Gehirn und Rückenmark: Schaltzentrale und ihre Funktionen

Das Nervensystem des Menschen ist ein komplexes und hierarchisch aufgebautes Netzwerk, das für die Steuerung nahezu aller Körperfunktionen verantwortlich ist. Es ermöglicht uns, Sinneseindrücke wahrzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren. Das Gehirn und das Rückenmark bilden dabei die zentrale Schaltstelle, das sogenannte zentrale Nervensystem (ZNS).

Aufbau des Nervensystems

Das Nervensystem der Wirbeltiere, zu denen auch der Mensch gehört, lässt sich in drei Hauptbestandteile gliedern:

1. Zentralnervensystem (ZNS): Es besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Hier findet die zentrale Verarbeitung aller einlaufenden sensorischen Reize statt.
2. Peripheres Nervensystem (PNS): Es stellt die Verbindung zwischen dem ZNS und den Organen sowie der Umwelt her. Es besteht aus sensorischen Nerven (Afferenzen), die Sinneseindrücke zum ZNS leiten, und motorischen Nerven (Efferenzen), die Impulse vom ZNS zu den Erfolgsorganen übertragen. Das PNS kann als Filiale des ZNS betrachtet werden. Gehirn und Rückenmark (ZNS) können nicht überall sein, aber die zu- und ableitenden Nervenfasern schon. Rein topographisch ist das ZNS vom PNS abgegrenzt. Funktionell bilden ZNS und PNS aber eine Einheit!
3. Vegetatives Nervensystem (VNS): Es steuert unwillkürliche Körperfunktionen wie Atmung, Verdauung, Stoffwechsel und Wasserhaushalt. Es besteht aus den Hauptnerven Sympathikus und Parasympathikus, die oft als Gegenspieler agieren, um das innere Gleichgewicht zu gewährleisten.

Das Zentralnervensystem (ZNS) im Detail

Das ZNS, bestehend aus Gehirn und Rückenmark, ist die zentrale Reizverarbeitungsstelle des Körpers. Im ZNS können zwei Gewebetypen deutlich unterschieden werden: weiße Substanz und graue Substanz. Die graue Substanz liegt im Gehirn außen, im Rückenmark innen. Die graue Substanz wird vorwiegend aus den Zellkörpern der Nervenzellen gebildet, während die weiße Substanz überwiegend aus den Nervenzellfortsätzen oder Axonen besteht.

Das Gehirn: Die oberste Schaltzentrale

Das Gehirn ist die oberste Schaltzentrale des Körpers und wiegt beim erwachsenen Menschen durchschnittlich etwa 1330 Gramm. Obwohl es nur einen kleinen Teil des Körpergewichts ausmacht, benötigt es täglich etwa 20 % des gesamten Energiebedarfs. Das Gehirn verarbeitet Sinneseindrücke, beeinflusst Körperfunktionen, speichert Erinnerungen und koordiniert unser Handeln. Es besteht aus Nervenzellen (Neuronen) und Stützzellen (Gliazellen) und ist von Hirnhäuten umhüllt.

Die Hauptbereiche des Gehirns:

• Großhirn (Telencephalon): Der größte Teil des Gehirns, verantwortlich für höhere Hirnfunktionen wie Lernen, Denken, Erinnern und Verstehen. Die Großhirnrinde, die äußere Schicht des Großhirns, ist der Sitz zielgerichteten Handelns, der Wahrnehmung und des Willens. Sie ist in verschiedene Lappen unterteilt:
  • Frontallappen (Stirnlappen): zuständig für Motorik, Planung und Entscheidungsfindung.
  • Parietallappen (Scheitellappen): zuständig für sensorische Wahrnehmung, räumliches Denken und Orientierung.
  • Temporallappen (Schläfenlappen): zuständig für auditive Verarbeitung, Gedächtnis und Sprache.
  • Okzipitallappen (Hinterhauptslappen): zuständig für visuelle Verarbeitung.
• Zwischenhirn (Diencephalon): Enthält wichtige Strukturen wie den Thalamus, der als Schaltzentrale für Sinneseindrücke dient, und den Hypothalamus, der das Hormonsystem und das vegetative Nervensystem steuert. Der Thalamus ist ein wichtiger Informationsfilter. Äußere Sinneseindrücke - mit Ausnahme des Geruchssinns - werden darin verarbeitet und bewertet. Ausschließlich relevante Informationen werden an das Großhirn weitergeleitet. Erst dort werden sie uns bewusst. 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.
• Kleinhirn (Cerebellum): Spielt eine wichtige Rolle bei der Koordination von Bewegungen, dem Gleichgewicht und der Feinmotorik. Obwohl es nur etwa ein Sechstel des Volumens des Großhirns besitzt, verfügt es über fünfmal mehr Neuronen. Das Kleinhirn ist wichtig für unser Gleichgewicht. Gemeinsam mit dem Großhirn koordiniert es die Muskeln und ist damit für Bewegungen zuständig. Während das Großhirn vorrangig bewusste Bewegungen koordiniert, arbeitet das Kleinhirn unbewusst. Es steuert bereits gelernte Bewegungsabläufe, die direkt aus dem Kleinhirn abgerufen werden. So können wir zum Beispiel laufen, ohne darüber nachzudenken.
• Hirnstamm (Truncus cerebri): Verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und reguliert lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Kreislauf und Reflexe. 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.

