Das Gehirn: Aufbau, Funktion und Bedeutung der grauen Substanz

Das Gehirn, auch Encephalon oder Cerebrum genannt, ist die Steuerzentrale des Körpers. Es ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das lebenswichtige Aufgaben wie die Steuerung von Atmung, Kreislauf, Schlaf-Wach-Verhalten und vieles mehr übernimmt. Über hin- und wegführende Nervenbahnen ist es mit unserem gesamten Körper verbunden. Die Länge aller Nervenbahnen unseres Gehirns zusammen beträgt ungefähr 5,8 Mio. Kilometer. Dieser Artikel bietet einen detaillierten Überblick über den Aufbau, die Funktionen und die Bedeutung der grauen Substanz im Gehirn.

Anatomie des Gehirns: Ein Überblick

Das Gehirn 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 menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Hauptabschnitte gliedern:

1. Großhirn (Telencephalon): Der größte und schwerste Teil des Gehirns, verantwortlich für höhere kognitive Funktionen.
2. Zwischenhirn (Diencephalon): Enthält wichtige Strukturen wie Thalamus und Hypothalamus, die eine zentrale Rolle bei der Steuerung von Sinneswahrnehmungen und vegetativen Funktionen spielen.
3. Mittelhirn (Mesencephalon): Verbindet das Zwischenhirn mit dem Kleinhirn und ist Teil des Hirnstamms.
4. Kleinhirn (Cerebellum): Verantwortlich für die Koordination von Bewegungen und das Gleichgewicht.
5. Nachhirn (Myelencephalon/Medulla oblongata): Bildet den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark und ist für lebenswichtige Funktionen wie Atmung und Kreislauf zuständig.

Graue und weiße Substanz: Die Bausteine des Gehirns

Genau wie das Rückenmark besteht das Gehirn aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen: der grauen und der weißen Substanz.

• Graue Substanz: Sie enthält alle Zellkörper der Nervenzellen (Neuronen). Bei Groß- und Kleinhirn bildet die graue Masse die umhüllende Rinde. Außerdem befindet sie sich in der weißen Substanz. Die graue Substanz besteht in erster Linie aus Nervenzellkörpern. Der Name kommt daher, dass die Nervenzellen im lebenden Organismus rosa sind, sich nach dessen Tod aber grau verfärben. Aus grauer Substanz bestehen etwa die Großhirnrinde, die Basalganglien, die Kleinhirnrinde und die Hirnnervenkerne. Etwa 80 Prozent der Hirndurchblutung sind für die Versorgung der grauen Substanz notwendig.
• Weiße Substanz: Sie 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. Die weiße Substanz findet sich im Mark von Großhirn und Kleinhirn.

Die Rolle der grauen Substanz im Detail

Die graue Substanz ist der Ort, an dem die eigentliche Informationsverarbeitung im Gehirn stattfindet. Die Nervenzellkörper in der grauen Substanz empfangen Signale von anderen Neuronen über Synapsen, verarbeiten diese und leiten sie an andere Neuronen weiter. Diese komplexe Vernetzung ermöglicht es dem Gehirn, Informationen zu speichern, zu verarbeiten und darauf zu reagieren.

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Großhirnrinde: Zentrum höherer kognitiver Funktionen

Die Großhirnrinde, die äußere Schicht des Großhirns, besteht hauptsächlich aus grauer Substanz. 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. Darauf befinden sich 52 Rindenfelder, die nach verschiedenen Funktionen eingeteilt werden. Das sind Hirnareale mit verschiedenen Aufgaben, in denen die Nervenbahnen enden oder entspringen. Die Großhirnrinde ist in verschiedene Lappen unterteilt, die jeweils spezifische Funktionen haben:

• Frontallappen: Verantwortlich für höhere kognitive Funktionen wie Planung, Entscheidungsfindung, Problemlösung und willkürliche Bewegungen.
• Parietallappen: Zuständig für die Verarbeitung sensorischer Informationen wie Berührung, Temperatur, Schmerz und räumliche Wahrnehmung.
• Temporallappen: Spielt eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von auditorischen Informationen, dem Gedächtnis und der Sprache.
• Okzipitallappen: Verantwortlich für die Verarbeitung visueller Informationen.
• Insellappen: viele verschiedene Funktionen, z.B.

Die Großhirnrinde lässt sich in den jüngeren, 6-schichtigen Isokortex und den älteren, 3- bis 5-schichtigen Allokortex unterteilen. Der Isokortex macht mit 92 % den größten Anteil aus. Zum Allokortex werden vereinfacht die Riechrinde und der Hippocampus gezählt. Der 3-schichtige Hippocampus ist Teil des limbischen Systems.

