Gehirnanatomie: Eine detaillierte Übersicht

Das Gehirn, die zentrale Steuereinheit des menschlichen Körpers, ist ein Organ von unglaublicher Komplexität. Es steuert nicht nur lebenswichtige Funktionen wie Atmung und Kreislauf, sondern ist auch der Sitz von Bewusstsein, Denken, Gedächtnis und Emotionen. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Einblick in die Anatomie des Gehirns, seine verschiedenen Bestandteile und deren Funktionen.

Einführung in das Gehirn

Das Gehirn (Encephalon) ist der Teil des zentralen Nervensystems (ZNS), der sich innerhalb des knöchernen Schädels befindet und diesen ausfüllt. Es besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die über zuführende und wegführende Nervenbahnen mit dem gesamten Organismus verbunden sind und ihn steuern. Die Länge aller Nervenbahnen im Gehirn beträgt zusammen etwa 5,8 Millionen Kilometer. Das Gehirnvolumen beträgt beim Menschen etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse, was einem Gewicht von etwa 1,5 bis 2 Kilogramm entspricht und etwa drei Prozent des Körpergewichts ausmacht.

Schutzmechanismen des Gehirns

Das Gehirn ist ein lebenswichtiges und empfindliches Organ, das durch mehrere Schutzeinrichtungen vor mechanischen Einwirkungen und Krankheitserregern geschützt ist:

• Knöcherner Schädel: Die äußerste Schutzschicht bildet der Schädel, der in Gesichts- und Hirnschädel unterteilt ist. Der Hirnschädel umgibt das Gehirn und schützt es vor allem vor mechanischen Einwirkungen.
• Hirnhäute (Meningen): Das Nervengewebe des Gehirns ist von drei verschiedenen Hirnhäuten umgeben:
  • Dura mater (harte Hirnhaut): Die äußere, derbe Schicht.
  • Arachnoidea (Spinnengewebshaut): Die mittlere Hirnhaut, die aus Bindegewebe mit kollagenen Fasern besteht, die wie Spinnenweben aussehen.
  • Pia mater (weiche Hirnhaut): Die innerste Hirnhaut, die dem Gehirn direkt anliegt.
• Liquor (Hirn-Rückenmarksflüssigkeit): Das Gehirn schwimmt im Liquor, der sich im Subarachnoidalraum zwischen der Arachnoidea und der Pia mater befindet. Der Liquor schützt das Gehirn zusätzlich vor Stößen und dient als Transportmedium für Nährstoffe und Abfallprodukte.
• Blut-Hirn-Schranke: Diese Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen schirmt das empfindliche Gewebe im Gehirn gegen schädigende Substanzen im Blut ab.

Gliederung des Gehirns

Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Hauptabschnitte gliedern:

1. Großhirn (Telencephalon)
2. Zwischenhirn (Diencephalon)
3. Mittelhirn (Mesencephalon)
4. Kleinhirn (Cerebellum)
5. Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)

1. Großhirn (Telencephalon)

Das Großhirn ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Es macht etwa 80 % des Gehirnvolumens aus.

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Aufbau:

