befindet sich bei uns Menschen im Kopf, gut geschützt durch die knöcherne Schädeldecke. Im Bereich des Hinterkopfs geht das Gehirn in das Rückenmark über. Das Nervengewebe des Gehirns ist von drei verschiedenen Hirnhäuten (Meningen) geschützt, bevor es vom Schädel umgeben wird. Sie setzen sich außerhalb unseres Gehirns in den Rückenmarkshäuten fort.
Das Gehirn wird von der Schädelhöhle vor mechanischen Einflüssen geschützt. Bindehautgewebsschichten innerhalb des Schädels, sogenannte Hirnhäute, umgeben das Gehirn. Eine große Öffnung der Schädelhöhle ermöglicht dem Gehirn in das Rückenmark überzugehen. Das Gehirn wird in der Fachliteratur auch "Cerebrum" oder "Enzephalon" genannt. Umgangssprachlich wird oft der Ausdruck "Hirn" verwendet.
Das Gehirn besteht hauptsächlich aus Gliazellen und Neuronen. Die Neurone dienen dabei der Reizweiterleitung. Alle anderen Aufgaben des Gehirns werden von den Gliazellen übernommen. Dazu zählen die Ernährung der Neurone, eine Stützfunktion und eine Schutzfunktion.
Im Zentralnervensystem unterscheidet man zwischen grauer und weißer Substanz. In der grauen Substanz liegen vorwiegend die Zellkörper der Zellen. In der weißen Substanz findest Du die Nervenfasern. Nervenfasern sind die Fortsätze der Nervenzellen. Diese kannst Du Dir als Leitbahnen der Informationsübermittlung vorstellen.
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Im Rückenmark liegt die graue Substanz im Inneren und die weiße Substanz umgibt diese. Im Gehirn sind die Substanzen verteilt und ineinander verflochten. Genau wie das Rückenmark, besteht das Gehirn aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen. Die graue Substanz enthält alle Zellkörper der Nervenzellen. Bei Groß- und Kleinhirn bildet die graue Masse die umhüllende Rinde. Außerdem befindet sie sich in der weißen Substanz. Die weiße Substanz enthält die Nervenfasern, also die Axone der Nervenzellen. Beim Gehirn befinden sich die Nervenzellkörper also vor allem in den äußeren Bereichen und die Axone liegen im inneren Teil des Gehirns.
Anatomische Gliederung des Gehirns
Das Gehirn lässt sich in fünf Bereiche gliedern:
- Vorder-, End- oder Großhirn
- Mittelhirn
- Hinterhirn (Brücke + Kleinhirn)
- Zwischenhirn
- Nachhirn
Diese anatomische Einteilung des Gehirns ist entwicklungsbedingt. In der fünften Schwangerschaftswoche entwickeln sich aus dem Neuralrohr drei primäre Hirnbläschen im Embryo.
Das Neuralrohr ist eine Zellleiste im Embryo, aus welcher später das zentrale Nervensystem entsteht. Aus dem Neuralrohr entstehen Ausbuchtungen, die als Gehirnbläschen bezeichnet werden.
Aus diesen wiederum entwickeln sich eine Woche später die fünf sekundären Gehirnbläschen Telencephalon (Endhirn), Diencephalon (Zwischenhirn), Mesenchephalon (Mittelhirn), Metencephalon (Hinterhirn) und Myelencephalon (Nachhirn). Diese sind auch im späteren Gehirn vorhanden und stammen embryologisch aus den drei primären Gehirnbläschen ab.
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Großhirn (Endhirn)
Das Großhirn umfasst fast 90 Volumenprozent des Gehirns und damit ein Fünftel aller Nervenzellen des Gehirns. Das Großhirn ist, wie der Name schon sagt, das größte Gehirnareal. Um seine Oberfläche noch weiter zu vergrößern, ist es stark gefaltet. Es bildet viele Gehirnwindungen (Gyri), die durch Gräben (Sulci) voneinander getrennt sind. - die durch eine Furche getrennt sind. Die Großhirnrinde bildet die Oberfläche des Großhirns. Darauf befinden sich 52 Rindenfelder, die nach verschiedenen Funktionen eingeteilt werden. Das sind Hirnareale mit verschiedenen Aufgaben, in denen die Nervenbahnen enden oder entspringen.
Das Großhirn ist in zwei Hälften geteilt, welche über eine Brücke aus weißer Substanz verbunden sind. Diese Großhirn-Hemisphären ummanteln den Großteil des Gehirns. Die Oberfläche wird Kortex genannt und ist stark gefaltet. Dies ermöglicht eine Oberflächenvergrößerung. Diese Großhirnrinde kann in funktionelle Felder eingeteilt werden, welche unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Aufgaben des Großhirns sind unter anderem:
- Visuelle Wahrnehmung
- Verarbeitung akustischer Reize → Hörzentrum
- Gedächtnis
- Höhere Denkvorgänge
- Instinkte
Das Großhirn enthält primär graue Substanz. 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.
Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn liegt, wie der Name schon sagt, zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn. Das Zwischenhirn ist für die Wahrnehmung verantwortlich. Es ist der Teil des Gehirns, welches die Gefühle steuert. Außerdem reguliert es Deine Grundbedürfnisse, wie Hunger und Durst.
