Das Gehirn, ein helmförmiges Gebilde mit einer Oberfläche aus Windungen und Furchen, ist ein komplexes Organ, das im Schädel liegt und vom Schädelknochen und den darunterliegenden Hirnhäuten geschützt wird. Dieser Artikel befasst sich mit der Anatomie des Gehirns, insbesondere des Schweinehirns, und beleuchtet seine Verwendung in verschiedenen Bereichen.
Überblick über das Gehirn
Das Gehirn (Encephalon) ist der Teil des zentralen Nervensystems, der sich innerhalb des knöchernen Schädels befindet und diesen ausfüllt. Es besteht aus einer Vielzahl von Nervenzellen, die über zuführende und wegführende Nervenbahnen mit dem Organismus verbunden sind und ihn steuern. Das Gehirnvolumen beträgt beim Menschen etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse, wobei das Gewicht zwischen 1,5 und 2 Kilogramm liegt und etwa drei Prozent des Körpergewichts ausmacht. Ein menschliches Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Gehirnzellen, die das zentrale Nervensystem bilden und miteinander verknüpft sind, wobei die Anzahl dieser Verknüpfungen auf etwa 100 Billionen geschätzt wird.
Die Nervenzellen im Gehirn sind in ein stützendes Gewebe aus Gliazellen eingebettet. Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater, Arachnoidea und Pia mater, die es schützen.
Die Großhirnrinde (Cortex cerebri)
Die Rinde des Gehirns, der Cortex, bedeckt fast das gesamte von außen sichtbare Gehirn. Sie ist stark gefaltet und von zahlreichen Furchen durchzogen, wodurch voneinander abgrenzbare Bereiche entstehen. Jede der beiden Großhirnhälften verfügt über vier von außen sichtbare Lappen, die Lobi. Neunzig Prozent des Cortex bestehen aus dem entwicklungsgeschichtlich jungen Neocortex, der überall aus sechs Zellschichten besteht.
Das Großhirn mit seinen zwei Hälften, den Hemisphären, und dem sie verbindenden Balken (Corpus callosum) ist der entwicklungsgeschichtlich jüngste und größte Teil des Gehirns und stellt 85 Prozent der Gehirnmasse dar. Zieht man das innen liegende, vor allem aus Nervenfasern bestehende Großhirnmark mit den darin eingebetteten Basalganglien ab, bleibt der Cortex übrig, eine Schicht von zwei bis fünf Millimetern Dicke. Diese Schicht wird auch als graue Substanz bezeichnet, da sie reich an Nervenzellkörpern ist, die ihr eine rotbraune bis graue Farbe geben. Man hat die Anzahl der Nervenzellen (Neurone) in der Großhirnrinde mit ca. 23 Milliarden im männlichen und ca. 19 Milliarden im weiblichen Gehirn bestimmt, wobei zu beachten ist, dass der durchschnittliche männliche Körper auch größer ist als der weibliche. Die Großhirnrinde allein nimmt knapp die Hälfte des Hirnvolumens ein, was durch Windungen (Gyri) und tiefe Furchen (Sulci oder Fissurae) ermöglicht wird.
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Im Cortex entsteht aus den Signalen der Sinnesorgane und vorgeschalteten Hirnregionen ein zusammenhängender Eindruck der Umwelt. Zudem kann er Informationen speichern und ist somit die biologische Grundlage unseres Gedächtnisses.
Entwicklung des Cortex
Die typische Struktur des Cortex hat sich in der Stammesgeschichte der Säugetiere langsam entwickelt. Zunächst entstand der für Geruchswahrnehmung zuständige Teil, der Palaeocortex (alter Cortex) genannt wird. Ebenfalls sehr früh entstand der Archicortex, der oft zum limbischen System gezählt wird. Beim Menschen umfasst er Hirnrindenteile, die für emotionale Reaktionen zuständig sind, sowie das Verhalten für Arterhaltung und Fortpflanzung. Dazu kommt der Hippocampus, der für das Gedächtnis wichtig ist. Diese „alten“ Areale machen aber nur ein Zehntel der Großhirnrinde aus. Die übrigen 90 Prozent werden als Neocortex bezeichnet.
Mit zunehmender Höherentwicklung der Sinne wurde auch der Neocortex immer komplexer. Zusätzlich umfasst er Areale, die unsere gezielten Bewegungen steuern. Den größten Teil bilden allerdings Hirnrindengebiete, welche die Informationen aus den vielen Sinnessystemen zu einem umfassenden Bild der Welt zusammenfügen und unsere Aufmerksamkeit und Aktivität regeln. Man bezeichnet diese Teile als Assoziationscortex.
