Die Funktion des Gehirns einfach erklärt

Das Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das eine entscheidende Rolle für unser Denken, Fühlen und Handeln spielt. Es ist die Steuerzentrale unseres Körpers und ermöglicht uns, die Welt um uns herum wahrzunehmen, zu lernen und uns an neue Situationen anzupassen. Dieser Artikel bietet eine leicht verständliche Erklärung der Gehirnfunktion, des Aufbaus und der verschiedenen Bereiche, die für die Steuerung unseres Körpers und unserer kognitiven Fähigkeiten von Bedeutung sind.

Was ist das Gehirn?

Das Gehirn (Encephalon) ist der Teil des zentralen Nervensystems, der innerhalb des knöchernen Schädels liegt und diesen ausfüllt. Mit einem Gewicht von etwa 1,5 bis 2 Kilogramm macht es ungefähr drei Prozent des Körpergewichts aus. Das Gehirnvolumen beträgt etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse. Es besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die über zu- und abführende Nervenbahnen mit dem Körper verbunden sind und ihn steuern. Diese Nervenzellen sind durch Synapsen, Kontaktstellen zwischen den Zellen, miteinander verbunden. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt.

Die Nervenzellen im Gehirn sind in ein stützendes Gewebe aus Gliazellen eingebettet. Diese Gliazellen versorgen die Neuronen mit Nährstoffen und Sauerstoff, entfernen Abfallprodukte und tragen zum Schutz der Neuronen bei.

Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater, Arachnoidea und Pia mater, die es schützen und nähren. Zwischen zwei Hirnhäuten (der Spinngewebshaut und der inneren Hirnhaut) befindet sich der Subarachnoidalraum, der mit Liquor (Hirn-Rückenmarksflüssigkeit) gefüllt ist, der die dünnwandigen Gefäße schützt. 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.

Aufbau des Gehirns: Fünf Abschnitte

Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:

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

Diese fünf Abschnitte lassen sich nochmals unterteilen, wodurch sich verschiedene Hirnregionen mit spezifischen Funktionen ergeben.

Großhirn (Telencephalon)

Das Großhirn ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Es besteht aus zwei Hälften, den sogenannten Hemisphären, die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Jede Hemisphäre ist in vier Lappen unterteilt:

• Frontallappen (Stirnlappen): Zuständig für Persönlichkeit, Aufmerksamkeit, Planung, Entscheidungen und motorische Steuerung.
• Parietallappen (Scheitellappen): Zuständig für die Wahrnehmung des eigenen Körpers (somatosensorischer Cortex).
• Okzipitallappen (Hinterhauptslappen): Zuständig für die Verarbeitung optischer Signale und das Sehzentrum.
• Temporallappen (Schläfenlappen): Zuständig für Sprache, Gedächtnis und Erkennung von Objekten. Hier befindet sich auch die Amygdala (Mandelkern).

Die Großhirnrinde (Kortex) ist die äußere Schicht des Großhirns und besteht aus grauer Substanz, die hauptsächlich aus Nervenzellkörpern besteht. Hier finden komplexe Denkprozesse, Lernen, Sprechen, Gedächtnis und Bewusstsein statt. Die weiße Substanz unterhalb der Großhirnrinde besteht aus Nervenfasern (Axonen), die Informationen zwischen den verschiedenen Bereichen des Gehirns übertragen.

Die beiden Gehirnhälften sind auf bestimmte Funktionen spezialisiert. Die linke Hälfte fokussiert sich auf Mathematik, Sprache und Logik, während die rechte Hälfte für die Erkennung von Gesichtern, Mustern und räumlichen Strukturen zuständig ist.

Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus.

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• Thalamus: Filtert Sinneseindrücke und leitet sie an das Großhirn weiter; gilt als "Tor zum Bewusstsein".
• Hypothalamus: Steuert den Schlaf-Wach-Rhythmus, Hunger, Durst, das Schmerz- und Temperaturempfinden, den Sexualtrieb sowie das vegetative Nervensystem und koordiniert rhythmische Verhaltensweisen. Er reguliert auch die Körpertemperatur, den Wasser- und Salzhaushalt sowie die Magen-Darm-Funktion und ist an der Entstehung von Gefühlen beteiligt. Der Hypothalamus ist mit der Hypophyse (Hirnanhangdrüse) über einen Stiel verbunden und reguliert gemeinsam mit ihr wichtige Hormone im Körper.