• Hemisphären: Das Großhirn besteht aus zwei Hälften, den Hemisphären (rechte und linke Hemisphäre), die durch eine tiefe Furche, die Fissura longitudinalis cerebri, getrennt sind. Die beiden Hemisphären sind jedoch durch den Balken (Corpus callosum), einen dicken Strang aus Nervenfasern, miteinander verbunden, der den Informationsaustausch zwischen den Hemisphären ermöglicht.
• Großhirnrinde (Kortex): Die äußere Schicht des Großhirns, die Großhirnrinde, ist nur wenige Millimeter dick, aber der wichtigste Bestandteil des Großhirns. Um die Oberfläche der Hirnrinde zu vergrößern, ist sie stark gefaltet und weist zahlreiche Windungen (Gyri) und Furchen (Sulci) auf. Beinahe alle Furchen und Windungen sind mittlerweile benannt. Die Gyrierung der Hirnrinde führt zu einer starken Oberflächenvergrößerung.
• Graue und weiße Substanz: Die graue Substanz liegt außen und bildet die Großhirnrinde, die reich an Nervenzellkörpern (Perikaryen) ist. Die weiße Substanz liegt innen und bildet das Marklager, das hauptsächlich aus Nervenfasern (Axonen) besteht, die von einer Myelinscheide umgeben sind. Die Myelinscheide verleiht der weißen Substanz ihre Farbe und ermöglicht eine schnelle Signalübertragung.
• Lappen: Das Großhirn wird in vier Lappen gegliedert, die durch konstante Sulci begrenzt werden:
  • Frontallappen (Stirnlappen): Verantwortlich für höhere kognitive Funktionen wie Planung, Entscheidungsfindung, Problemlösung, Arbeitsgedächtnis, Sprache (Broca-Areal) und willkürliche Bewegungen (motorischer Kortex). Der Frontallappen unterstützt die Kontrolle der Feinmotorik, Gemüt, Zukunftsplanung, Ziel- und Prioritätensetzung. Im Frontallappen liegt unter anderem die Präzentralregion. Hier befinden sich die beiden Rindenfelder, die die motorische Rinde (Areas 4 und 6) bilden. 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.
  • Parietallappen (Scheitellappen): Verarbeitet sensorische Informationen wie Berührung, Temperatur, Schmerz und räumliche Wahrnehmung. Der Scheitellappen empfängt und verarbeitet Informationen über Temperatur, Geschmack, Berührung und Bewegung, die vom Rest des Köpers kommen. Im Scheitellappen (Parietallappen) liegt unter anderem die Postzentralregion. verschiedene Formen der Agnosie.
  • Temporallappen (Schläfenlappen): Zuständig für Hören, Gedächtnis, Sprache (Wernicke-Areal) und Erkennung von Objekten und Gesichtern. 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.
  • Okzipitallappen (Hinterhauptslappen): Verarbeitet visuelle Informationen. Im Hinterhauptslappen liegt die Sehregion. 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.
  • Insellappen (Insula): Ein ursprünglich oberflächlich gelegenes Rindenareal, das durch Wachstumsprozesse benachbarter Hirnareale (Opercula) überdeckt wird und im Sulcus lateralis (Sylvische Fissur) liegt. Die Insula ist an verschiedenen Funktionen beteiligt, darunter Geschmack, Schmerz, Emotionen und Bewusstsein.

Funktionen:

Das Großhirn ist für höhere Gehirnfunktionen wie Lernen, Denken, Sprache, Gedächtnis, Bewusstsein, willkürliche Bewegungen und die Verarbeitung von Sinneswahrnehmungen zuständig. An die Großhirnrinde ist unter anderem das Bewusstsein geknüpft. Nur diejenigen Sinnesreize werden bewusst, welche bis zur Großhirnrinde weitergeleitet werden. Als innere Sprache ist sie eine Voraussetzung für das Denken; gesprochen ermöglicht sie die Kommunikation und geschrieben die Weitergabe von Informationen über Jahrtausende hinweg. Die Fähigkeit zur Sprache ist unmittelbar gebunden an die Unversehrtheit bestimmter Rindengebiete des Großhirns, die in der Regel nur in einer Gehirnhälfte (Hemisphäre) liegen. Diese wird als dominante Hemisphäre bezeichnet und ist beim Rechtshänder meist die linke, beim Linkshänder meist die rechte.

Rindenfelder (Brodmann-Areale):

Die Großhirnrinde ist in 52 Rindenfelder (Brodmann-Areale) eingeteilt, die sich in ihrer zytoarchitektonischen Struktur (Anordnung der Nervenzellen) und Funktion unterscheiden. Diese Areale sind die Endstätten der aufsteigenden Nervenbahnen aus Rückenmark, Hirnstamm, Zwischenhirn und Kleinhirn.

