Obwohl der Mensch anderen Lebewesen intellektuell überlegen ist, besitzt er nicht das größte Gehirn. Das durchschnittliche Gewicht des menschlichen Gehirns beträgt etwa 1,5 Kilogramm. Im Vergleich dazu wiegt das Gehirn eines Elefanten vier- bis fünfmal mehr. Auch im Verhältnis zum Körpergewicht ist der Mensch nicht führend, da das Gehirn einer Maus etwa fünf Prozent ihres Körpergewichts ausmacht, was mehr als dem Doppelten des menschlichen Gehirns entspricht. Die außergewöhnliche Geisteskraft des Menschen beruht nicht auf der Masse des Gehirns, sondern auf der komplexen Vernetzung der etwa 100 Milliarden Gehirnzellen.
Was ist das Gehirn?
Das Gehirn (Encephalon) ist der Teil des zentralen Nervensystems, der sich innerhalb des knöchernen Schädels befindet und diesen ausfüllt. Es besteht aus unzähligen Nervenzellen, die über zuführende und wegführende Nervenbahnen mit dem Organismus verbunden sind und diesen steuern. Das Gehirnvolumen beträgt etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse. Das Gewicht des Gehirns macht mit 1,3 bis 1,5 Kilogramm ungefähr zwei Prozent des Körpergewichts aus.
Anzahl der Gehirnzellen
Ein Mensch hat ungefähr 100 Milliarden Gehirnzellen, die das zentrale Nervensystem, unser Gehirn, aufbauen und untereinander verknüpft sind. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt.
Gliazellen
Die Nervenzellen im Gehirn sind eingebettet in ein stützendes Gewebe aus Gliazellen.
Hirnhäute
Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater, Arachnoidea und Pia mater.
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Gehirn-Aufbau: Fünf Abschnitte
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
Hirnregionen und ihre Funktionen
Die verschiedenen Anteile der Großhirnrinde übernehmen ganz unterschiedliche Funktionen.
Großhirn (Telencephalon)
Das Großhirn ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern.
Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus.
Hirnstamm
Im unteren Schädelbereich befindet sich die Hirnbasis, die - entsprechend der knöchernen Schädelbasis - stärker modelliert ist. Hier liegt der Hirnstamm. Der Hirnstamm ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und besteht aus Mittelhirn, Medulla oblongata und Brücke (Pons).
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Mittelhirn (Mesencephalon)
Das Mesencephalon ist der kleinste Abschnitt des Gehirns.
Medulla oblongata (Myelencephalon)
Das auch als Nachhirn bezeichnete Myelencephalon stellt den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark dar.
Kleinhirn (Cerebellum)
Oberhalb des Hirnstamms und unterhalb der beiden Großhirnhemisphären sitzt das Kleinhirn.
Graue und weiße Substanz
Die graue Substanz im Gehirn 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. Die Basalganglien sind eine Gruppe Großhirn- und Zwischenhirnkerne aus grauer Substanz.
Neben der grauen Substanz gibt es noch die weiße Substanz, die aus den Nervenzellfortsätzen, den Nervenfasern (Axonen), besteht. Die weiße Substanz findet sich im Mark von Großhirn und Kleinhirn.
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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). 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).
Blutversorgung des Gehirns
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. Der Gefäßring und seine Äste liegen zwischen zwei Hirnhäuten (der Spinngewebshaut und der inneren Hirnhaut) im sogenannten Subarachnoidalraum und sind dort von Liquor (Hirn-Rückenmarksflüssigkeit) umgeben, der die dünnwandigen Gefäße schützt.
Liquor und Ventrikelsystem
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.
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.
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. Die Gehirnkapazität ist deutlich größer als die, die wir im Alltag tatsächlich nutzen. Das bedeutet: Ein Großteil unserer Gehirnkapazität ist ungenutzt.
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.
Welche Funktion hat das Gehirn?
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.
Thalamus, Hypothalamus und Hypophyse
Der Thalamus ist ein wichtiger Teil des Zwischenhirns, der als „Tor zum Bewusstsein“ gilt. Der Hypothalamus steuert zahlreiche Körperfunktionen. Die Hypophyse ist mit dem Hypothalamus über einen Stiel verbunden und ist eine wichtige Hormondrüse.