Basalganglien: Steuerung von Bewegung und Verhalten

Die Basalganglien sind eine Gruppe von Kernen grauer Substanz, die tief im Gehirn liegen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung von Bewegungen, dem Erlernen von Gewohnheiten und der Regulation des Verhaltens. Zu den Basalganglien gehören unter anderem:

• Striatum: Empfängt Informationen aus der Großhirnrinde und leitet sie an andere Basalganglien weiter. Das Striatum, zu dem der Ncl. caudatus, das Putamen und der Ncl. accumbens gezählt werden, ist Eingang der Basalganglien.
• Globus pallidus: Reguliert die Aktivität des Thalamus und beeinflusst so die Bewegungssteuerung. Putamen und Globus pallidus (blasser Kern) werden aufgrund ihrer Form auch unter dem Begriff Ncl. lentiformis (Linsenkern) zusammengefasst.
• Substantia nigra: Produziert Dopamin, einen Neurotransmitter, der für die Bewegungssteuerung und das Belohnungssystem wichtig ist. Eine Degeneration der Neurone in der Substantia nigra verursacht durch ein Ungleichgewicht im Regelkreis eine Hypokinese beim Morbus Parkinson.
• Ncl. accumbens: (Belohnungszentrum) und der Ncl. basalis (Meynert, gerichtete Aufmerksamkeit).

Kleinhirnrinde: Koordination und Präzision

Auch das Kleinhirn besitzt eine Rinde aus grauer Substanz, die Kleinhirnrinde. Das Kleinhirn ist vor allem für das Gleichgewicht und die Steuerung von erlernten Bewegungsabläufen verantwortlich. Sie ist für die Koordination von Bewegungen, das Gleichgewicht und die Feinabstimmung motorischer Fähigkeiten zuständig. Es speichert erlernte Bewegungen.

Hirnnervenkerne: Schaltstellen für sensorische und motorische Signale

Die Hirnnervenkerne sind Ansammlungen von Nervenzellkörpern im Hirnstamm, die als Schaltstellen für sensorische und motorische Signale dienen. Dem Gehirn entspringen zwölf paarige Nerven, die den Kopf, den Hals und Organe im Rumpf versorgen.

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Funktion des Gehirns: Ein komplexes Zusammenspiel

Das Gehirn übernimmt alle lebenswichtigen Funktionen unseres 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. - miteinander verbunden.

Die Gehirnzellen sind durch Synapsen, Kontaktstellen zwischen den Zellen, miteinander verbunden. Diese Kontaktstellen spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung der Nachrichten. 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.

Neuronale Plastizität: Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns

Die Synapsen können dabei nutzungsabhängig optimiert und verändert werden. Der Prozess heißt auch neuronale oder synaptische Plastizität. Das beantwortet zum Beispiel die Frage „Wie lernt das Gehirn?“. Denn Lernfähigkeit kommt dadurch zustande, dass durch ständiges Wiederholen entsprechende Synapsen verstärkt werden.

Energieverbrauch und Blutversorgung des Gehirns

Da der Energieverbrauch des Gehirns so hoch und der Stoffwechsel dort so aktiv ist, benötigt es sehr viel Sauerstoff und Glucose (Energielieferant). Denn obwohl das Gehirn nur 2% des Körpergewichts ausmacht, geht ungefähr ein Fünftel unseres gesamten Sauerstoffbedarfs an das Gehirn. Die Durchblutung des Gehirns läuft über zwei große, jeweils in Paaren angelegte Arterien ab. Seitlich am Hals entlang verläuft die innere Halsschlagader (Arteria carotis interna), die aus der Halsschlagader (Arteria carotis communis) entspringt. Zwischen 15 und 20 Prozent des Herzminutenvolumens entfällt auf die Blutversorgung des Gehirns.

Damit keine schädlichen Substanzen aus dem Blut ins Gehirn gelangen, gibt es eine Schranke. Die sogenannte Blut-Hirn-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen dar.

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Erkrankungen des Gehirns

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. Einige Beispiele für Erkrankungen des Gehirns sind:

• Schlaganfall: Eine Durchblutungsstörung im Gehirn durch den Verschluss eines Blutgefäßes, die zu Sauerstoffunterversorgung im entsprechenden Gebiet führt.
• Gehirntumor: 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.

Die hier genannten Erkrankungen treten also alle im ersten Teil des zentralen Nervensystems (ZNS) - dem Gehirn - auf. Den zweiten Teil des ZNS bildet das Rückenmark.

Entwicklung des Gehirns

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.

Das limbische System: Emotionen und Gedächtnis

Das limbische System 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. 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.

Das motorische System: Bewegung und Interaktion

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.

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