Das Rückenmark: Verbindungsstelle und Reflexzentrum

Das Rückenmark ist ein etwa fingerdicker, zylindrischer Strang aus Nervenfasern und Nervenzellen, der im Wirbelkanal vom Hals bis zum Steißbein verläuft. Es verbindet das Gehirn mit dem peripheren Nervensystem und dient als Schaltzentrale für Reflexe.

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Aufbau und Funktion des Rückenmarks:

• Graue Substanz: Im Zentrum des Rückenmarks gelegen, enthält sie die Nervenzellkörper und ist für die Verarbeitung von Informationen zuständig. Die Vorwölbungen der grauen Substanz werden unterteilt in Vorderhorn (vordere Vorwölbungen) und Hinterhorn (hintere Vorwölbungen). Das Vorderhorn enthält vor allem motorische Nervenzellen, deren efferente Nervenfasern das Rückenmark über die vordere Wurzel verlassen. Im Hinterhorn befinden sich Zellen der Schaltneurone (Interneurone). In den Seitenhörnern im Brustbereich arbeiten motorische Nervenzellen des vegetativen Nervensystems.
• Weiße Substanz: Umgibt die graue Substanz und besteht aus Nervenfasern (Axonen), die Informationen zwischen Gehirn und Körper transportieren.
• Spinalnerven: 31 Paare von Nerven, die aus dem Rückenmark austreten und sensorische und motorische Informationen zu und von den verschiedenen Körperregionen leiten. Die Wurzelfäden der Spinalnerven treten immer jeweils zwischen zwei nebeneinanderliegenden Wirbeln im sogenannten Zwischenwirbelloch aus dem Wirbelkanal aus oder in ihn hinein. Es gibt:
  • 8 zervikale Spinalnervenpaare aus dem Halsmark (von lat. cervix = Hals)
  • 12 thorakale Nervenpaare aus dem Brustmark (von griech. thorax = Rumpf, Brustraum)
  • 5 Lumbalnervenpaare aus dem Lendenmark (lat. lumbus = Lende)
  • 5 Sakralnervenpaare aus dem Kreuzbeinmark (lat. os sacrum = Kreuzbein) und
  • 1-2 Coccygealnervenpaare aus dem Steißbeinmark (lat.
• Reflexe: Das Rückenmark ermöglicht schnelle, unwillkürliche Reaktionen auf bestimmte Reize, sogenannte Reflexe. Ein bekanntes Beispiel ist der Patellarsehnenreflex. Die Rückenmarkreflexe entstehen über den sogenannten Reflexbogen.

Schutz des Gehirns und Rückenmarks:

Gehirn und Rückenmark sind durch verschiedene Strukturen geschützt:

• Schädel und Wirbelsäule: Bieten einen knöchernen Schutz.
• Hirnhäute (Meningen): Drei bindegewebsartige Membranen, die Gehirn und Rückenmark umhüllen. Als Verlängerung der Hirnhäute umschließen die Rückenmarkshäute das Rückenmark und die Spinalnervenwurzeln im Wirbelkanal. Die harte Rückenmarkshaut ist am Übergang von Gehirn zum Rückenmark (Hinterhauptloch, Foramen magnum) und in den Zwischenwirbelkörpern befestigt - sie erstreckt sich bis zum zweiten Kreuzbeinwirbel. Die Spinngewebshaut liegt direkt auf der harten Rückenmarkshaut auf. Daran grenzt ein weiterer Zwischenraum (Subarachnoidalraum), in dem sich die Rückenmarksflüssigkeit befindet. An der anderen Seite begrenzt die weiche Rückenmarkshaut den Subarachnoidalraum.
• Gehirn-Rückenmarksflüssigkeit (Liquor cerebrospinalis): Eine klare Flüssigkeit, die Gehirn und Rückenmark umgibt und vor mechanischen Einwirkungen schützt. Liquor ist eine klare Flüssigkeit, die als Schutz dient, indem sie Erschütterungen dämpft. Die Rückenmarksflüssigkeit befindet sich außerdem in einem Zwischenraum (Subarachnoidalraum), der von den Rückenmarkshäuten begrenzt wird und Gehirn und Rückenmark umschließt.

