Gehirn: Innere Anatomie und Funktionsweise

Das Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das als Steuerzentrale unseres Körpers fungiert. Es steuert nicht nur lebenswichtige Funktionen wie Atmung und Kreislauf, sondern ist auch für unsere kognitiven Fähigkeiten, Emotionen und unser Verhalten verantwortlich. In diesem Artikel werden wir die innere Anatomie des Gehirns, seine verschiedenen Bereiche und ihre jeweiligen Funktionen genauer betrachten.

Was ist das Gehirn?

Das Gehirn (Encephalon) ist der Teil des zentralen Nervensystems, der innerhalb des knöchernen Schädels liegt und diesen ausfüllt. Es besteht aus unzähligen Nervenzellen, die über zuführende und wegführende Nervenbahnen mit dem Organismus verbunden sind und ihn steuern. Das Gehirnvolumen (Mensch) beträgt etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse. Das Gewicht (Gehirn) macht mit 1,5 bis zwei Kilogramm ungefähr drei Prozent des Körpergewichts aus. Ein Mensch hat ungefähr 86 Milliarden Nervenzellen (Neuronen) und etwa ebenso viele Gliazellen.

Schutz des Gehirns

Das Gehirn ist ein sehr empfindliches Organ und benötigt daher besonderen Schutz. Dieser Schutz wird durch verschiedene Strukturen gewährleistet:

• Knöcherner Schädel: Der Schädel umgibt das Gehirn und schützt es vor mechanischen Einflüssen.
• Hirnhäute (Meningen): Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater (harte Hirnhaut), Arachnoidea (Spinnengewebshaut) und Pia mater (innere Hirnhaut). Sie bieten zusätzlichen Schutz und enthalten Flüssigkeit (Liquor), die das Gehirn polstert.
• Liquor: Der Liquor (Hirn-Rückenmarksflüssigkeit) umgibt das Gehirn und das Rückenmark schützend. Er befindet sich im Subarachnoidalraum zwischen der Spinngewebshaut und der inneren Hirnhaut und schützt die dünnwandigen Gefäße.
• Blut-Hirn-Schranke: Das empfindliche Gewebe im Gehirn ist durch die Blut-Hirn-Schranke gegen schädigende Substanzen im Blut (wie Gifte, Krankheitserreger, bestimmte Medikamente etc.) abgeschirmt. Die Blut-Hirn-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen dar. Nur bestimmte Substanzen können diese passieren und so in das Gehirn gelangen. Sie wird durch die Gliazellen gebildet und schützt das Gehirn vor schädlichen Substanzen, Krankheitserregern und Stoffen, die das innere Milieu stören könnten.

Aufbau des Gehirns: Fünf Hauptabschnitte

Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:

1. Großhirn (Telencephalon): Der größte und schwerste Teil des Gehirns, verantwortlich für höhere kognitive Funktionen.
2. Zwischenhirn (Diencephalon): Enthält wichtige Strukturen wie Thalamus und Hypothalamus, die an der Verarbeitung von Sinnesinformationen und der Steuerung des Hormonhaushaltes beteiligt sind.
3. Mittelhirn (Mesencephalon): Ein kleiner Abschnitt des Gehirns, der eine wichtige Rolle bei der Steuerung von Augenbewegungen und der Verarbeitung akustischer Reize spielt.
4. Kleinhirn (Cerebellum): Koordiniert Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen.
5. Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata): Bildet den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark und ist für lebenswichtige Funktionen wie Atmung und Herzschlag verantwortlich. Es verknüpft zudem das Gehirn mit dem Rückenmark, wodurch die Positionen der grauen und weißen Substanz wechseln.

Großhirn (Telencephalon)

Das Großhirn ist der größte Teil des Gehirns und nimmt rund 80 Prozent der gesamten Hirnmasse ein. Es besteht aus zwei Hälften, den sogenannten Hemisphären, die durch eine tiefe Furche getrennt sind. Die beiden Gehirnhälften sind über einen Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden. Das Corpus callosum dient dem Austausch von Informationen zwischen den beiden Gehirnhälften.

