Gehirnanatomie: Innerer Aufbau und Funktionen

Das Gehirn, auch Cerebrum oder Encephalon genannt, ist die Steuerzentrale des Körpers und übernimmt lebenswichtige Aufgaben wie die Steuerung von Atmung und Kreislauf. Es befindet sich im Kopf, geschützt durch die knöcherne Schädeldecke, und geht im Bereich des Hinterkopfs in das Rückenmark über. Über hin- und wegführende Nervenbahnen ist es mit dem gesamten Körper verbunden. Die Länge aller Nervenbahnen unseres Gehirns zusammen beträgt ungefähr 5,8 Mio. Kilometer.

Aufbau des Gehirns

Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:

• Großhirn (Telencephalon)
• Zwischenhirn (Diencephalon)
• Mittelhirn (Mesencephalon)
• Kleinhirn (Cerebellum)
• Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)

Gewebeanteile des Gehirns

Das Nervengewebe des Gehirns ist von drei verschiedenen Hirnhäuten (Meningen) geschützt, bevor es vom Schädel umgeben wird. Diese Hirnhäute setzen sich außerhalb des Gehirns in den Rückenmarkshäuten fort. Genau wie das Rückenmark besteht das Gehirn aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen:

• 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. Etwa 80 Prozent der Hirndurchblutung sind für die Versorgung der grauen Substanz notwendig. Aus grauer Substanz bestehen etwa die Großhirnrinde, die Basalganglien, die Kleinhirnrinde und die Hirnnervenkerne.
• 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.

Großhirn (Telencephalon)

Das Großhirn ist das größte und schwerste Gehirnareal und nimmt rund 80 Prozent der gesamten Hirnmasse ein. Es ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Um seine Oberfläche noch weiter zu vergrößern, ist es stark gefaltet und bildet viele Gehirnwindungen (Gyri), die durch Gräben (Sulci) voneinander getrennt sind. Die Großhirnrinde bildet die Oberfläche des Großhirns. Darauf befinden sich 52 Rindenfelder, die nach verschiedenen Funktionen eingeteilt werden. Das sind Hirnareale mit verschiedenen Aufgaben, in denen die Nervenbahnen enden oder entspringen.

Aufbau des Großhirns:

• Großhirnrinde (Kortex): Äußere Schicht des Großhirns, bestehend aus grauer Substanz. Sie ist 2 bis 3 Millimeter dick und wird auch, wegen ihres Aussehens, als graue Substanz bezeichnet. Ihre graue Farbe erhält die Großhirnrinde von den Zellkörpern der Neurone. Hier laufen die Informationen aus den Sinnesorganen zusammen, werden verarbeitet und schließlich im Gedächtnis gespeichert. In der Hirnrinde sind die Lern-, Sprech- und Denkfähigkeit sowie das Bewusstsein und das Gedächtnis verankert.
• Weiße Substanz (Substantia alba): Innerer Teil des Großhirns, der vom Kortex umgeben ist. Sie besteht aus den Nervenzellfortsätzen der Großhirnrinde, den sogenannten Axonen. Dank dieser Axone ist die lokale ebenso wie die überregionale Vernetzung der Gehirnzellen möglich.
• Gehirnlappen: Jede Gehirnhälfte des Großhirns ist in vier Bereiche eingeteilt:
  • Frontallappen (Stirnlappen): Er befindet sich im vorderen Bereich des Großhirns, kontrolliert die Bewegungen und führt kognitive Prozesse aus. Im Stirnhirn sind die Funktionen von Intelligenz, Sprache (motorisches Sprachzentrum), die Persönlichkeitsmerkmale sowie die Bewegungssteuerung zu finden.
  • Parietallappen (Scheitellappen): Er ist ein primär sensorisches Rindenfeld und ist für somatosensorische Funktionen zuständig.
  • Temporallappen (Schläfenlappen): Hier 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. Zellen des Schläfenlappens sind wichtig für das Gedächtnis, für Gefühle und Emotionen. Der Schläfenlappen beherbergt zudem die Hörrinde und das Sprachverständnis.
  • Okzipitallappen (Hinterhauptlappen): Er ist der hinterste und auch kleinste der vier Hirnlappen.

Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn liegt zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn. Es besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus.

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• Thalamus: Er kann als „Tor zum Bewusstsein“ vorgestellt werden. Seine Funktion ist die Sammlung fast aller Sinneswahrnehmungen und die Weiterleitung an das primär sensorische Rindenfeld im Scheitellappen des Großhirns. 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. Dies vermeidet, dass das Hirn überlastet wird.
• Hypothalamus: Er kontrolliert den Hormonhaushalt und stellt damit sozusagen die Verbindung zwischen Hormon- und Nervensystem dar. Er steuert wichtige Funktionen, wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten. Der Hypothalamus ist verbunden mit der Hypophyse, der Hormondrüse am Gehirn. Der Hypothalamus regelt zahlreiche automatisch ablaufende Körpervorgänge, zum Beispiel die Körpertemperatur oder die Magen-Darm-Funktion. Er ist auch für unser Durst-, Hunger- und Sättigungsgefühl zuständig.
• Hypophyse: Die Hypophyse ist mit dem Hypothalamus über einen Stiel verbunden und reguliert die Ausschüttung von Hormonen im Körper.
• Zirbeldrüse: Befindet sich ebenfalls im Zwischenhirn.

