Einführung
Das Gehirn, das komplexeste Organ des menschlichen Körpers, ist der Sitz des Bewusstseins, der Intelligenz und der Emotionen. Um seine Strukturen und Prozesse vollständig zu verstehen, ist ein interdisziplinärer Ansatz erforderlich, der sowohl biologische als auch chemische Aspekte berücksichtigt. Dieser Artikel beleuchtet die elementare Zusammensetzung des Gehirns und ihre Bedeutung für seine Funktion.
Die Rolle der Chemie in den Neurowissenschaften
Die Neurowissenschaften basieren auf der Analyse von Aufbau und Funktionsweise der Neuronen und anderer Zelltypen des Nervensystems. Die Zelle, ihre Eigenheiten und die Vernetzung zwischen den Zellen als neuronale Netzwerke werden als ein Entwicklungsabschluss mit gewissen, speziellen Vollendungserscheinungen verstanden. Dabei spielen Moleküle und deren Verbindungen als Relationen untereinander eine entscheidende Rolle.
Die Netze von sehr vielen Makromolekülen in einer Zelle führen dazu, dass die Freiheit der physikalischen Rz und Rw zur Auswirkung kommt. Je mehr Atome und Moleküle diese Freiheiten zueinander haben, desto mehr spezifische Folgen hat das. Es geht dabei um weitere biologisch erzeugende Auswirkungen und um Befreiungen von der biologischen Seite. Zur natur- und naturwissenschaftlichen Seite der neuronalen Strukturen gehört der Aubau der Zellen etc, aus physikalischen und biologischen Grundlagen, bei und also die Strukturen und Prozesse, die auf den „z/w-Komplexionen beruhen.
Die Elementare Zusammensetzung des Gehirns
Von den über 90 in der Erdkruste enthaltenen Elementen sind etwa 40 Elemente in der lebenden Materie vohanden. Die Elementzusammensetzung der Organismen unterscheidet sich beträchtlich von jener der Erdrinde. Die sechs Elemente Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Wasserstoff (H), Stickstoff (N), Schwefel (S) und Phosphor (P) bilden zusammen über 90 % der lebenden Materie. Sie werden ganz allgemein als Baustoffe von Biomolekülen, aber auch als Bestandteil anorganischer Gerüstsubstanzen und von Wasser als dem Milieu der Lebensvorgänge benötigt. In quantitativer Hinsicht treten Mineralstoffe in der Körpersubstanz nur in Ausnahmefällen stärker hervor. Die obengenannten sechs Bioelemente machen zusammen mit Calcium (Ca), Kalium (K), Natrium (Na), Chlor (Cl), Magnesium (Mg) und Eisen (Fe) etwa 99,9% der Biomasse aus. Die restlichen Bioelemente kommen vielfach nur als Spurenelemente vor, die nur in katalytischen Mengen benötigt werden.
Kohlenstoff (C)
Kohlenstoff bildet das Grundgerüst aller organischen Moleküle. Der gesamte Kohlenstoff der Biomasse stammt letzten Endes vom photosynthetisch fixierten Kohlenstoff des Kohlendioxids der Luft ab (Photosynthese). Chemisch-systematisch leiten sich die organischen C-Verbindungen der Lebewesen von Kohlenwasserstoffen, biogenetisch von Kohlenhydraten ab.
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Sauerstoff (O)
Sauerstoff ist Bestandteil fast aller Biomoleküle. Er bildet die reaktiven Zentren für metabolische Umwandlungen von Säuren, Aldehyden, Ketonen, Alkoholen und Ethern. Kohlenwasserstoffe sind erst dann biologisch abbaubar, wenn sie in Verbindungen überführt werden können, die eine Sauerstofffunktion tragen, z.B. durch Hydroxylierung. Sauerstoff ist auch Bestandteil des Hydroxyapatits der Knochen und, was sehr wichtig ist, des Wassers. Der molekulare Sauerstoff der Atmosphäre ist im wesentlichen das Produkt der Photolyse des Wassers in der Photosynthese grüner Pflanzen, die in ihrer Phylogenie die ursprünglich reduzierende Atmosphäre (Uratmosphäre) in die heutige oxidierende Lufthülle verwandelten.