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Die Oberfläche des Großhirns wird als Großhirnrinde (Kortex) bezeichnet. Mit ihren Falten und Furchen ähnelt die Großhirnrinde einer Walnuss. Diese Faltung dient dazu, die Oberfläche des Gehirns zu vergrößern und somit mehr Platz für Nervenzellen zu schaffen. Die Großhirnrinde hat eine Dicke von zwei bis fünf Millimetern und besteht aus einer äußeren Schicht (Isocortex oder Neocortex) und einer inneren Schicht (Allocortex). Sie 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): Befindet sich im vorderen Bereich des Großhirns. Er kontrolliert die Bewegungen und führt kognitive Prozesse aus.
• Parietallappen (Scheitellappen): Ist ein primär sensorisches Rindenfeld und ist für somatosensorische Funktionen zuständig.
• Temporallappen (Schläfenlappen): 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): Ist der hinterste und auch kleinste der vier Hirnlappen.

Die verschiedenen Anteile der Großhirnrinde übernehmen ganz unterschiedliche Funktionen. In der Hirnrinde - dem äußeren Bereich des Großhirns - sind die Lern-, Sprech- und Denkfähigkeit sowie das Bewusstsein und das Gedächtnis verankert. Hier laufen die Informationen aus den Sinnesorganen zusammen, werden verarbeitet und schließlich im Gedächtnis gespeichert. Im Großhirn sitzen auf der einen Seite Sprache und Logik, auf der anderen Seite Kreativität und Orientierungssinn.

Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn befindet sich zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn. Es besteht unter anderem aus dem Thalamus, dem Hypothalamus, dem Subthalamus und dem Epithalamus.

• Thalamus: Sammelt alle Signale, die von den Sinnesorganen herkommen, ein und leitet sie an das Großhirn weiter. Er gilt als „Tor zum Bewusstsein“. Der Thalamus beinhaltet graue Substanz und ist für die Sammlung von Sinneswahrnehmungen zuständig, die er an den Parietallappen des Großhirns weiterleitet.
• Hypothalamus: Steuert den Hormonhaushalt und agiert sozusagen als Brücke zwischen Hormon- und Nervensystem. Er übernimmt die Steuerung von Funktionen wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten. Der Hypothalamus ist mit der Hypophyse verbunden, die die Ausschüttung von Hormonen im Körper reguliert. Er reguliert die Hypophyse, eine bedeutungsvolle Hormondrüse. Durch die Ausschüttung von Hormonen steuert die Hormondrüse im Gehirn Vorgänge wie Wachstum, Fortpflanzung und Stoffwechsel.

Das Zwischenhirn ist für die Wahrnehmung verantwortlich. Es ist der Teil des Gehirns, welches die Gefühle steuert. Außerdem reguliert es Deine Grundbedürfnisse, wie Hunger und Durst. Zusätzlich spielt das Zwischenhirn bei der Schlaf-Wach-Steuerung eine Rolle.

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Mittelhirn (Mesencephalon)

Das Mesencephalon ist der kleinste Abschnitt des Gehirns. Es verbindet das Vorderhirn mit dem Rautenhirn und spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung von Augenbewegungen, der Verarbeitung akustischer Reize und der Regulation von Muskeltonus und Körperhaltung.

Kleinhirn (Cerebellum)

Das Kleinhirn (auch Cerebellum genannt) befindet sich im unteren hinteren Bereich des Schädels, oberhalb des Hirnstamms und unterhalb der beiden Großhirnhemisphären. Trotz seiner im Vergleich zum Großhirn wesentlich geringeren Größe enthält das Kleinhirn die meisten Nervenzellen - rund 70 Milliarden. Genau wie das Großhirn verfügt auch das Kleinhirn über eine Hirnrinde. Außerdem ist auch das Cerebellum in eine rechte und eine linke Hälfte geteilt.

Die Hauptaufgabe des Kleinhirns besteht darin, Bewegungsabläufe zu steuern und zu koordinieren. So haben wir es beispielsweise dem Kleinhirn zu verdanken, wenn unser Gleichgewicht hergestellt und die Körperhaltung aufrechterhalten wird. Jede Bewegung unseres Körpers wird vom Kleinhirn blitzschnell analysiert. Das Kleinhirn koordiniert unsere Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen. Es unterstützt beim unbewussten und sozialen Lernen.

Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)

Das auch als Nachhirn bezeichnete Meyelencephalon stellt den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark dar. Es ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig. Das Nachhirn ist für viele vegetativ ablaufende Vorgänge verantwortlich. Dies sind Prozess, die unbewusst, also automatisch ablaufen. Beispiele für vegetative Funktionen des Nachhirns sind:

• Herzschlag
• Atmung
• Stoffwechsel
• Lidschluss
• Schlucken und Husten

Im Nachhirn überkreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften.