Kleinhirn (Cerebellum)

Das Kleinhirn liegt unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Genau wie das Großhirn lässt sich auch das Kleinhirn in zwei Hemisphären einteilen. Zwischen den beiden Hälften liegt der Kleinhirnwurm. Das Kleinhirn ist vor allem für das Gleichgewicht und die Steuerung von erlernten Bewegungsabläufen verantwortlich. Es koordiniert Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen. Verbindungen zur Großhirnrinde, zum Hirnstamm, zum Rückenmark und zum Gleichgewichtsorgan ermöglichen es dem Kleinhirn, seine wichtigen Funktionen zu erfüllen. Das Cerebellum gibt keine Bewegungsimpulse, vielmehr stimmt es Bewegungen fein ab, erhält die Muskelspannung und das Gleichgewicht.

Hirnstamm (Truncus cerebri)

Der Hirnstamm bildet den untersten Teil des Gehirns und 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. Im Nachhirn überkreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften. Durch den Hirnstamm verlaufen wichtige Nervenleitungen. Sie sorgen dafür, dass eingehende Sinneseindrücke aus dem Körper an das Großhirn weitergeleitet werden. Umgekehrt gelangen über sie auch Informationen vom Großhirn zu den Nervenzellen des Rückenmarks. Diese auf- bzw. absteigenden Informationen werden im Hirnstamm über Kreuz weitergeleitet. Daher ist die rechte Gehirnhälfte für die linke Körperhälfte zuständig und umgekehrt.

Hirnnerven

Dem Hirnstamm entspringen zwölf paarige Hirnnerven (I-XII), die den Kopf, den Hals und Organe im Rumpf versorgen. 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): Versorgt zahlreiche Organe im Körper

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

Ventrikelsystem

Das Gehirn weist mehrere Hohlräume (Hirnkammern) auf, in denen der Liquor zirkuliert und die zusammen das Ventrikelsystem bilden. Das Ventrikelsystem besteht aus vier Hirnkammern, die über Öffnungen und einen Verbindungsgang miteinander verbunden sind. Darin zirkuliert Liquor, eine Flüssigkeit, die das Gehirn umgibt und es vor mechanischen Krafteinwirkungen schützt. Über das Ventrikelsystem und den Liquor wird das Gehirn mit Nährstoffen versorgt.

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Hirnhäute (Meningen)

Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben:

• Dura mater (harte Hirnhaut): Die äußere Hülle ist innen mit den Schädelknochen fest verbunden und hat eine barriereähnliche Funktion, um das Gehirn vor äußeren Verletzungen zu schützen.
• Arachnoidea (Spinngewebshaut): Hier verlaufen zahlreiche Blutgefäße. Zwischen der inneren und der mittleren Haut befindet sich Flüssigkeit, die bei Erschütterungen wie eine Art Stoßdämpfer wirkt und somit zum Schutz des Gehirns beiträgt.
• Pia mater (innere Hirnhaut): Liegt direkt auf dem Gehirn.

Blutversorgung des Gehirns

Die Durchblutung des Gehirns läuft über zwei große, jeweils in Paaren angelegte Arterien ab:

• Innere Halsschlagader (Arteria carotis interna): Sie verläuft seitlich am Hals entlang und entspringt aus der Halsschlagader (Arteria carotis communis). Die vordere Hirnarterie (Arteria cerebri anterior) versorgt das Gewebe hinter der Stirn und im Bereich des Scheitels.Die mittlere Hirnarterie (Arteria cerebri media) ist für die Seite und weiter innen liegende Gehirnbereiche wichtig. Die vordere und die mittlere Hirnarterie zweigen von der inneren Halsschlagader ab.
• Arteria vertebralis: Sie kommt aus den Wirbelkörpern und tritt durch das Hinterhauptsloch in die Schädelhöhle ein. Die hintere Hirnarterie (Arteria cerebri posterior) versorgt den Hinterkopf und den unteren Bereich des Gehirns sowie das Kleinhirn. Sie wird mit Blut aus den Wirbelarterien gespeist.

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.

Blut-Hirn-Schranke

Damit keine schädlichen Stoffe aus dem Blut in das Gehirn gelangen, gibt es eine Schranke. Die sogenannte Blut-Hirn-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen dar. Sie lässt nur wenige Stoffe passieren. Welche Stoffe die Blut-Hirn-Schranke durchlässt, kontrollieren die Endothel- und Gliazellen.

Funktion des Gehirns

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.

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Informationsverarbeitung im 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.

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 des Gehirns

Da der Energieverbrauch des Gehirns so hoch und der Stoffwechsel dort so aktiv ist, benötigt es sehr viel Sauerstoff und Glukose (Energielieferant). Denn obwohl das Gehirn nur 2% des Körpergewichts ausmacht, geht ungefähr ein Fünftel unseres gesamten Sauerstoffbedarfs an das Gehirn. 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.

Lateralisation

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.

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.

Beispiele für Erkrankungen des Gehirns:

• 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.
• Gehirnerschütterung: Die leichteste Form der Gehirnerkrankung.

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.

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.

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