Zusätzlich spielt das Zwischenhirn bei der Schlaf-Wach-Steuerung eine Rolle. Das Zwischenhirn lässt sich in vier Gebiete unterteilen:
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- Thalamus
- Hypothalamus
- Subthalamus
- Epithalamus
Der Thalamus sammelt alle Signale, die von den Sinnesorganen herkommen, ein. So endet der Sehnerv zum Beispiel im Zwischenhirn. Er gibt diese Informationen dann an das Großhirn weiter. 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 Thalamus besteht größtenteils aus grauer Substanz.
Der Hypothalamus verknüpft das Hormonsystem mit dem Nervensystem. Er reguliert die Hypophyse. Die Hypophyse ist eine bedeutungsvolle Hormondrüse. Durch die Ausschüttung von Hormonen steuert die Hormondrüse im Gehirn Vorgänge wie Wachstum, Fortpflanzung und Stoffwechsel. 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.
Ein Tumor, eine Entzündung des Gehirns oder der Hirnhäute, oder ein Unfall können dazu führen, dass die Hormondrüse nicht mehr ausstreichend oder zu viele Hormone produziert.
Hinterhirn (Metencephalon)
Das Hinterhirn besteht aus dem Kleinhirn und der Brücke (Pons). Auch das Kleinhirn ist, wie das Großhirn, in zwei Hemisphären aufgeteilt. Die Brücke verknüpft das Kleinhirn mit dem Großhirn. Das Kleinhirn liegt unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Genau wie das Großhirn, lässt sich auch das Kleinhirn in zwei Hemisphären einteilen. Zwischen den beiden Hälften liegt der Kleinhirnwurm.
Das Kleinhirn ist für Bewegung und Gleichgewicht verantwortlich. Das Kleinhirn ist vor allem für das Gleichgewicht und die Steuerung von erlernten Bewegungsabläufen verantwortlich. Außerdem unterstützt es beim unbewussten und sozialen Lernen.
Das Kleinhirn wird auch als Cerebellum bezeichnet.
Hirnstamm
Das Mittelhirn und das Nachhirn können zusammen mit der Brücke (Pons) zum Hirnstamm zusammengefasst werden. Der Hirnstamm ist räumlich gesehen der unterste Gehirnabschnitt.
Ein Teil des Hirnstamms wird auch verlängertes Mark, in der Fachwelt Medulla oblongata, genannt.
Im Hirnstamm werden eingehende Sinneseindrücke und ausgehende Bewegungsabläufe verwertet. Zudem entstehen hier Reflexreaktionen. Der Hirnstamm schaltet Informationen vom Gehirn zum Kleinhirn und dem Rückenmark um und kontrolliert Bewegungen der Augen sowie die Mimik.
Nachhirn (Myelencephalon)
Das Nachhirn ist für viele vegetativ ablaufende Vorgänge verantwortlich. Dies sind Prozess, die unbewusst, also automatisch ablaufen. Beispiele für vegetative Funktionen des Nachhirns sind:
- Herzschlag
- Atmung
- Stoffwechsel
- Lidschluss
- Schlucken und Husten
Das Nachhirn verknüpft zudem das Gehirn mit dem Rückenmark. Das bedeutet auch, dass hier die graue und weiße Substanz Positionen wechseln. Die bisher meist außen liegende graue Substanz liegt im Rückenmark innen. Im Nachhirn überkreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften.
Funktionsweise des Gehirns
Wie Du in den letzten Abschnitten vielleicht schon bemerkt hast, übernimmt das Gehirn eine Vielzahl an lebenswichtigen Funktionen. Es ist für unbewusste Handlungen wie die Atmung, Kreislauf, Schlafen und Gefühle, ebenso wie bewusste Reaktionen wie Bewegung, Denken und Lernen verantwortlich. 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.
All diese Informationen werden über elektrische Signale weitergeleitet. Dafür sind die Neurone verantwortlich. Diese sind miteinander über Synapsen verknüpft. Neuronen leiten über Nervenbahnen sowohl Informationen von den Sinnesorganen zum Gehirn (afferente Neurone), als auch vom Gehirn zu den Sinnesorganen (efferente Neurone) zurück. - miteinander verbunden. Die Synapsen können dabei nutzungsabhängig optimiert und verändert werden. Der Prozess heißt auch neuronale oder synaptische Plastizität.
Eine Besonderheit des Gehirns ist seine Fähigkeit, Informationen zu speichern. 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.
Gedächtnis
Unter dem Gedächtnis versteht man die Eigenschaft des Gehirns, Informationen zu speichern und diese als Erfahrungen wieder abzurufen. Das beantwortet zum Beispiel die Frage „Wie lernt das Gehirn?“. Denn Lernfähigkeit kommt dadurch zustande, dass durch ständiges Wiederholen entsprechende Synapsen verstärkt werden.
