Aufbau, Funktion und Ursachen von Gehirnerkrankungen

Das menschliche Gehirn, auch Cerebrum oder Encephalon genannt, ist ein komplexes und vielseitiges Organ, das im Durchschnitt etwa 1.400 Gramm wiegt, wobei das Gewicht je nach Geschlecht und Körpergröße variieren kann. Trotz seiner relativ geringen Masse steuert es nahezu alle lebenswichtigen Körperfunktionen, ermöglicht das Denken, emotionales Erleben und viele weitere Abläufe.

Einführung in die Funktionen des Gehirns

Das Gehirn ist die Informationszentrale unseres Körpers. Hier werden Informationen aus der Umwelt und über den Zustand des Organismus zusammengetragen und zu Reaktionen weiterverarbeitet. Es verarbeitet Sinneseindrücke, koordiniert die Funktionen des Körpers und hält sie aufrecht. Voraussetzung dafür: Milliarden von Gehirnnervenzellen (Neuronen, reizleitende Zellen) müssen ständig miteinander kommunizieren und Informationen austauschen. Über hin- und wegführende Nervenbahnen sind sie mit unserem gesamten Körper verbunden. Die Länge aller Nervenbahnen unseres Gehirns zusammen beträgt ungefähr 5,8 Mio. Kilometer.

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.

Anatomie des Gehirns: Eine detaillierte Übersicht

Das Gehirn besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den sogenannten Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Das Gehirn muss in besonderem Maße vor Verletzungen geschützt werden. Die verschiedenen Leistungen erbringt das Gehirn in jeweils speziell dafür zuständigen Hirnregionen. Diese Regionen entsprechen bestimmten Gebieten des Gehirns, die sich auch anhand der Anatomie nachvollziehen lassen.

Das Nervengewebe des Gehirns besteht aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen:

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• Graue Substanz: Sie enthält alle Zellkörper der Nervenzellen. Bei Groß- und Kleinhirn bildet die graue Masse die umhüllende Rinde. Außerdem befindet sie sich in der weißen Substanz.
• 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 Hauptbestandteile des Gehirns sind:

• Großhirn (Telencephalon): Das Großhirn ist der größte und am höchsten entwickelte Teil des Gehirns. Es nimmt rund 80 Prozent der gesamten Hirnmasse ein und bildet den vordersten Bereich des menschlichen Gehirns. Zum Großhirn gehört die Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Mit ihren Furchen und Windungen ähnelt die Großhirnrinde einer Walnuss. Der innere Teil des Großhirns, der vom Kortex umgeben ist, wird als weiße Substanz (Substantia alba) bezeichnet. Die Großhirnrinde hat eine Dicke von zwei bis fünf Millimetern und besteht aus einer äußeren Schicht (Isocortex oder Neocortex) und einer inneren Schicht (Allocortex). Die Großhirnrinde besteht aus Nervenzellen und sogenannten Gliazellen, die den Raum zwischen den Nervenzellen und den Blutgefäßen ausfüllen. Die Nervenzellen verfügen über Fortsätze (Axone), die die weiße Substanz ausmachen. Dank dieser Axone ist die lokale ebenso wie die überregionale Vernetzung der Gehirnzellen möglich. Jede Gehirnhälfte des Großhirns ist in vier Bereiche eingeteilt:

  • Frontallappen (Stirnlappen): Er befindet sich im vorderen Bereich des Großhirns. Er kontrolliert die Bewegungen und führt kognitive Prozesse aus.
  • Parietallappen (Scheitellappen): Er ist ein primär sensorisches Rindenfeld und ist für somatosensorische Funktionen zuständig.
  • Temporallappen (Schläfenlappen): Im Temporallappen befindet sich das Sprachzentrum, das für das Verständnis und die Verarbeitung von Sprache eine wichtige Rolle spielt. Der mittlere Teil des Temporallappens enthält den Hippocampus, der für das Gedächtnis von größter Bedeutung ist. Im Hippocampus werden Informationen aus dem Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis überführt.
  • Okzipitallappen (Hinterhauptlappen): Er ist der hinterste und auch kleinste der vier Hirnlappen.

• Kleinhirn (Cerebellum): Das Kleinhirn wiegt mit circa 130 bis 140 Gramm zehnmal weniger als das Großhirn. Das Kleinhirn liegt an der Basis des Schädels unter dem Hinterhauptlappen des Großhirns. Es stimmt Bewegungen aufeinander ab und speichert Abläufe, sodass nach einiger Übung bestimmte Bewegungen automatisch erfolgen. Verbindungen zur Großhirnrinde, zum Hirnstamm, zum Rückenmark und zum Gleichgewichtsorgan ermöglichen es dem Kleinhirn, seine wichtigen Funktionen zu erfüllen. Wie das Großhirn hat auch das Cerebellum eine Rinde; in ihr liegt die graue Substanz des Kleinhirns: die Zellkörper der Nervenzellen.

