Das menschliche Gehirn und das Skelett sind zwei der wichtigsten Systeme des Körpers, die eng miteinander verbunden sind und zusammenarbeiten, um eine Vielzahl von Funktionen zu ermöglichen. Von der schützenden Hülle des Schädels bis hin zur Rolle des Skeletts bei der Bewegungskoordination durch das Gehirn ist diese Verbindung entscheidend für das Überleben und die Lebensqualität.
Der Schädel: Schutzschild für das Gehirn
Der Schädel, auch Cranium genannt, ist das knöcherne Gerüst des Kopfes, das das Gehirn umschließt und schützt. Er besteht aus zwei Hauptteilen: dem Hirnschädel (Neurocranium) und dem Gesichtsschädel (Viscerocranium).
Funktionelle Aspekte des Schädels
Funktionell bildet der dorsal gelegene Hirnschädel (Neurocranium) eine das Gehirn umschließende Kapsel, an deren Außenseite in schützenden Einbuchtungen die Sinnesorgane Nase, Auge und Ohr liegen. Der ventral gelegene Gesichtsschädel (Viscerocranium, Splanchnocranium) besteht aus Oberkiefer (Maxilla) und Unterkiefer (Dentale bzw. Mandibel beim Menschen), die im Kiefergelenk miteinander verbunden sind. Die Kiefer bilden das Skelett des Kauapparates und dienen der Befestigung der Zähne.
Entwicklung und Struktur des Schädels
Die Skelettelemente des Schädels sind entweder Knorpel- oder Ersatzknochen oder Deckknochen. Bei allen Knorpelfischen (Chondrichthyes) ist das gesamte Skelett zeitlebens knorpelig. Ihr Schädel wird als Chondrocranium (Knorpelschädel) bezeichnet, im Gegensatz zum Osteocranium (Knochenschädel) der erwachsenen anderen Wirbeltiere. Deren Schädel wird embryonal aber ebenfalls knorpelig angelegt und in dieser Phase Primordialcranium (Erstschädel) genannt, um die im Gegensatz zu den Knorpelfischen nur vorübergehende knorpelige Ausbildung zu verdeutlichen.
Regionen des Schädels
Hinsichtlich der Lage von Schädelelementen bezieht man sich auf Schädelregionen, die durch die Sinnesorgane und den Hinterhauptsbereich abgegrenzt sind. Von vorn nach hinten wird der Schädel in vier Regionen unterteilt: Nasenregion (Nasal- oder Ethmoidalregion), Augenregion (Orbital- oder Sphenoidalregion), Ohrregion (Oticalregion), Hinterhauptsregion (Occipitalregion). Die Region, in der die Befestigung des Oberkiefers am Neurocranium erfolgt, oder der Verlauf einer Beugungslinie sind Merkmale, die bei der Klassifikation herangezogen werden.
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Evolutionäre Tendenzen des Schädels
Die wichtigsten Tendenzen in der Evolution des Schädels sind:
- Vergrößerung des Hirnvolumens und Einbeziehung des Dermatocraniums in die Bildung des Hirnschädels.
- Nach Etablierung einer Vielzahl von Schädelknochen Reduktion oder Verschmelzung oder Funktionswandel einiger Elemente.
- Bildung von inneren Nasenöffnungen (Choanen).
- Entstehung eines sekundären Munddaches.
- Bildung von Schläfenfenstern.
- Entwicklung von Kraniokinetik, d.h. der Beweglichkeit von Schädelelementen.
- Weiterentwicklung von Kiefer und Kiefergelenk.
Der Schädel des Menschen
Das Gehirn liegt in einer knöchernen Kapsel, die gebildet wird von Stirnbein (Os frontale; unpaar), Scheitelbein (Os parietale; paarig), Hinterhauptsbein (Os occipitale; unpaar), Schläfenbein (Os temporale; paarig) und Keilbein (Os sphenoidale; unpaar). Die paarigen Deckknochen Nasenbein (Os nasale), Jochbein (Os zygomatikum) und Tränenbein (Os lacrimale) gehören zwar stammesgeschichtlich zum Schädeldach, sind aber nicht an der Hirnkapsel beteiligt. Das unpaare Siebbein (Os ethmoidale) liegt zwischen Keilbein und Stirnbein; es lässt die Fortsätze der Riechnerven aus der Riechhöhle ins Gehirn durchtreten.
