Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, dessen Funktionsweise die Wissenschaft immer noch vor zahlreiche Rätsel stellt. Mit einer Vielzahl von Studien versuchen Forscher, sich der Funktionsweise dieses komplexen Organs anzunähern. Dabei gibt es natürlich auch immer mal wieder Ergebnisse, die sich später als nicht haltbar entpuppen, aber dennoch immer weiter getragen werden.
Die graue und weiße Substanz: Ein Überblick
Im Gehirn lassen sich zwei grundlegende Gewebetypen unterscheiden: die graue und die weiße Substanz. Die graue Substanz bildet den Kortex, die aus Milliarden von Neuronen bestehende Schicht an der Oberfläche des Gehirns. Die weiße Substanz beherbergt tiefer im Gehirn verlaufende, gebündelte Nervenfasern, die die Neuronen durch millionenfache Verbindungen verschalten. Die Verarbeitung der Information, also das, was wir häufig unter "Denken" verstehen, findet hingegen in der grauen Substanz statt. Nicht von ungefähr bemüht Agatha Christies berühmter Detektiv Hercule Poirot regelmäßig seine "kleinen grauen Zellen".
Die graue Substanz: Struktur und Bestandteile
Die graue Substanz ist ein wichtiger Bestandteil des Zentralnervensystems und sowohl im Gehirn als auch im Rückenmark zu finden. Sie ist eine dünne Schicht, die aus unzähligen Neuronen besteht, die zusammen ein Netzwerk bilden, welches tiefer in das Gehirn verläuft. Die graue Substanz besteht aus Nervenzellkörpern, Neuropilem, Gliazellen und Kapillaren. Nervenzellkörper, welche auch Perikaryon genannt werden, stellen den Zellkörper eines Neurons dar. Die Aufgabe des Perikaryons ist es, die Biosyntheseleistungen des Neurons abzuwickeln. Das Neuropilem ist der Nervenfilz, welcher zwischen Nerven- und Gliazellen liegt und dafür sorgt, dass alle Zellen miteinander verknüpft sind. Gliazellen erfüllen Hilfs- und Unterstützungsfunktionen der Nerven, sind aber niemals an der Erregungsleitung beteiligt. Die Kapillaren sind kleine Gefäße, welche sich im ganzen Körper befinden. Sie haben die Aufgabe Organe mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen.
Die Nervenzellen im Gehirn sind nicht grau, sondern eher durchsichtig. Die Hirnmasse erscheint nur grau, weil sie dicht zusammengedrückt ist. Warum Gehirne, die als Anschauungsmaterial dienen, dennoch grau erscheinen, liegt an der Konservierungsflüssigkeit im Glas. Es gibt jedoch tatsächlich farbige Substanz im Gehirn - nämlich eine schwarze. Das sind Neuronen, die Melanin, einen dunklen Farbstoff, bilden. Sie kontrollieren die Bewegungsabläufe. Bei der Parkinson-Erkrankung sterben diese schwarzen Neuronen ab.
Die linke Gehirnhälfte und ihre Funktionen
Es stimmt, dass wir zwei unterschiedliche Gehirnhälften haben, die zum Teil unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Beide Hälften sind durch ein dickes Faserbündel verbunden. Es gibt Verarbeitungsnetzwerke, die auf einer bestimmten Seite liegen, Sprache wird zum Beispiel meist auf der linken Seite erzeugt. Dennoch arbeitet das Gehirn immer als Einheit, keine Hälfte dominiert die andere. Also auch wenn Sprache in der linken Seite erzeugt wird, ist die rechte dabei nicht untätig. Beide Seiten stehen in ständiger Kommunikation miteinander.
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Die linke Gehirnhälfte wird oft mit Logik, Sprache und analytischem Denken in Verbindung gebracht. Sie steuert die rechte Körperhälfte und ist in der Regel für folgende Funktionen zuständig:
- Sprachverarbeitung: Sprachverständnis, Sprachproduktion, Lesen und Schreiben
- Logisches Denken: Analytisches Denken, Problemlösung, Schlussfolgerungen ziehen
- Mathematische Fähigkeiten: Rechnen, algebraisches Denken
- Sequentielle Verarbeitung: Verarbeitung von Informationen in einer bestimmten Reihenfolge
- Detailorientierung: Fokus auf einzelne Details und Fakten
Die Großhirnrinde (Cortex cerebri)
Die Rinde des Großhirns - der Cortex cerebri - bedeckt fast das gesamte von außen sichtbare Gehirn. Sie ist stark gefaltet und durchzogen von zahlreichen Furchen, wodurch voneinander abgrenzbare Bereiche entstehen. Jede Großhirnhälfte (Hemisphäre) gliedert sich in vier von außen sichtbaren Lappen, die Lobi: den Stirnlappen (Frontallappen), Scheitellappen (Parietallappen), Schläfenlappen (Temporallappen) und Hinterhauptslappen (Okzipitallappen). Hinzu kommt der Insellappen (Lobus insularis), der tief in der seitlichen Großhirnfurche verborgen liegt und von außen nicht sichtbar ist. Etwa 90 Prozent des Cortex bestehen aus dem evolutionär jungen Neocortex, der durchgehend aus sechs Zellschichten aufgebaut ist.