Wasserstoff (H)
Wasserstoff ist in allen Biomolekülen vorhanden und an C, N, O und S gebunden. Die Abspaltung von Wasserstoff ist gleichbedeutend mit Oxidation. Der biologische Prozess, durch den in atmenden Zellen Wasserstoff mit O2 verbunden wird - die Elektronentransportkette - dient der Erzeugung von ATP. An den meisten biologischen Reaktionen nimmt der Wasserstoff als Proton H+ + e- teil. Die Coenzyme NADH und NADPH fungieren als Überträger von H+ und 2e- (äquivalent zu einem Hydridion). Reaktionen, die H2 einbeziehen, sind selten (Wasserstoffmetabolismus).
Stickstoff (N)
Stickstoff ist Bestandteil vieler Biomoleküle, vor allem der lebenswichtigen Proteine und Nucleinsäuren. Molekularer (Luft-)Stickstoff wird im Vorgang der biologischen Stickstofffixierung von bestimmten frei oder symbiotisch lebenden Mikroorganismen zu Ammoniak reduziert. Dieser ist Ausgangsstufe und Endprodukt des Stickstoffmetabolismus.
Schwefel (S)
Schwefel ist in den beiden Aminosäuren Cystein und Methionin und in bestimmten Coenzymen enthalten. Es wird von Pflanzen in Form des Sulfats assimiliert (Sulfatassimilation); Tiere benötigen den ursprünglich von Pflanzen gebundenen.
Phosphor (P)
Phosphor ist sowohl in anorganischen als auch in organischen Verbindungen als Phosphat vorhanden. Die Nucleotidreste der Nucleinsäuren sind durch Phosphatbindungen miteinander verbunden. Die Energieübertragung von einem Molekül (gewöhnlich ATP) auf ein anderes geschieht in Form einer hochenergetischen Phosphatbindung. Phosphat ist auch in vielen Coenzymen enthalten.
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Weitere wichtige Elemente
Neben den genannten Hauptelementen spielen auch Mineralstoffe wie Calcium, Kalium, Natrium, Chlor, Magnesium und Eisen eine wichtige Rolle für die Funktion des Gehirns. Sie sind an der Erregungsleitung in Nervenzellen, der Aufrechterhaltung des Membranpotentials und der Aktivierung von Enzymen beteiligt.
Die Rolle von Gadolinium in der medizinischen Bildgebung
Gadolinium (Gd) ist ein seltenes Erdmetall, das in der medizinischen Bildgebung, insbesondere in der Magnetresonanztomographie (MRT), als Kontrastmittel eingesetzt wird. Aufgrund seiner hohen Toxizität wird es in der Regel in komplexierter Form verwendet, beispielsweise als Gadolinium(III)-Verbindungen mit Chelatoren wie DTPA (Diethylentriaminpentaessigsäure) oder DOTA (1,4,7,10-Tetraazacyclododecantetraessigsäure, Gadotersäure).
Gadolinium besitzt sieben ungepaarte Elektronen in der f-Schale und ist daher stark paramagnetisch. Dies ermöglicht es, die Relaxationszeit der umgebenden Protonen, insbesondere des Wassers, zu verkürzen, was zu einer verbesserten Bildqualität in der MRT führt. Gadolinium-basierte Kontrastmittel können auch für Untersuchungen am Gehirn verwendet werden, da die Gadolinium-Komplexe die Blut-Hirn-Schranke bei gesunden Patienten nicht überwinden können. Eine Störung der Blut-Hirn-Schranke kann somit durch die Anreicherung von Gadolinium im Gehirngewebe detektiert werden und auf pathologische Prozesse hinweisen.