Zytoarchitektonik des Cortex
Betrachtet man Schnitte durch die „neue“ Rinde unter dem Mikroskop, so wird überall ein sehr ähnlicher Aufbau sichtbar: Es zeigen sich sechs Zellschichten, für die jeweils verschiedene Arten und Anordnungen von Neuronen charakteristisch sind. Es gibt allerdings regionale Varianten, die jeweils typisch für bestimmte Hirnrindenregionen sind. Die älteren Teile der Hirnrinde haben dagegen weniger oder mehr als sechs Schichten. Diese zelluläre Organisation des Cortex wird als Zytoarchitektonik bezeichnet.
Um von der Oberfläche des Cortex eine Landkarte der funktionell und zytoarchitektonisch unterschiedlichen Regionen zu zeichnen, bieten sich die tiefen Furchen als Unterteilung an. So kann man zunächst vier Lappen unterscheiden: vorne den Stirn- oder Frontallappen, oben den Scheitel- oder Parietallappen, seitlich den Schläfenlappen, auch Temporallappen genannt, und hinten den Hinterkopf- oder Okzipitallappen. Seitlich, aber völlig nach innen gefaltet und damit nicht von der Oberfläche her sichtbar, findet man außerdem den Insellappen. Eine wesentlich präzisere Aufteilung der Hirnrinde geht auf Untersuchungen der deutschen Neurologen Korbinian Brodmann und Cecile und Oskar Vogt zurück. Anhand der feinen Unterschiede im zellulären Aufbau wurden von Brodmann 43 verschiedene Rindenfelder beim Menschen identifiziert, die noch heute als Brodmann-Areale bekannt sind.
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Funktionelle Organisation des Cortex
Die Signale aus den verschiedenen Sinnesorganen gelangen in den Cortex. Eingehende Signale werden von Nervenzellen im Thalamus umgeschaltet und an unterschiedliche Regionen im Cortex weitergeleitet, die den entsprechenden Funktionen zugeordnet sind. Im Falle des Sehens etwa wird die primäre Sehrinde im Okzipitallappen aktiv. Sie verarbeitet die Information und leitet sie an visuelle Rindenregionen weiter, die komplexe Leistungen wie die Wiedererkennung von Gegenständen oder Gesichtern ermöglichen. Primäre somatosensorische Felder nehmen die Sinnesinformation über Berührung, Vibration, Druck, Dehnung oder Schmerz auf, verarbeiten sie und leiten sie an „höhere“ Rindenfelder weiter, wo dann zum Beispiel aus der Berührung eines Gegenstandes eine Vorstellung über dessen Form entsteht. Analoges gilt für das Hören: Aus der Wahrnehmung von unterschiedlichen Frequenzen in der primären Hörrinde kann die Wahrnehmung einer Melodie in „höheren“ Rindenfeldern entstehen.
Wie die sensorischen Zentren für Sinneseindrücke zuständig sind, gibt es für die Steuerung von Bewegungen die motorischen Zentren. Dort lassen sich bestimmten Körperteilen, sogar einzelnen Muskelgruppen und Bewegungen, Areale zuordnen - etwa der rechten Hand ein Bereich im linken Frontallappen.
Aus den vielfältigen Funktionen der Großhirnrinde ergeben sich die möglichen Folgen örtlicher Verletzungen und Ausfälle. Ist das primäre Sehzentrum betroffen, besteht Blindheit trotz funktionierender Augen; fallen bestimmte „höhere“ Rindenfelder aus, sieht der Mensch zwar, erkennt aber je nach Lokalisation der Störung nicht Gesichter, Farben oder Bewegungen. Bei einer Schädigung des Broca-Zentrums wird die Fähigkeit zu sprechen geschädigt, nicht aber das Sprachverständnis. Und Läsionen im vorderen Teil des Frontallappens führen zu Persönlichkeitsveränderung und Verminderung der intellektuellen Fähigkeiten.
Den einzelnen Funktionen lassen sich also Areale des Cortex zuordnen, die allerdings niemals losgelöst und allein für sich aktiv werden, sondern in komplexer Weise mit anderen Arealen und anderen Teilen des Gehirns verdrahtet sind.