Das periphere Nervensystem (PNS)

Das periphere Nervensystem umfasst alle Nerven, die außerhalb des Gehirns und des Rückenmarks liegen. Es verbindet das ZNS mit den Organen, Muskeln und der Haut. Das PNS besteht aus:

• Hirnnerven: 12 Nervenpaare, die direkt aus dem Gehirn entspringen und vor allem den Kopf- und Halsbereich versorgen. Die Hirnnerven verknüpfen unsere Sinnesorgane mit dem Gehirn und der Muskulatur im Kopf- und Rumpfbereich. Entsprechend der Reihenfolge, in der sie aus dem Gehirn austreten, werden sie mit römischen Zahlen nummeriert. Zu den Hirnnerven gehören beispielsweise unser Riechnerv (I. Hirnnerv; Nervus olfactorius), der Sehnerv (II. Hirnnerv; Nervus opticus) und unser Gesichtsnerv (VII. Hirnnerv; Nervus facialis). Rund die Hälfte der Hirnnerven sind sogenannte gemischte Nerven, d. h. sie enthalten sowohl motorische als auch sensorische Fasern.
• Spinalnerven: 31 Nervenpaare, die aus dem Rückenmark entspringen und den restlichen Körper versorgen. Die Spinalnerven sind ebenfalls gemischte Nerven. Sie bilden sich aus den Nervenwurzeln im Rückenmark und verzweigen sich nach ihrem Austritt aus dem Wirbelkanal in 3-4 Äste, um verschiedene Körperbereiche versorgen zu können. Der vordere Ast z. B.

Das vegetative Nervensystem (VNS)

Das vegetative Nervensystem steuert lebenswichtige Körperfunktionen, die unbewusst ablaufen, wie Atmung, Herzschlag, Verdauung und Stoffwechsel. Es besteht aus zwei Hauptkomponenten:

• Sympathikus: Aktiviert den Körper in Stresssituationen ("Kampf oder Flucht"-Reaktion). Der Sympathikus wirkt erregend bzw. leistungssteigernd (ergotrop) auf die Organfunktionen und versetzt unseren gesamten Körper in eine „Stresssituation“, den sogenannten „fight-or-flight“ Modus. In der Folge weiten sich die Pupillen, der Herzschlag und die Atmung werden beschleunigt, Energie wird freigesetzt. Vorgänge, die für eine sofortige Aktivität nicht so wichtig sind (z. B.
• Parasympathikus: Fördert Ruhe und Erholung. Als „Gegenspieler“ des Sympathikus ist der Parasympathikus der Teil des vegetativen Nervensystems, der für die Ruhe -und Regenerationsphasen („rest-and-digest“) verantwortlich ist und das innere Gleichgewicht wiederherstellt. Um dies zu erreichen, beginnt der Parasympathikus nach der Aktivierung des Sympathikus dadurch gegenzusteuern, dass er beispielsweise die Herzfrequenz senkt, die Pupillen verengt und den Stoffwechsel zum Aufbau von Reserven steigert. Gleichzeitig aktiviert der Parasympathikus die Tätigkeit des Verdauungssystems.
• Enterisches Nervensystem: Steuert die Funktion des Verdauungstrakts und beeinflusst auch Emotionen. Das enterische Nervensystem ist der dritte Bereich des vegetativen Nervensystems, der als Geflecht von Nervenzellen den Verdauungstrakt durchzieht. Interessanterweise steuert das enterische Nervensystem nicht nur Verdauungsprozesse, sondern hat auch einen Einfluss auf unsere Gefühlswelt und unser Wohlbefinden. Umgekehrt scheinen aber auch Veränderungen im Magen-Darm-Trakt Auswirkungen auf Emotionen zu haben. Forschungsarbeiten der letzten Jahre deuten darauf hin, dass die Zusammensetzung der Darmflora hier eine Rolle spielt.

Signalübertragung im Nervensystem

Die Kommunikation im Nervensystem erfolgt über elektrische und chemische Signale. Nervenzellen (Neuronen) empfangen Signale über ihre Dendriten und leiten sie über das Axon weiter. An den Synapsen, den Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen, werden die Signale mithilfe von Neurotransmittern auf die nächste Zelle übertragen.

Nervenbahnen durchziehen wie Stromkabel den gesamten Körper und leiten Reize zum Hirn und Befehle aus der Zentrale wieder zurück zu der Körperstelle. Eine Nervenbahn besteht aus gebündelten Nervenzellen und ist mit einer Schutz-Hülle umgeben. Abermilliarden Nervenzellen (Neuronen) hat jeder Mensch. Mit ihren „Zweigen“ (Dendriten) empfangen sie Signale aus den Nachbarzellen und schicken sie über den Stamm (Axon) zu den Synapsen, den Kontaktstellen zur nächsten Zelle. Nervenzellen sind im Durchmesser nur bis 0,1 Millimeter groß, das Axon kann aber bis zu einem Meter lang sein. Bis zu 100.000 Synapsen kann eine Nervenzelle haben. Wenn Nervenzellen einen Kaffeeklatsch machen wollen - also ein Reiz von einer Zelle zur nächsten weitergeleitet werden soll, arbeiten die meisten Synapsen mit chemischen Botenstoffen, andere mit elektrischen Signalen.

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