Einige wichtige Rindenfelder sind:

• Motorische Rinde (Area 4 und 6): Steuert willkürliche Bewegungen.
• Somatosensorische Rinde (Area 1, 2 und 3): Verarbeitet sensorische Informationen wie Berührung, Temperatur und Schmerz.
• Visuelle Rinde (Area 17): Verarbeitet visuelle Informationen.
• Auditorische Rinde (Area 41 und 42): Verarbeitet akustische Informationen.
• Broca-Areal (Area 44 und 45): Motorisches Sprachzentrum, zuständig für die Sprachproduktion.
• Wernicke-Areal: Sensorisches Sprachzentrum, zuständig für das Sprachverständnis.
• Präfrontaler Kortex (Area 9, 10, 11 und 12): Verantwortlich für höhere kognitive Funktionen wie Planung, Entscheidungsfindung und Arbeitsgedächtnis.

Marklager:

Das Marklager besteht aus Nervenfasermassen, die entweder von Nervenzellen der Großhirnrinde abgehen oder zu ihr hinziehen. Die Projektionsfasern stellen auf- und absteigende Verbindungen zwischen der Hirnrinde und allen unter ihr gelegenen (subkortikalen) Zentren her. Die von der Rinde absteigende Bahnen laufen fächerförmig zusammen und bilden tief im Inneren des Großhirns eine Region, die innere Kapsel (Capsula interna) genannt wird. Diese wiederum enthält die verschiedenen Bahnen zum Thalamus, zur Brücke (im Hirnstamm) und zum Rückenmark. Die Kommissurenfasern verknüpfen die Rindenbereiche der beiden Großhirnhälften miteinander.

Basalganglien:

Die Basalganglien oder Stammganglien sind Gruppen von Nervenzellkernen (graue Substanz), die in der Tiefe der weißen Substanz beider Hemisphären liegen. Man unterscheidet verschiedene Basalganglien (bezeichnet zum Beispiel als Claustrum, Globus pallidum oder Corpus striatum). Die Basalganglien sind an der Steuerung von Bewegungen, der Planung von Handlungen und dem Erlernen von Gewohnheiten beteiligt.

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2. Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn liegt zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn und besteht aus mehreren wichtigen Strukturen:

• Thalamus: Der Thalamus ist eine wichtige Schaltstation für sensorische Informationen. Fast alle Sinneseindrücke werden hier gesammelt und an das entsprechende Rindenfeld im Großhirn weitergeleitet. Der Thalamus gilt als "Tor zum Bewusstsein".
• Hypothalamus: Der Hypothalamus ist das oberste Regulationszentrum des vegetativen Nervensystems und kontrolliert wichtige Funktionen wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur, Hunger, Durst, Sexualverhalten und den Hormonhaushalt. Er stellt die Verbindung zwischen Hormon- und Nervensystem dar.
• Hypophyse (Hirnanhangsdrüse): Eine Hormondrüse, die über einen Stiel mit dem Hypothalamus verbunden ist und eine Vielzahl von Hormonen produziert, die verschiedene Körperfunktionen steuern.
• Epithalamus: Enthält die Zirbeldrüse (Epiphyse), die das Hormon Melatonin produziert, das den Schlaf-Wach-Rhythmus reguliert.
• Subthalamus: Ist an der Steuerung von Bewegungen beteiligt.

3. Mittelhirn (Mesencephalon)

Das Mittelhirn ist der kleinste Abschnitt des Gehirns und verbindet das Zwischenhirn mit dem Kleinhirn. Es enthält wichtige Zentren für die Steuerung von Augenbewegungen, die Verarbeitung von akustischen und visuellen Reizen sowie die Kontrolle von Muskeltonus und Körperhaltung. Zusammen mit dem verlängerten Rückenmark und der dazwischenliegenden Brücke bildet es den Hirnstamm.