Hirnnerven
Es gibt 12 Paare von Hirnnerven, die vom Gehirn zu verschiedenen Teilen des Kopfes, des Halses und des Rumpfes verlaufen. Die Hirnnerven können sensorische, motorische oder auch beide Faserqualitäten gleichzeitig führen und werden entsprechend ihres Ursprungs im Gehirn von rostral nach kaudal mit römischen Ziffern nummeriert. Einige Hirnnerven sind an speziellen Sinnen wie dem Sehen, Hören und Schmecken beteiligt, während andere wiederum wichtig für die Muskelkontrolle des Gesichts sind.
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Das Limbische System
Das limbische System kann auf eine wandlungsvolle neurowissenschaftliche Geschichte zurückblicken und galt lange als unitäres Zentrum unserer Emotionen. Tatsächlich aber gehen die Funktionen des limbischen Systems weit darüber hinaus, denn neben der Steuerung von Emotionen beeinflusst es zum Beispiel auch Gedächtnis oder Antrieb. Der Begriff „limbisches System“ ist sehr unscharf und bezeichnet eine Gruppe von Strukturen, die mit der Verarbeitung von Emotionen und mit Gedächtnisprozessen befasst sind. Welche dies sind, darüber gibt es unterschiedliche Vorstellungen.
Heutzutage zählen die meisten Wissenschaftler zum limbischen System den Hippocampus, den Gyrus cinguli, den Gyrus parahippocampalis, die Amygdala und das Corpus mammillare. Auch wird die Erweiterung des limbischen Systems um das Riechhirn - inklusive Septum - und Teile des Thalamus diskutiert. Das limbische System definiert sich nicht topographisch über die lokale Nähe der Strukturen, sondern über ihre funktionalen Verbindungen. Und tatsächlich sind die beteiligten Strukturen eng miteinander verknüpft. Zahlreiche Studien legen nahe, dass das limbische System unser affektives Verhalten zumindest teilweise kontrolliert und damit Gefühle und Sexualität beeinflusst. Zudem spielt es eine zentrale Rolle bei der Abspeicherung von Gedächtnisinhalten und ist so an Lernprozessen beteiligt.
Blutversorgung des Gehirns
Das Gehirn muss ständig mit genügend Sauerstoff, Glukose und weiteren Nährstoffen versorgt werden und ist deshalb besonders gut durchblutet. Die vordere Hirnarterie (Arteria cerebri anterior) versorgt das Gewebe hinter der Stirn und im Bereich des Scheitels, während die mittlere Hirnarterie (Arteria cerebri media) für die Seite und weiter innen liegende Gehirnbereiche wichtig ist. Die hintere Hirnarterie (Arteria cerebri posterior) versorgt den Hinterkopf und den unteren Bereich des Gehirns sowie das Kleinhirn. Bevor die drei Arterien in „ihre“ Hirnregionen ziehen und sich dort in kleinere Äste verzweigen, liegen sie nahe beieinander unterhalb des Gehirns. Hier sind sie über kleinere Blutgefäße miteinander verbunden - ähnlich wie in einem Kreisverkehr. Auch an weiter entfernten Stellen gibt es Verbindungswege zwischen den einzelnen Arterien. Das hat den Vorteil, dass Durchblutungsstörungen im Gehirn bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden können.
Die feinsten Aufzweigungen (Kapillaren) der Hirnarterien geben zwar Sauerstoff und Nährstoffe aus dem Blut an die Gehirnzellen ab, sind für andere Stoffe jedoch weniger durchlässig als vergleichbare Blutgefäße im übrigen Körper. Fachleute nennen diese Eigenschaft „Blut-Hirn-Schranke“, die das empfindliche Gehirn vor im Blut gelösten Schadstoffen schützen kann.
Verwendung des Schweinehirns
Obwohl der Artikel hauptsächlich die Anatomie des Gehirns im Allgemeinen behandelt, ist es wichtig zu erwähnen, dass Schweinehirne in verschiedenen Bereichen verwendet werden. In einigen Kulturen werden sie als Nahrungsmittel konsumiert, während sie in der wissenschaftlichen Forschung als Modell für das menschliche Gehirn dienen können. Aufgrund der anatomischen Ähnlichkeiten zwischen Schweine- und Menschenhirnen können Forscher Schweinehirne verwenden, um neurologische Erkrankungen zu studieren und neue Behandlungsmethoden zu entwickeln.
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