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Hirnstamm

Der Hirnstamm ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und besteht aus Mittelhirn, Medulla oblongata und Brücke (Pons). Er dient als Verbindung zwischen Rückenmark und Großhirn. 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.

Graue und weiße Substanz

Das Gehirn besteht aus zwei verschiedenen Arten von Gewebe: der grauen und der weißen Substanz.

• Graue Substanz: Besteht in erster Linie aus Nervenzellkörpern. Der Name kommt daher, dass die Nervenzellen im lebenden Organismus rosa sind, sich nach dessen Tod aber grau verfärben. Aus grauer Substanz bestehen etwa die Großhirnrinde, die Basalganglien, die Kleinhirnrinde und die Hirnnervenkerne. Etwa 80 Prozent der Hirndurchblutung sind für die Versorgung der grauen Substanz notwendig. Die graue Substanz 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: Besteht aus den Nervenzellfortsätzen, den Nervenfasern (Axonen). Die weiße Substanz findet sich im Mark von Großhirn und Kleinhirn. Die weiße Substanz 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.

Hirnnerven

Dem Gehirn entspringen zwölf paarige Nerven, die den Kopf, den Hals und Organe im Rumpf versorgen.

Blutversorgung des Gehirns

Das Gehirn ist ein sehr stoffwechselaktives Organ und benötigt daher eine ständige und ausreichende Blutversorgung. Zwischen 15 und 20 Prozent des Herzminutenvolumens entfällt auf die Blutversorgung des Gehirns. Diese Menge kann bis zum 50. Lebensjahr geringfügig schwanken, nimmt aber danach ab (zusammen mit dem Sauerstoff- und Glukoseverbrauch). In Schlaf- und Wachphasen wird das Gehirn stets etwa gleichermaßen durchblutet. Auch bei Blutdrucksteigerungen, Blutdruckabfall, starker körperlicher Anstrengung oder sogar unregelmäßigem Herzschlag ändert sich die Durchblutung des Gehirns kaum - außer, wenn der systolische Blutdruck stark abfällt (unter 70 mmHg) oder stark ansteigt (über 180 mmHg).

Die Blutversorgung des Gehirns erfolgt über die rechte und linke innere Halsschlagader (Arteria carotis interna), die aus der gemeinsamen Halsschlagader (Arteria communis) entspringen, und über die Arteria vertebralis, die aus den Wirbelkörpern kommt und durch das Hinterhauptsloch in die Schädelhöhle eintritt. 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.

Ventrikelsystem

Das Gehirn weist mehrere Hohlräume (Hirnkammern) auf, in denen der Liquor zirkuliert und die zusammen das Ventrikelsystem bilden.

Energieverbrauch und Gehirnkapazität

Der Energieverbrauch im Gehirn ist enorm hoch. 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. Die Gehirnkapazität ist deutlich größer als die, die wir im Alltag tatsächlich nutzen. Das bedeutet: Ein Großteil unserer Gehirnkapazität ist ungenutzt.

Wie funktioniert das 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. Über die Synapsen tauschen die Gehirnzellen im Kopf untereinander Informationen aus. Als Synapsen werden die Kontaktstellen zwischen den Neuronen bezeichnet. Neurotransmitter (chemische Botenstoffe) übertragen die Informationen. Man geht von rund 100 Milliarden Synapsen im menschlichen Gehirn aus. Statistisch wäre somit jedes Neuron mit 1.000 anderen verbunden und von jedem anderen Neuron aus in nur vier Schritten zu erreichen. Nicht nur die Neuronen sind an der Weitergabe von Informationen beteiligt: Auch die sie umgebenden Gliazellen spielen hierbei eine wichtige Rolle. Sie stellen Nährstoffe bereit und absorbieren verschüttete Neurotransmitter. Rund die Hälfte der gesamten Hirnmasse besteht aus Gliazallen.

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.

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.

Entwicklung des Gehirns

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. 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.