• Zwischenhirn (Diencephalon): Das Zwischenhirn liegt zwischen Großhirn und Hirnstamm. Im Thalamus treffen Informationen aus dem Körper und den verschiedenen Sinnesorganen ein. Der Thalamus leitet die Signale an das Großhirn weiter, nachdem er die Informationen im Vorfeld gefiltert hat. Der Hypothalamus steuert als übergeordnetes Schaltzentrum zum Beispiel den Schlaf-Wach-Rhythmus, den Wasserhaushalt, die Schweißsekretion sowie Schmerz- und Temperaturempfinden. Er lässt sich sowohl über Nerven als auch durch Hormone beeinflussen. Der Hypothalamus steht in direktem Kontakt mit der Hirnanhangsdrüse (Hypophyse) und verbindet das Hormon- mit dem Nervensystem.

• Hirnstamm (Truncus cerebri): Der Hirnstamm ist der älteste Teil des Gehirns. Er befindet sich unter den anderen Abschnitten nahe dem Rückenmark und wird fast vollständig von beiden Hirnhälften, den Hemisphären, umschlossen. Im Nachhirn kreuzen die aus dem Rückenmark kommenden Nervenbahnen. Das führt dazu, dass Informationen einer Körperseite in der gegenüberliegenden Hirnhälfte verarbeitet werden. Der Hirnstamm dient als Verbindung zwischen Rückenmark und Großhirn. Er besteht aus dem Mittelhirn (Mesencephalon), der Brücke (Pons) und dem verlängerten Mark (Medulla oblongata). Der Hirnstamm ist für eine Vielzahl überlebenswichtiger Funktionen zuständig. Er koordiniert automatische Abläufe wie die Atmung und den Herzschlag, außerdem kontrolliert er auch Reflexe wie Husten, Harndrang, Erbrechen und Schlucken.

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Zellulärer Aufbau: Neuronen und Gliazellen

Das Gehirn besteht aus einer Reihe unterschiedlicher Gehirnzellen. Die wichtigsten und häufigsten Gehirnzellen sind die Nervenzellen (Neurone): Von ihnen gibt es im menschlichen Gehirn ungefähr 200 Milliarden. Der Körper der Nervenzelle misst etwa 5 bis 100 Mikrometer (1 Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter). Die Nervenzellfortsätze verjüngen sich auf einen Durchmesser von etwa einem Mikrometer. Am Ende des Axons befinden sich die Endplatten. Dort, wo sie die benachbarte Zelle berühren, bilden sich Synapsen aus. Die Gehirnzellen tauschen Informationen untereinander durch chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) über die Synapsen aus. Je mehr Synapsen eine Nervenzelle hat, desto mehr Informationen kann sie übertragen. Nervenzellen teilen sich nach der Geburt nicht mehr.

Die Nervenzellen werden von den sogenannten Gliazellen umhüllt. Gliazellen machen etwa 50 Prozent der gesamten Hirnmasse aus. Die meisten Hirntumoren entstehen aus diesen Gliazellen (sog. Gliome, z. B. Astrozyten haben für den Stoffwechsel und die Versorgung des Gehirns eine wichtige Funktion und sind am Aufbau der Blut-Hirn-Schranke beteiligt. Oligodendrozyten bilden die Markscheiden um die Nervenzellfortsätze, die Ependymzellen kleiden die Gehirnkammern (Ventrikel) aus.

Schutzmechanismen des Gehirns

Das Gehirn muss in besonderem Maße vor Verletzungen geschützt werden. Im Schädel finden sich einige Aussparungen, die sogenannten Foramina (lateinisch für "Löcher"). Hier treten vor allem Blutgefäße in den Schädel ein beziehungsweise aus. Durch die größte Öffnung, das Foramen magnum, steht der Hirnstamm mit dem Rückenmark in Verbindung.

Das Gehirn wird von den Schädelknochen und innerhalb des Schädels von drei Hirnhäuten (Meningen) umgeben:

• harte Hirnhaut (Dura mater)
• Spinngewebshaut (Arachnoidea): Hier verlaufen zahlreiche Blutgefäße.
• Bedeutsam sind auch die zahlreichen feinen Blutgefäße des Gehirns: die Kapillaren.

In dieser festen Hülle schwimmt es gewissermaßen im Hirnwasser, dem Liquor. Liquor ist die Flüssigkeit, die Gehirn und Rückenmark umgibt. Die Ventrikel stehen mit den äußeren Liquorräumen in Verbindung. Auch das Rückenmark ist von Liquor umgeben.