Klinische Bedeutung des Schädels
Ein Schädelbasisbruch ist besonders gefährlich, weil meist auch Blutgefäße, Nerven, die durch die Schädelbasis durchtreten (Hirnnerven), und Hirnsubstanz geschädigt werden. Größe und Form des Neurocraniums werden vom Wachstum des Gehirns, die Größe des Viscerocraniums wird von der Funktion des Kauapparates stark beeinflusst. Weitere, die Schädelform beeinflussende Faktoren sind das Verspannungssystem der Dura mater (Hirnhäute) und die verschiedenen Formen der Schädelnähte.
Das Kleinhirn: Koordination und Bewegung
Das Kleinhirn, lateinisch Cerebellum, liegt hinten im Schädel, unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Von außen sind seine beiden Hälften gut zu erkennen, die - wie die Hälften des Großhirns - als Hemisphären bezeichnet werden. Verbunden sind sie über den wulstförmigen Vermis, den Kleinhirnwurm.
Funktion des Kleinhirns
Das Kleinhirn koordiniert Bewegungen und moduliert sie. Es integriert zahlreiche Informationen, koordiniert die Aktivität einer Vielzahl von Muskeln und prüft den Bewegungsablauf.
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Anatomie des Kleinhirns
Obwohl es nur etwa ein Sechstel vom Volumen des Großhirns besitzt, verfügt das Kleinhirn über fünfmal mehr Neurone. Um so viel Nervenmasse auf so kleinem Raum unterzubringen, ist die Kleinhirnrinde, der äußere Mantel des Kleinhirns, stark gefaltet. Die dadurch entstehenden horizontalen Fältchen werden als Blätter (Foliae) bezeichnet. Zerteilt man eine der Kleinhirnhemisphären längs, erkennt man den Grund für diese Bezeichnung: Wie das Geäst eines Baumes verzweigt sich im Inneren die weiße Substanz aus Nervenfasern. Die Anatomen bezeichnen sie als Lebensbaum, als Arbor vitae. Und an dessen Zweigen scheinen die Falten der Kleinhirnrinde wie Blätter zu hängen. Die Wurzeln des Baumes bilden die Kleinhirnstiele, die vom Kleinhirn zum Hirnstamm ziehen. Über diese Fasern empfängt und sendet das Kleinhirn Information.
Funktionelle Unterteilung des Kleinhirns
Funktional unterteilen die Anatomen das Cerebellum in drei Bereiche, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen: Das Vestibulocerebellum, das Spinocerebellum und das Pontocerebellum.
- Vestibulocerebellum: Es ist funktionell verbunden mit dem Vestibularapparat, also dem Gleichgewichtsorgan des Innenohres. Dass wir balancieren können, oder aufrecht gehen, verdanken wir dem Vestibulocerebellum. Weiter ist es an der Steuerung der Augenbewegungen beteiligt.
- Spinocerebellum: Es sorgt dafür, dass wir gehen und stehen können, ohne darüber nachdenken zu müssen. Vom Rückenmark erfährt das Spinocerebellum, in welcher Position sich Arme, Beine und Oberkörper befinden, aber auch welche Muskeln angespannt und welche entspannt sind. Diese Information verarbeitet es und sendet sie an den Hirnstamm.
- Pontocerebellum: Wann immer wir willentlich etwas bewegen, ist das Pontocerebellum beteiligt: Seine Aufgaben reichen vom präzisen Greifen bis zur Koordination der Kehlkopfmuskeln beim Sprechen. Dabei kann man das Pontocerebellum mit einem Dirigenten vergleichen. Statt Musik studiert es Bewegungen ein, stimmt sie auf seine Musiker - die Muskeln - ab und koordiniert deren Zusammenspiel.
Neuere Erkenntnisse über das Kleinhirn
Neuere Studien lassen vermuten, dass das Kleinhirn nicht nur für Motorik zuständig ist. Zudem zeigen bildgebende Verfahren, dass bei einer Vielzahl von Tätigkeiten Aktivität im Kleinhirn aufleuchtet: Zum Beispiel bei Kurzzeitgedächtnisaufgaben, der Kontrolle impulsiven Verhaltens, beim Hören und Riechen, Schmerz, Hunger, Atemnot und vielem mehr.