Hirnstamm

Der Hirnstamm ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und besteht aus Mittelhirn (Mesencephalon), Medulla oblongata (Myelencephalon, Nachhirn) und Brücke (Pons).

• Mittelhirn (Mesencephalon): Kleinstes Abschnitt des Gehirns; Schaltzentrum für sensorische Informationen. Das Mittelhirndach ist ein Schaltzentrum, von dem aus sensorische Informationen an bestimmte Areale des Vorderhirns (bestehend aus Großhirn, Thalamus und Hypothalamus) gesendet werden, wo diese Informationen verarbeitet werden.
• Medulla oblongata (Myelencephalon, Nachhirn): Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark; steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Herzfrequenz und Blutdruck sowie Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- oder Hustenreflex.
• Brücke (Pons): Verbindet das Großhirn mit dem Kleinhirn und dem Rückenmark.

Der Hirnstamm ist für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig und stellt die vordere Verlängerung des Rückenmarks dar. Seine Funktion besteht in der Bewegungskoordination und der Weiterleitung von Informationen an höhere Gehirnzentren.

Kleinhirn (Cerebellum)

Oberhalb des Hirnstamms und unterhalb der beiden Großhirnhemisphären sitzt das Kleinhirn. Es koordiniert unsere Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen. Das Kleinhirn hat wichtige Funktionen bei der motorischen Koordination, der Wahrnehmung und dem Verstehen. Mithilfe dieser Auskünfte kann das Kleinhirn Körperbewegungen koordinieren. 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.

Graue und weiße Substanz

Das Gehirn besteht aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen: grauer und weißer Substanz.

• Graue Substanz: Besteht hauptsächlich aus Nervenzellkörpern und befindet sich in der Großhirnrinde, den Basalganglien, der Kleinhirnrinde und den Hirnnervenkerne. Etwa 80 Prozent der Hirndurchblutung sind für die Versorgung der grauen Substanz notwendig.
• Weiße Substanz: Besteht aus den Nervenzellfortsätzen, den Nervenfasern (Axonen), und findet sich im Mark von Großhirn und Kleinhirn. Sie ist für die schnelle Weiterleitung von Informationen zwischen den verschiedenen Hirnbereichen verantwortlich. Die weiße Substanz besteht zu einem Großteil aus Nervenfasern, die die sogenannte Myelinscheide umgibt.

Hirnnerven

Dem Gehirn entspringen zwölf paarige Nerven, die den Kopf, den Hals und Organe im Rumpf versorgen. Diese Menge kann bis zum 50. Lebensjahr geringfügig schwanken, nimmt aber danach ab (zusammen mit dem Sauerstoff- und Glukoseverbrauch).

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Blutversorgung des Gehirns

Zwischen 15 und 20 Prozent des Herzminutenvolumens entfällt auf die Blutversorgung des Gehirns. In Schlaf- und Wachphasen wird das Gehirn stets etwa gleichermaßen durchblutet. Auch bei Blutdrucksteigerungen, Blutdruckabfall, starker körperlicher Anstrengung oder sogar unregelmäßigem Herzschlag ändert sich die Durchblutung des Gehirns kaum - außer, wenn der systolische Blutdruck stark abfällt (unter 70 mmHg) oder stark ansteigt (über 180 mmHg).

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.

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. Die Blut-Hirn-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen dar.

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. Das Gehirn macht nur etwa 2 % des Körpergewichts aus, verbraucht aber etwa 20 % des gesamten Energiebedarfs.

Die Gehirnkapazität ist deutlich größer als die, die wir im Alltag tatsächlich nutzen. Das bedeutet: Ein Großteil unserer Gehirnkapazität ist ungenutzt. Der Speicherplatz des Gehirns wird auf ein Petabyte geschätzt, das sind 1.000.000 Gigabyte.

Entwicklung des Gehirns

Die embryonale Entwicklung des Gehirns aus dem Neuralrohr zeichnet sich einerseits durch ein besonderes Größenwachstum aus, andererseits durch ein ungleichmäßiges Dickenwachstum der Wand und besondere Knickstellen. Dadurch wird das Gehirn schon frühzeitig in mehrere Abschnitte unterteilt.