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Die Blut-Hirn-Schranke lässt nur wenige Stoffe passieren. Welche Stoffe die Blut-Hirn-Schranke durchlässt, kontrollieren die Endothel- und Gliazellen.

Funktionelle Karte des Gehirns

Mit dem heutigen Wissen lässt sich eine sogenannte funktionelle Karte des Gehirns erstellen. Da sich die meisten Hirnleistungen einer bestimmten anatomischen Hirnregion zuordnen lassen, weisen bestimmte Ausfälle - etwa Bewegungsstörungen, Sprachstörungen oder Sehstörungen - bereits auf krankhafte Veränderungen eines bestimmten Hirnareals hin.

• Stirnhirn: Hier sind die Funktionen von Intelligenz, Sprache (motorisches Sprachzentrum), die Persönlichkeitsmerkmale sowie die Bewegungssteuerung zu finden.
• Schläfenlappen: Zellen des Schläfenlappens sind wichtig für das Gedächtnis, für Gefühle und Emotionen. Der Schläfenlappen beherbergt zudem die Hörrinde und das Sprachverständnis.
• Hirnstamm: Im Hirnstamm befinden sich Nervenbahnen, die das Gehirn mit dem Rückenmark verbinden. Weiterhin liegt dort das Atemzentrum. Es regelt die Atmung, das Herz-Kreislauf-System und den Blutdruck.
• Hirnanhangsdrüse (Hypophyse): Sie schüttet Hormone oder Vorstufen von Hormonen in die Blutbahn aus.
• Kleinhirn: Es hält Bewegungsprogramme bereit und stimmt Bewegungsabläufe ab.

Kommunikation im Gehirn: Nervenbahnen und Hirnnerven

Dem Hirnstamm entspringen zwölf paarige Hirnnerven (I-XII). Sie haben motorische (Bewegung), sensible oder sensorische (Empfindungen) sowie vegetative (lebenswichtige Vorgänge) Funktionen.

Beispiele für Hirnnerven und ihre Funktionen:

• Nervus ophthalmicus: Empfindungen an Auge, Gesichtshaut, Nasenschleimhaut
• Nervus maxillaris: Oberkiefer und Zähne, Rachen
• Nervus mandibularis: Haut und Schleimhaut des Unterkiefers, Unterkieferzähne, Zunge, Kaumuskulatur
• Nervus abducens (VI): versorgt einen Augenmuskel
• Nervus fascialis (VII): Gesichtsmuskulatur (Mimik), Geschmack, Kopfdrüsen
• Nervus vestibulocochlearis (VIII): Hören, Gleichgewicht
• Nervus glossopharyngeus (IX): Geschmack, Schlucken (Schlundmuskeln)
• Nervus vagus (X), sog.

Alle weiteren Nerven, die das Gehirn mit Informationen versorgen beziehungsweise Informationen vom Gehirn in die verschiedenen Körperregionen transportieren, entspringen im Rückenmark.

Sensorisches, motorisches und vegetatives Nervensystem

Über das Nervensystem tritt der Mensch in Kontakt mit seiner Umwelt. So nehmen beispielsweise Augen, Ohren, Nase, Zunge und Sensoren in der Haut, wie beispielsweise Temperatur- und Berührungssensoren, Reize aus der Umwelt wahr und leiten sie weiter zum Zentralnervensystem. Auch Informationen über den Zustand des eigenen Organismus, wie z.B. die Stellung des Körpers oder Hunger und Durst, werden registriert. Dieser Teil des Nervensystems wird als sensorisches Nervensystem bezeichnet.

Dem gegenüber steht das motorische Nervensystem. Mit ihm reagiert der Organismus auf Signale aus seiner Umgebung oder vom Körper selbst. So steuert das motorische Nervensystem die Muskulatur und ermöglicht uns damit, Handlungen auszuführen und sich in der Umwelt zu bewegen.

Daneben hat das Nervensystem aber auch Aufgaben, die wir nicht bewusst kontrollieren können. Jeder kennt die Situation: Beim Sport oder in Stresssituationen erhöht sich automatisch der Herzschlag, die Atmung wird schneller und man beginnt zu schwitzen. Verantwortlich dafür ist das vegetative Nervensystem, das auch als autonomes oder unwillkürliches Nervensystem bezeichnet wird, weil es nicht unserem Willen unterworfen ist. Das vegetative Nervensystem kontrolliert die Muskulatur aller Organe, regelt also lebenswichtige Körperfunktionen wie Herztätigkeit, Atmung, Kreislauf, Stoffwechsel, Verdauung, Ausscheidung, Schweißbildung, Körpertemperatur und Fortpflanzung. Außerhalb von Gehirn und Rückenmark besteht es aus dem Sympathikus und seinem Gegenspieler, dem Parasympathikus.