Neuronale Netzwerke und Signalübertragung
Nervenzellen sind miteinander durch Synapsen verbunden, an denen Signale in Form von Botenstoffen übertragen werden. Unser Nervensystem besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die untereinander vernetzt sind und dadurch zu komplexen Rechenleistungen in der Lage sind. Die Nervenzellen besitzen eine Antennenregion, die durch den Zellkörper und deren Fortsätze (Dendriten) gebildet wird. Die Signale werden dann verrechnet und durch ein „Kabel“, das Axon, in Form von elektrischen Impulsen weitergeleitet. In der Senderregion verzweigt sich das Axon und bildet Kontaktstellen aus, die Synapsen, an denen die Signale auf andere Nervenzellen übertragen werden.
Synaptische Vesikel
Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, werden Calcium-Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, durch die Calcium-Ionen vom Außenraum in das Innere der Synapse strömen. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel, die sich in der Startposition befinden, mit der Plasmamembran verschmilzt.
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Die Bedeutung der Ersten Physik für das Verständnis des Gehirns
Die Biologie und dazu das Gehirn sind aus der Physik entwickelt und stehen in der Wechselbeziehung aller Phasen, unter Einbezug der Sozial- Sprach-, Lebens- etc- wissenschaften und Praxen, vor allem auch der OG-Phase. Die bisherige Erforschung des Gehirns macht sich das zunutze, indem sie einerseits die Lebensführung, das Verhalten und Denken von hirnverletzten Menschen mit den qualitativ und quantitativ Beschreibungen der Fähigkeiten gesunder Menschen vergleicht, die andere Art der neurowissenschaftlichen Studien nutzt die physikalischen Basiserscheinungen , die Erzeugung von elektrischen und magnetischen Feldern bei der Aktivität der Nervenzellen. Die bisherige wissenschaftliche Analyse zeigt, dass die Aktivitäten von Nervenzellen physikalisch elektromagnetisch sind ((MRT) und, dass sie informationstheoretisch zu erfassen sind (CT) sowie, dass beider Schädigung zu differenzierbaren, in der Alltagserfahrung unterscheidbaren Beschreibungen führt.
Die Natur-und Geisteswissenschaften sind durch die Gehirnfunktionen möglich, wie die Gehirnstruktur zugleich Ergebnis dieser allgemeinen Entwicklung von der physikalischen und biologischen Seite ist. Hin zu den Wahrnehmungen, Emotionen und Gedanken. Das Gehirn als Organ ist in seinen Strukturen und Funktionen von den Gesetzen der Biologie und diese von den Gesetzen der Physik bestimmt. Beschrieben und begrifflich erfasst wird das von den Sprachen der Wissenschaften und schließlich von der der einzelnen philosophischen Bereiche, von der Logik, Erkenntnistheorie, Methodologie oder auch die Mathematik zum Beispiel. Hinterfragt werden dann auch die alltagssprachlichen Begriffe, mit denen die Physik arbeitet, was denkt man sich als ein „Teilchen“, was bei der Vorstellung einer „Welle“.
Gehirn-Funktionsbereiche
Die Gehirn-Funktionsbereiche sind vielfältig. Der Hirnstamm, der entwicklungsgeschichtlich älteste Teil des Gehirns, ist für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig. Er steuert die Herzfrequenz, den Blutdruck und die Atmung sowie Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- oder Hustenreflex.
Das Zwischenhirn weist mehrere Abschnitte auf, darunter den Thalamus und den Hypothalamus: Im Thalamus werden Sinneseindrücke verarbeitet; über den Hypothalamus werden der Schlaf-Wach-Rhythmus, Hunger und Durst, das Schmerz- und Temperaturempfinden und der Sexualtrieb gesteuert.
Das Kleinhirn koordiniert unsere Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen.
Im Großhirn sitzen auf der einen Seite Sprache und Logik, auf der anderen Seite Kreativität und Orientierungssinn.
In der Hirnrinde - dem äußeren Bereich des Großhirns - sind die Lern-, Sprech- und Denkfähigkeit sowie das Bewusstsein und das Gedächtnis verankert. Hier laufen die Informationen aus den Sinnesorganen zusammen, werden verarbeitet und schließlich im Gedächtnis gespeichert.
Das Limbische System regelt das Affekt- und Triebverhalten und dessen Verknüpfungen mit vegetativen Organfunktionen.
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