4. Kleinhirn (Cerebellum)

Das Kleinhirn liegt unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Es besteht aus zwei Hemisphären, die durch den Kleinhirnwurm (Vermis) miteinander verbunden sind. Das Kleinhirn ist vor allem für die Koordination von Bewegungen, das Gleichgewicht und das Erlernen von motorischen Fähigkeiten verantwortlich. Es speichert erlernte Bewegungsabläufe und ermöglicht so automatische Handlungen.

5. Hirnstamm

Der Hirnstamm ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark. Er besteht aus drei Abschnitten:

• Mittelhirn (Mesencephalon)
• Brücke (Pons)
• Nachhirn (Medulla oblongata)

Der Hirnstamm ist für die Steuerung lebenswichtiger Funktionen wie Atmung, Herzschlag, Blutdruck, Schlucken und Hustenreflex zuständig. Im Nachhirn überkreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften.

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Blutversorgung des Gehirns

Die Blutversorgung des Gehirns erfolgt über zwei große Arterienpaare:

• Arteria carotis interna (innere Halsschlagader): Versorgt den vorderen Teil des Gehirns mit Blut.
• Arteria vertebralis (Wirbelarterie): Versorgt den hinteren Teil des Gehirns mit Blut.

Diese Arterien sind über den Circulus arteriosus cerebri (Willis-Kreis) miteinander verbunden, einem Gefäßring an der Hirnbasis, der sicherstellt, dass das Gehirn auch bei Schwankungen in der Blutzufuhr ausreichend mit Blut versorgt wird.

Energieverbrauch des Gehirns

Das Gehirn hat einen enorm hohen Energieverbrauch. Obwohl es nur etwa 2 % des Körpergewichts ausmacht, verbraucht es etwa 20 % des gesamten Sauerstoffs und der Glukose, die der Körper benötigt. Dies unterstreicht die hohe Stoffwechselaktivität des Gehirns und seine Abhängigkeit von einer kontinuierlichen Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen.

Funktionelle Systeme des Gehirns

Neben der anatomischen Gliederung lässt sich das Gehirn auch nach funktionellen Systemen einteilen:

• Motorisches System: Steuert willkürliche Bewegungen.
• Sensorisches System: Verarbeitet Sinneswahrnehmungen.
• Limbisches System: Reguliert Emotionen, Gedächtnis und Triebverhalten.
• Kognitives System: Verantwortlich für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Lernen und Problemlösung.

Limbisches System

Das limbische System ist ein entwicklungsgeschichtlich sehr alter Bereich des Gehirns, der eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Emotionen, der Gedächtnisbildung und der Steuerung des Triebverhaltens spielt. Es bildet die Grundlage für assoziative Funktionen wie Steuerung des affektiven Verhaltens, Emotionen, Lernen und Gedächtnis. Es beeinflusst darüber hinaus kortikale Aktivitäten und vegetative Funktionen. Die zugehörigen kortikalen und subkortikalen Strukturen verteilen sich gürtelförmig (limbus = Gürtel) um den Balken und das Diencephalon (Zwischenhirn) an den medialen Seiten der Hemisphären.

Wichtige Strukturen des limbischen Systems sind:

• Amygdala (Mandelkern): Spielt eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Emotionen, insbesondere Angst und Furcht.
• Hippocampus: Ist entscheidend für die Bildung neuer Gedächtnisinhalte und die Überführung von Informationen vom Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis.
• Gyrus cinguli: Ist an der Steuerung von Aufmerksamkeit, Motivation und emotionalen Reaktionen beteiligt.
• Hypothalamus: Reguliert vegetative Funktionen und beeinflusst das Triebverhalten.
• Ncl. accumbens: Spielt eine Rolle bei der Belohnungsverarbeitung und Motivation.
• Corpus mamillare: Ist an der Gedächtnisbildung beteiligt.