Gedächtnis

Eine sehr wichtige Funktion des Gehirns ist das Gedächtnis - vom Ultrakurzzeit- über das Kurzzeit- bis zum Langzeitgedächtnis. Unter dem Gedächtnis versteht man die Eigenschaft des Gehirns, Informationen zu speichern und diese als Erfahrungen wieder abzurufen. Die Leistungs- und Speicherfähigkeit des Gehirns wird auch Gehirnkapazität genannt. Je nachdem, wie viel Gehirnkapazität benötigt wird, unterscheidet man verschiedene Gedächtnisstufen:

Gedächtnisstuf	vermutete Kapazität	Speicherdauer	Beispiel
Kurzzeitgedächtnis	400 bit	Wenige Sekunden	Aufgeschnappte Telefonnummer
Mittelfristiges Gedächtnis	10000 bit	Bis zu einigen Tagen	Erlernte Fakten vor einer Klausur
Langzeitgedächtnis	100 Milliarden bis 10 Billionen bit	über Jahre hinweg	Erster Kuss

Neuroplastizität

Durch das Verwenden der immer gleichen Synapsen werden diese gestärkt. Dies führt zu einem deutlich höheren und schnelleren Informationsfluss. Durch das wiederholte Eintreten von Informationen entstehen Leistungsmuster. Man geht davon aus, dass so Informationen im Gehirn gespeichert werden. Die Anpassung der Synapsen an die Umweltbedingungen nennt man neuronale oder synaptische Plastizität. Dabei unterscheidet man zwischen struktureller und funktioneller Plastizität. Bei der strukturellen Plastizität werden durch vermehrte Benutzung bestimmter Signalwege neue Synapsen gebildet. Es ändert sich also die Struktur des Gehirns. Bei der funktionellen Plastizität hingegen, welche weniger permanent ist, verändert sich die Menge der Neurotransmitter.

Erkrankungen des Gehirns

Das Gehirn ist zwar durch die Schädelknochen geschützt, aufgrund seiner Empfindlichkeit jedoch auch sehr anfällig für Erkrankungen. Erkrankungen des Gehirns können unterschiedliche Ursachen haben. Das Ausmaß und die Symptome der Erkrankung hängen zudem von der betroffenen Region ab.

• Schlaganfall: Der Schlaganfall ist die am häufigsten auftretende Erkrankung des Gehirns. Schlaganfälle entstehen dadurch, dass eine Region des Gehirns durch den Verschluss eines Hirngefäßes nicht mit ausreichend Sauerstoff versorgt werden kann. Es kommt zu einem Blutgerinnsel oder zu einer Blutung aufgrund eines geplatzten Gefäßes. Wenn Blutgefäße im Gehirn blockiert werden, ist der Blutfluss gestört. Dies führt zu Sauerstoffmangel und das Gehirn wird nicht mit genügend Nährstoffen versorgt. Das umliegende Nervensystem stirbt ab. Je nachdem welcher Teil des Gehirns betroffen ist, kann ein Schlaganfall zur Lähmung einzelner Extremitäten, Sprechstörungen oder Gleichgewichtsstörungen führen.
• Gehirnerschütterung: Die leichteste Form der Gehirnerkrankung ist die Gehirnerschütterung.
• Parkinson: Parkinson entsteht dadurch, dass bestimmte Hirnzellen im Organ absterben. Es kommt zu einer verminderten Ausschüttung des Botenstoffes Dopamin, was zu einer Störung der Motorik führt. Typisch ist eine unwillkürliche Anspannung der Muskulatur, die sich in den für die Erkrankung typischen Zitterbewegungen offenbart. Bei der Parkinson-Krankheit sterben dopaminerge Neuronen in der substantia nigra ab. Dies führt zu den drei charakteristischen Symptomen für diese Krankheit: Bewegungslosigkeit, Muskelstarre und Ruhetremor (Zittern).
• Demenz: Auch die Demenz, die eine Verminderung der kognitiven Leistungen zur Folge hat, entsteht durch Veränderungen im Gehirn. Am weitesten verbreitet ist im Schnitt der Morbus Alzheimer. Unter Demenz versteht man die Abnahme von Gedächtnis- und Denkleistungen.
• Alzheimer: Ganz anders sind die Symptome der Alzheimer-Krankheit. Menschen, die von Alzheimer betroffen sind, verlieren ihre kognitiven Fähigkeiten. Die Betroffenen zeigen bestimmte Verhaltensauffälligkeiten und können in vielen Fällen kein selbstständiges Leben mehr führen, sondern benötigen Assistenz. Es ist nicht immer leicht, Alzheimer von einer Demenz zu unterscheiden. Grund für die Alzheimer-Erkrankung ist zum einen die Bildung von sogenannten Plaques und Fibrillen im Gehirn. Zum anderen schrumpft das Gehirn und die mit Flüssigkeit gefüllten Hohlräume (Hirnventrikel) werden größer.
• Gehirntumore: Gehirntumore können in jedem Alter auftreten. Ihre Vielfalt ist sehr groß, sie können gut- ebenso wie bösartig sein.

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