Kleinhirn und Großhirn
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.
Limbisches System
Das Limbische System regelt 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 hat verschiedene Aufgaben im Zusammenhang mit Emotionen, während der Hippocampus der Arbeitsspeicher unseres Gehirns und die Schaltstelle zwischen dem Kurz- und dem Langzeitgedächtnis ist.
Gedächtnis
Eine sehr wichtige Funktion des Gehirns ist das Gedächtnis - vom Ultrakurzzeit- über das Kurzzeit- bis zum Langzeitgedächtnis.
Wie funktioniert das Gehirn?
Ein reibungsloses Funktionieren aller Organe und Gewebe im Körper sowie ein sinnvolles Verhalten sind nur möglich, wenn alle Organfunktionen von einer übergeordneten Kontrollinstanz koordiniert und kontrolliert werden und alle Informationen, die uns die Umwelt liefert, aufgenommen, verarbeitet und beantwortet werden. Diese Aufgabe leistet unser Gehirn, das Netzwerk aus Milliarden von Nervenzellen (Neuronen).
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.
Gehirngröße und Intelligenz
Biologische Männer sind im Schnitt größer, schwerer und haben eine stärker entwickelte Muskulatur als biologische Frauen - und sie haben ein größeres Gehirn. Die menschliche Schaltzentrale des Körpers wiegt rund 1.300 Gramm, wobei die des Mannes etwa 100 Gramm schwerer ist. Dies bedeutet keinesfalls, dass biologische Männer intelligenter sind als das weibliche Pendant. Denn die Gehirngröße ist vielmehr von Gewicht und Statur des Trägers abhängig.
Die relative Größe des Gehirns in einem Tier wird häufig als Maß für dessen Intelligenz betrachtet. So haben Menschen mit 1,3 bis 1,5 Kilogramm deutlich kleinere und leichtere Gehirne als Pottwale (8,5 Kilogramm) und Elefanten (5 Kilogramm), doch bezogen auf die Körpermasse liegen sie auf den ersten Blick weit vorn im Tierreich: Das Denkorgan macht rund zwei Prozent ihres Gewichts aus.
Die Wissenschaftler analysierten Daten zu Gehirngröße und Körpergewicht von Hunderten lebenden und ausgestorbenen Fledermausarten, Raubtieren und Primaten. Dabei zeigten sich über die Millionen von Jahren unterschiedliche Trends.
Bei Fledermäusen zum Beispiel verkleinerte sich das Gehirn in evolutionären Schrumpfphasen sehr viel langsamer als der Körper, was zu einem erhöhten relativen Gehirngewicht führte. Wahrscheinlich stecken adaptive Vorteile dahinter, vermuten die Autoren: Mit kleinerem Körper konnten die Tiere leichter in der Luft manövrieren, verfügten aber weiter über ausreichend kognitive Leistungsfähigkeit, um in unübersichtlichem Gelände zu navigieren und zu jagen. Bei Primaten hingegen schrumpft das Gehirn in solchen Phasen ein bisschen schneller als der Körper.
Evolution des Gehirns
Im Laufe der Evolution hat sich das Gehirn als wesentlicher Erfolgsfaktor für das Überleben herausgestellt. Besonders dem Menschen kam die Entwicklung zugute - hat dessen Gehirn doch im Vergleich zu anderen Säugetieren ein erheblich größeres Wachstum erfahren. Welche molekularen Mechanismen der Vergrößerung des Gehirns während der Evolution von Säugetieren zugrunde liegen, erforscht u.a. Prof. Wieland Huttner vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG). Mit seinem Team beschrieb er 2015 die Schlüsselrolle eines Gens, das nur beim Menschen und bei unseren nächsten ausgestorbenen Verwandten, den Neandertalern und Denisova-Menschen, vorkommt. Dieses Gen ARHGAP11B bewirkt, dass sich die so genannten basalen Hirnstammzellen vermehren und dadurch mehr Nervenzellen gebildet werden können, was letztendlich zu einem größeren und gefalteten Gehirn führt.