Aus der Hirnanlage bilden sich zunächst drei hintereinander liegende Abschnitte (primäre Hirnbläschen) heraus, die dann das Vorderhirn, das Mittelhirn und das Rautenhirn bilden. In der weiteren Entwicklung entstehen daraus fünf weitere, sekundäre Hirnbläschen: Aus dem Vorderhirn entwickeln sich Großhirn und Zwischenhirn. Aus dem Rautenhirn gehen die Medulla oblongata, die Brücke und das Kleinhirn hervor. 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.

Wie funktioniert das Gehirn?

Das Gehirn funktioniert, indem es elektrische Signale sendet. Diese elektrischen Signale werden entlang der Ausläufer der Nervenzellen, den sogenannten Nervenfasern, weitergeleitet. Die Übertragung der Signale findet an den Synapsen statt, die die Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen darstellen. Zur Signalübertragung auf benachbarte Nervenzellen werden außerdem Neurotransmitter benötigt, die auch als Botenstoffe bezeichnet werden. Wenn ein elektrisches Signal das Ende einer Nervenzelle erreicht, schüttet diese Nervenzelle einen Neurotransmitter aus. Von dort aus bindet der Neurotransmitter an die Zielzelle, also die Nervenzelle, für die das Signal bestimmt ist.

Es gibt verschiedene Neurotransmitter, die sich in ihrer Wirkung unterscheiden. Manche Neurotransmitter vermitteln hemmende Signale, andere sorgen dafür, dass die Zielzelle erregt oder aktiviert wird. Da Neurotransmitter für die Funktion von Nervenzellen unerlässlich sind, spielen sie auch eine wichtige Rolle bei allen wesentlichen Gehirnfunktionen. Sie steuern zum Beispiel Aufmerksamkeit, Konzentration, Motivation und Emotionen.

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 menschliche Gehirn ist ein unglaublich komplexes System, das als übergeordnetes Zentrum den gesamten Körper steuert und verschiedene Organen koordiniert, die alle gut zusammenarbeiten müssen. Damit das Gehirn optimal funktionieren kann, braucht es zahlreiche Nährstoffe.

Das limbische System

Das limbische System reguliert das Affekt- und Triebverhalten und dessen Verknüpfungen mit vegetativen Organfunktionen. Zwei wichtige Teilbereiche innerhalb des limbischen Systems sind die Amygdala (Mandelkern) und der Hippocampus. Die Amygdala ist für die Verarbeitung von Emotionen, insbesondere Angst, zuständig. Der Hippocampus ist der Arbeitsspeicher unseres Gehirns und die Schaltstelle zwischen dem Kurz- und dem Langzeitgedächtnis.

Das Gedächtnis

Eine sehr wichtige Funktion des Gehirns ist das Gedächtnis - vom Ultrakurzzeit- über das Kurzzeit- bis zum Langzeitgedächtnis. 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.

Die Sprache

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.

Plastizität des Gehirns

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. Die Synapsen können dabei nutzungsabhängig optimiert und verändert werden. Der Prozess heißt auch neuronale oder synaptische Plastizität.

Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. So können wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache und Yoga lernen, uns Gesicht und Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria. Lernen findet an den Synapsen statt - also den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden.

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: Eine Durchblutungsstörung im Gehirn durch den Verschluss eines Blutgefäßes, die zu Sauerstoffunterversorgung im entsprechenden Gebiet führt.
• Hirntumor: Es gibt gutartige und bösartige Hirntumore.
• Demenz: Unter Demenz versteht man die Abnahme von Gedächtnis- und Denkleistungen. Eine Art der Demenz ist Alzheimer.
• Parkinson: Bei Parkinson kommt es zum Absterben einer bestimmten Art von Nervenzellen im Gehirn. Dadurch herrscht eine geringere Konzentration des Botenstoffs Dopamin vor.
• Epilepsie: Epilepsie ist eine Störung des Gehirns, die zu wiederholten Anfällen führen kann. Während eines Anfalls können Betroffene Krämpfe, Bewusstseinsverlust und andere Symptome erleiden.

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