Klinische Bedeutung des Kleinhirns
Trotz der genannten kognitiven Defizite stehen bei Kleinhirnverletzungen motorische Probleme im Vordergrund. Sie entsprechen weitestgehend dem, was schon Holmes bei seinen Patienten beobachtet hat und was Neurologen als unterschiedliche „Ataxien“ bezeichnen: Die Betroffenen haben Probleme beim Gleichgewicht und der Koordination, der Gang ist schwankend und ähnlich dem eines stark Betrunkenen.
Der Hirnstamm: Verbindung und Lebensfunktionen
Der Hirnstamm ist der vom Großhirn überlagerte Bereich des Gehirns unterhalb des Zwischenhirns, wobei das Kleinhirn nicht mit dazugerechnet wird. Der Hirnstamm geht an der Schädelbasis über die Medulla oblongata in das Rückenmark über. Die Kerngebiete der Hirnnerven III bis XII verlaufen durch den Hirnstamm.
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Funktion des Hirnstamms
Der Hirnstamm bildet die Schnittstelle zwischen dem übrigen Gehirn und dem Rückenmark. Aus dem Körper aufsteigende und in den Körper absteigende Informationen leitet er überkreuz weiter, daher ist die rechte Gehirnhälfte für die linke Körperhälfte zuständig und umgekehrt. Der Hirnstamm ist für die essenziellen Lebensfunktionen zuständig wie die Steuerung der Herzfrequenz, des Blutdrucks und der Atmung. Zudem ist er für wichtige Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- und Husten-Reflex verantwortlich. Auch der Schlaf und die verschiedenen Schlaf- und Traumphasen werden hier kontrolliert.
Anatomie des Hirnstamms
Der Hirnstamm besteht aus dem Mittelhirn (Mesencephalon), der Brücke (Pons) und dem verlängertem Mark (Medulla oblongata, Nachhirn oder Myelencephalon). Die Brücke und das Kleinhirn werden auch als Metencephalon (Hinterhirn) bezeichnet. Es bildet zusammen mit dem Myelencephalon (verlängerten Mark) das Rautenhirn (Rhombencephalon).
Klinische Bedeutung des Hirnstamms
Schädigungen des Hirnstamms führen zu sogenannten Hirnstamm-Syndromen. Diese sind in den meisten Fällen durch den Ausfall von Hirnnerven gekennzeichnet (durch Schädigung der Hirnnervenkerne). Je nach Höhe der Läsion - in Mittelhirn, Pons oder verlängertem Mark - fallen die Funktionen verschiedener Nerven aus.
Knochenmetastasen und das Gehirn
Obwohl Gehirnmetastasen nicht die häufigste Komplikation bei Krebserkrankungen sind, können sie schwerwiegende neurologische Auswirkungen haben. Nur bei ein bis drei Prozent der Patienten entwickeln sich Metastasen im Gehirn. Meistens sind dann auch schon Tumorabsiedelungen in anderen Organen wie in der Leber oder in der Lunge vorhanden.
Diagnose und Behandlung von Gehirnmetastasen
Unmittelbar nach der Diagnose von Gehirnmetastasen beginnt man mit einer Kortisontherapie. Denn das Hirngewebe, das die einzelnen Metastasen umgibt, schwillt an. Diese so genannte Ödembildung kann neurologische Symptome wie zum Beispiel Sehstörungen, Gesichtsmuskellähmungen oder Krampfanfälle hervorrufen. Kortison, ein körpereigenes Hormon, unterdrückt Immunreaktionen des Körpers und bewirkt damit einen Rückgang der Hirnschwellung und Besserung von neurologischen Beschwerden. Die Metastasen selbst können dadurch nicht verkleinert werden.
Die Entscheidung, ob Gehirnmetastasen operiert werden können, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu gehört der Allgemeinzustand des Patienten und die damit verbundene Operationsfähigkeit sowie die Lage und Anzahl der Metastasen im Gehirn. Sind sie an einer schwer zugänglichen Stelle des Gehirns oder hat ein Patient schon sehr viele Metastasen, muss von einer Operation eher abgesehen werden. Dasselbe gilt, wenn noch mehrere andere Organe von Metastasen befallen sind. Fällt die Entscheidung gegen einen chirurgischen Eingriff, besteht die Möglichkeit einer Bestrahlung der Gehirnmetastasen.