Die Leistungs- und Speicherfähigkeit des Gehirns wird auch Gehirnkapazität genannt. Je nachdem, wie viel Gehirnkapazität benötigt wird, unterscheidet man verschiedene Gedächtnisstufen.
| Gedächtnisstufe | vermutete Kapazität | Speicherdauer | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Kurzzeitgedächtnis | 400 bit | Wenige Sekunden | Aufgeschnappte Telefonnummer |
| Mittelfristiges Gedächtnis | 10000 bit | Bis zu einigen Tagen | Erlernte Fakten vor einer Klausur |
| Langzeitgedächtnis | 100 Milliarden bis 10 Billionen bit | über Jahre hinweg | Erster Kuss |
Neuroplastizität
Durch das Verwenden der immer gleichen Synapsen werden diese gestärkt. Dies führt zu einem deutlich höheren und schnelleren Informationsfluss. Durch das wiederholte Eintreten von Informationen entstehen Leistungsmuster. Man geht davon aus, dass so Informationen im Gehirn gespeichert werden. Die Anpassung der Synapsen an die Umweltbedingungen nennt man neuronale oder synaptische Plastizität.
Dabei unterscheidet man zwischen struktureller und funktioneller Plastizität.
Bei der strukturellen Plastizität werden durch vermehrte Benutzung bestimmter Signalwege neue Synapsen gebildet. Es ändert sich also die Struktur des Gehirns. Bei der funktionellen Plastizität hingegen, welche weniger permanent ist, verändert sich die Menge der Neurotransmitter.
Blutversorgung und Blut-Hirn-Schranke
Das Gehirn benötigt ständig Sauerstoff, Glukose und weitere Nährstoffe. Deshalb ist es besonders gut durchblutet. Das Gehirn wird durch zwei große Arterien mit Blut versorgt. Die innere Halsschlagader entspringt der Halsschlagader und verläuft seitlich am Hals. Die Wirbelarterie befindet sich hinten am Hals und tritt durch das Hinterhauptloch in den Schädel ein.
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.
Das Gehirn wird durch die Blut-Hirn-Schranke vom Blutkreislauf abgetrennt. Nur bestimmte Substanzen können die Blut-Hirn-Schranke passieren und so in das Gehirn gelangen. Durch diese Eigenschaft schützt die Blut-Hirn-Schranke unser Gehirn vor schädlichen Substanzen, Krankheitserregern und sonstigen Stoffen, welche das innere Milieu stören könnten. Die Blut-Hirn-Schranke wird durch die Gliazellen gebildet. Sie sind der Filter für viele Schadstoffe, die in das Gehirn eindringen wollen. Diese können diese natürliche Barriere aber oftmals nicht überwinden.
Erkrankungen des Gehirns
Erkrankungen des Gehirns können unterschiedliche Ursachen haben. Das Ausmaß und die Symptome der Erkrankung hängen zudem von der betroffenen Region ab. 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. Bei der Magnetresonanztomographie (MRT) wird der Kopf sozusagen gescannt und ein Bild erstellt. Je nachdem, welcher Bereich des Gehirns beschädigt wird, können ganz unterschiedliche Symptome auftreten.
Schlaganfall
Wenn Blutgefäße im Gehirn blockiert werden, ist der Blutfluss gestört. Dies führt zu Sauerstoffmangel und das Gehirn wird nicht mit genügend Nährstoffen versorgt. In einem solchen Fall spricht man von einem Schlaganfall. Das umliegende Nervensystem stirbt ab. Eine Durchblutungsstörung im Gehirn durch den Verschluss eines Blutgefäßes, die zu Sauerstoffunterversorgung im entsprechenden Gebiet führt. Je nachdem welcher Teil des Gehirns betroffen ist, kann ein Schlaganfall zur Lähmung einzelner Extremitäten, Sprechstörungen oder Gleichgewichtsstörungen führen.
Neurodegenerative Erkrankungen
Die zwei häufigsten vorkommenden neurodegenerativen Erkrankungen des Gehirns sind Parkinson und Alzheimer.
Parkinson
Bei der Parkinson-Krankheit sterben dopaminerge Neuronen in der Substantia nigra ab. Dadurch herrscht eine geringere Konzentration des Botenstoffs Dopamin vor. Dies führt zu den drei charakteristischen Symptomen für diese Krankheit:
- Bewegungslosigkeit
- Muskelstarre
- Ruhetremor (Zittern)
Alzheimer
Ganz anders sind die Symptome der Alzheimer-Krankheit. Menschen, die von Alzheimer betroffen sind, verlieren ihre kognitiven Fähigkeiten. Die Betroffenen zeigen bestimmte Verhaltensauffälligkeiten und können in vielen Fällen kein selbstständiges Leben mehr führen, sondern benötigen Assistenz. Unter Demenz versteht man die Abnahme von Gedächtnis- und Denkleistungen. Eine Art der Demenz ist Alzheimer.
Es ist nicht immer leicht, Alzheimer von einer Demenz zu unterscheiden. Grund für die Alzheimer-Erkrankung ist zum einen die Bildung von sogenannten Plaques und Fibrillen im Gehirn. Zum anderen schrumpft das Gehirn und die mit Flüssigkeit gefüllten Hohlräume (Hirnventrikel) werden größer.