Motorisches System

Das motorische System ermöglicht es uns, über Bewegungen mit der Außenwelt zu interagieren. Die Anteile des motorischen Systems sind hierarchisch organisiert. Um eine willentliche Bewegung einzuleiten, werden multiple Areale im frontalen und parietalen Kortex bis zu 2 Sekunden vor der Ausführung aktiviert. In den Assoziationsarealen wird die Notwendigkeit einer Bewegung festgestellt. Der prämotorische Kortex entwickelt einen Plan, der an den primär-motorischen Kortex weitergegeben wird. Neben der Pyramidenbahn als wichtigste Efferenz werden Fasern zu Assoziationskortex, Basalganglien, Kleinhirn und Hirnstammkernen als modulierende Feedback-Systeme entsandt. Sie gleichen eine geplante Bewegung mit dem aktuellen Zustand des Körpers ab. Die absteigenden motorischen Bahnen, welche die Aktivität von α- und γ-Motoneuronen beeinflussen, gehen vom Kortex (Pyramidenbahn) und vom Hirnstamm (extrapyramidalmotorische Bahnen) aus.

Klinische Bedeutung

Das Verständnis der Gehirnanatomie ist von entscheidender Bedeutung für die Diagnose und Behandlung von neurologischen Erkrankungen. Schädigungen bestimmter Hirnareale können zu spezifischen Symptomen führen, wie z.B.:

• Schlaganfall: Eine Durchblutungsstörung im Gehirn kann zu Sauerstoffmangel und zum Absterben von Hirngewebe führen. Je nachdem, welcher Bereich betroffen ist, können Lähmungen, Sprachstörungen, Sensibilitätsstörungen oder kognitive Beeinträchtigungen auftreten.
• Hirntumor: Ein Tumor im Gehirn kann Druck auf umliegendes Gewebe ausüben und dessen Funktion beeinträchtigen. Die Symptome hängen von der Lage und Größe des Tumors ab.
• Demenz: Eine fortschreitende Degeneration von Hirnzellen führt zu Gedächtnisverlust,Denkstörungen und Verhaltensänderungen.
• Morbus Parkinson: Eine Erkrankung, bei der Nervenzellen in der Substantia nigra absterben, was zu Bewegungsstörungen wie Zittern, Muskelsteifigkeit und verlangsamten Bewegungen führt.
• Multiple Sklerose: Eine Autoimmunerkrankung, bei der die Myelinscheiden der Nervenfasern im Gehirn und Rückenmark angegriffen werden, was zu vielfältigen neurologischen Symptomen führen kann.
• Hirnhautentzündung (Meningitis): Eine Entzündung der Hirnhäute, die durch Bakterien oder Viren verursacht werden kann und zu Kopfschmerzen, Fieber, Nackensteifigkeit und Bewusstseinsstörungen führen kann.

Bildgebung des Gehirns

Moderne bildgebende Verfahren ermöglichen es, das Gehirn zu visualisieren und seine Struktur und Funktion zu untersuchen:

• Magnetresonanztomographie (MRT): Erzeugt detaillierte Bilder des Gehirns und kann zur Diagnose von Tumoren, Schlaganfällen, Entzündungen und anderen Erkrankungen eingesetzt werden.
• Computertomographie (CT): Erzeugt Querschnittsbilder des Gehirns und kann zur Diagnose von Blutungen, Knochenbrüchen und anderen akuten Erkrankungen eingesetzt werden.
• Positronenemissionstomographie (PET): Misst die Stoffwechselaktivität im Gehirn und kann zur Diagnose von Tumoren, Demenz und anderen Erkrankungen eingesetzt werden.
• Elektroenzephalographie (EEG): Misst die elektrische Aktivität des Gehirns und kann zur Diagnose von Epilepsie und anderen neurologischen Erkrankungen eingesetzt werden.

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