Knochenmetastasen
Wenn sich bei der Darmkrebs-Diagnostik herausstellt, dass das Blutbild verändert ist, wird man auch das Knochenmark genauer untersuchen, wo die Blutzellen gebildet werden. Dort, im Innenraum der Knochen, können sich Tumorzellen ansiedeln und Metastasen heranwachsen. Besteht der Verdacht auf Knochenmetastasen, wird zur Diagnostik bevorzugt die Knochenszintigraphie eingesetzt. Dies ist ein nuklearmedizinisches bildgebendes Verfahren, mit dem sich Veränderungen im Knochenstoffwechsel aufspüren lassen.
Therapie von Knochenmetastasen
Das wichtigste Therapieverfahren zur Schmerzlinderung und Knochenstabilisierung ist die örtliche Strahlentherapie. Weitere Behandlungsmethoden, die zur Verfügung stehen, sind zum Beispiel die Operation, die medikamentöse Therapie mit Bisphosphonaten und die Therapie mit Radionukliden. Die Radionuklidtherapie wird eingesetzt, um Knochenschmerzen zu lindern. Eine weitere Möglichkeit, Knochenmetastasen vom Darmkrebs zu behandeln, ist die Chemotherapie.
Evolutionäre Aspekte der Gehirn-Skelett-Verbindung
Die Evolution der menschlichen Linie ist untrennbar mit der Evolution des Gehirns verknüpft. Das Gehirnvolumen heute lebender Menschen ist etwa dreimal so groß wie das von Schimpansen. Vor allem in den letzten zwei Millionen Jahren kam es zu einer dramatischen Größenzunahme des menschlichen Gehirns. Für die kognitiven Fähigkeiten ist die innere Struktur des Gehirns wichtiger als dessen Größe. Diese Vernetzung des Gehirns wird in den ersten Lebensjahren angelegt.
Die Bedeutung des aufrechten Gangs
Vor etwa sechs Millionen Jahren entwickelte sich innerhalb der Linie der Homininen eine für Primaten ungewöhnliche Art der Fortbewegung: der aufrechte Gang. Die Evolution des aufrechten Gangs ging also der dramatischen evolutionären Expansion des Gehirnvolumens um bis zu vier Millionen Jahre voraus. Diese Chronologie der Ereignisse ist wichtig, weil die evolutionären Anpassungen an den aufrechten Gang das Skelett dramatisch verändert haben. Unter anderem wurde das Becken schmaler und dadurch der Geburtskanal des knöchernen Beckens kleiner.
Gehirnentwicklung und Schädelform
Da Gehirne nicht versteinern, kann man bei Fossilien nur den Innenabdruck des Gehirns und seiner umgebenden Strukturen im Schädel untersuchen. Diese Abdrücke der inneren Schädelkapsel geben Aufschluss über Größe und Gestalt des Gehirns. Mit modernsten Mess- und Analysemethoden ist es möglich, die Gestaltveränderungen des Endocasts im Laufe der Kindesentwicklung zwischen lebenden und ausgestorbenen Arten zu vergleichen.
Das Nervensystem im Alltag
Unser Nervensystem besteht aus Abermilliarden Nervenzellen. Das komplexe Netz steuert bewusste und unbewusste Prozesse. Nervenbahnen durchziehen wie Stromkabel den gesamten Körper und leiten Reize zum Hirn und Befehle aus der Zentrale wieder zurück zu der Körperstelle.
Sensorisches, motorisches und vegetatives Nervensystem
Der Kaffee ist fertig! Jetzt hat das sensorische Nervensystem viel zu tun. Wie sieht der Kaffee aus? Riecht er gut? Wie schwer ist die Tasse? Habe ich Durst? Ist der Kaffee zu heiß? Und schmeckt er? Antworten schicken Augen, Ohren, Nase, Zunge und Sensoren in der Haut über die Nervenbahnen ans Gehirn. Vollautomatisch können wir nicht bewusst steuern, was in unserem Magen und Darm mit dem Kaffee geschieht - wie auch alle anderen Prozesse, die vom vegetativen Nervensystem kontrolliert werden: Dieses regelt neben der Verdauung auch die Herztätigkeit, die Atmung, den Kreislauf, die Schweißbildung, die Körpertemperatur und viele weitere Abläufe in unserem Körper autonom.
Signalübertragung: Nervenbahnen, Nervenzellen und Synapsen
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. 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.