Evolution des Gehirns

Vor mehr als einer halben Milliarde Jahren machte die Natur eine geniale Erfindung: Sie schuf Neurone. Zellen, die Reize empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Die Stammesgeschichtlich alten, wirbellosen Quallen haben kein Gehirn.

Konsequenterweise führte die Evolution im Verlauf der Entwicklung zwischen Schwämmen und Quallen eine Neuerung ein: die Nervenzellen (Neurone). Ein Schwamm, der weder auf die Jagd geht noch vor Feinden flüchten kann, benötigt keine Signalleitungen - folglich hat er keine Neurone. Die mobilen, räuberischen Quallen hingegen gehören zu den ältesten heute noch existierenden Organismen, die über ein einfaches Nervensystem verfügen. Diese Konstruktion erprobte die Natur erst bei den Würmern. Im Gegensatz zu radialsymmetrischen Tieren wie Quallen oder Seesternen lassen sich bei ihnen bereits vorn und hinten unterscheiden - und das bedeutete einen gewaltigen Sprung bei der Evolution des Gehirns.

Schlägt ein Tier bevorzugt eine Richtung ein, also vorwärts, ist es sinnvoll, wenn sich ein Großteil seiner Nerven und Sinneszellen am vorderen Ende konzentriert. Die Plattwürmer zählen zu den einfachsten Kreaturen, bei denen sich dieser Bauplan beobachten lässt: Vorn sitzt ein Kopf, und darin ruht das Gehirn.

Im Laufe der Entwicklung zu komplexeren Gehirnen vergrößerte sich bei Wirbeltieren vor allem das Vorderhirn. Bei allen äußeren Unterschieden ist das Hirn bei Fisch und Vogel, Ratte und Mensch grundsätzlich ähnlich konzipiert: Der Hirnstamm steuert lebenserhaltende Funktionen wie Herzschlag und Atmung, das Kleinhirn koordiniert unter anderem Bewegungen, und das Vorderhirn dient anspruchsvollen Aufgaben wie Planen, Bewerten von Informationen und Entscheiden. Während sich der Hirnstamm im Verlauf der Evolution relativ wenig veränderte, erkor die Baumeisterin Natur das Vorderhirn zu ihrer Lieblingsbaustelle.

Der Fortschritt hin zu immer mehr Leistung, Lernbereitschaft und zu komplexeren Fähigkeiten ist in erster Linie dem Aufblähen einer äußeren Schicht des Vorderhirns, der Großhirnrinde, zu verdanken. Ihr stammesgeschichtlich jüngster Teil wird Neokortex genannt und existiert nur bei Säugetieren. Könnte man die Großhirnwindungen im menschlichen Kopf glätten, würden sie eine Fläche von vier DIN-A4-Blättern bedecken - viermal so groß wie beim Schimpansen.

Gehirnerkrankungen: Ursachen und Beispiele

Stimmt etwas nicht mehr mit unserem Gehirn, so bekommen wir dies auf vielfältige Weise zu spüren. Krankheiten, die unser Gehirn betreffen, sind so vielfältig wie das Organ selbst. 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.

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. Je nachdem, welcher Bereich des Gehirns beschädigt wird, können ganz unterschiedliche Symptome auftreten.

Beispiele für Gehirnerkrankungen:

• 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.
• Multiple Sklerose oder Epilepsie: Erkrankungen, die das Gehirn auf der Zellebene schädigen.
• Depressionen, Bipolare Störungen oder Schizophrenie: Erkrankungen, die auf einer gestörten Balance des Gehirns beruhen.
• Gehirnerschütterung: Die leichteste Form der Gehirnerkrankung.

Lateralisation und synaptische Plastizität

Bei der Gehirnfunktion spielt die Lateralisation eine wichtige Rolle. Dies bedeutet, dass bestimmte Prozesse bevorzugt in einer der beiden Gehirnhälften des Organismus stattfinden. So ist beispielsweise die linke Gehirnhälfte bei der Sprachproduktion sowie beim Lösen mathematischer Aufgaben ausschlaggebend. Die rechte Gehirnhälfte hingegen dominiert bei der räumlichen Wahrnehmung und der Gesichtserkennung.

Die synaptische Plastizität gilt als Grundlage von Gedächtnis und Lernen. Als synaptische Plastizität bezeichnet man die Fähigkeit, Signale zur Übertragung von Informationen zwischen zwei Nervenzellen variieren zu können. Bei der Übertragung von Informationen kann die Synapse mehr oder weniger Botenstoffe ausschütten, um die Stärke der Signale zu regulieren. Im erwachsenen Gehirn werden fortlaufend neue Synapsen gebildet.

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