Das Großhirn mit seinen beiden Hemisphären und dem sie verbindenden Balken (Corpus callosum ist der entwicklungsgeschichtlich jüngste und größte Teil des Gehirns. Es macht etwa 85 Prozent der gesamten Gehirnmasse aus. Zieht man das innen Großhirnmark - vor allem bestehend aus Nervenfasern und den darin eingebetteten Basalganglien (Nuclei basales) - ab, bleibt die Großhirnrinde, eine zwei bis fünf Millimeter dicke Schicht, die als graue Substanz bezeichnet wird. Sie ist reich an Nervenzellkörpern, die ihr eine rotbraune bis graue Farbe verleihen. Schätzungen gehen von etwa 17 Milliarden Nervenzellen (Neuronen) in der menschlichen Großhirnrinde aus; Individuelle Unterschiede zwischen Frauen und Männern hängen vor allem mit der im Durchschnitt größeren Gehirn- und Körpergröße von Männern zusammen - sie erlauben keinesfalls Rückschlüsse auf geistige Fähigkeiten.
Im Cortex entsteht aus den Signalen der Sinnesorgane und vorgeschalteter Hirnregionen ein zusammenhängender Eindruck der Umwelt. Zudem kann er Informationen speichern und bildet damit die biologische Grundlage unseres Gedächtnisses. Die typische Struktur des Cortex hat sich in der Stammesgeschichte der Säugetiere langsam zu seiner heutigen Form entwickelt. Zunächst entstand der für Geruchswahrnehmung zuständige Teil - er heißt daher Paleocortex, also alter Cortex. Ebenfalls sehr früh entstand der so genannte Archicortex, der oft zum limbischen System gezählt wird. Beim Menschen umfasst er Hirnrindenteile, die für emotionale Reaktionen zuständig sind, das Verhalten für Arterhaltung und Fortpflanzung. Dazu kommt der Hippocampus, der für das Gedächtnis und räumliche Orientierung von zentraler Bedeutung ist. Diese „alten“ Areale machen jedoch nur etwa ein Zehntel der Großhirnrinde aus. Die übrigen 90 Prozent bilden den Neocortex.
Mit der zunehmenden Entwicklung und Verfeinerung der Sinne bei den Säugetieren - dazu gehören nicht nur Auge, Ohr und Geschmacksorgane, sondern auch die Sinnesrezeptoren in Haut, Schleimhaut und Muskulatur sowie die Netzhaut und das Innenohr mit Hör- und Gleichgewichtssystem - wurde auch der Neocortex immer komplexer. Er umfasst neben motorischen Feldern zur Steuerung gezielter Bewegungen vor allem große Anteile des sogenannten Assoziationscortex. Im Assoziationscortex werden Informationen aus den vielen Sinnessystemen zu einem umfassenden Bild der Welt zusammengefügt, hier werden auch unsere Aufmerksamkeit und Aktivität geregelt. Dabei verarbeitet der Assoziationscortex nicht nur Sinneseindrücke, die von außen ins Gehirn gelangen, sondern bezieht auch innere Prozesse mit ein - etwa Erinnerungen, Erwartungen oder Gedanken. Auf diese Weise entsteht ein inneres Weltmodell, das unsere Wahrnehmung lenkt und es uns ermöglicht, die Außenwelt im Licht unserer Erfahrungen und Ziele zu interpretieren.
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Die Rinde konnte dabei nicht beliebig wachsen, denn das Schädelvolumen ist begrenzt. Stattdessen legte sie Falten: Windungen (Gyri) und Furchen (Sulci bzw. Fissurae). Ähnlich wie beim zusammengeknüllten Geschirrtuch in einem Glas entsteht so viel Oberfläche auf kleinem Raum - ein Trick der Evolution, um trotz des begrenzten Schädelvolumens genug Platz für die vielfältigen Aufgaben des Cortex zu schaffen. Das Schädelvolumen seinerseits muss minimiert werden, da aufgrund der Weite der weiblichen Geburtswege nur ein beschränkter Raum zur Verfügung steht.
Unter dem Mikroskop zeigt der Neocortex einen typischen sechsschichtigen Aufbau. Je nach Region variiert die genaue Ausprägung dieser Schichten und ist charakteristisch für bestimmte Rindenfelder. Die älteren Teile des Cortex besitzen dagegen nicht sechs, sondern eine andere Anzahl von Schichten - meist drei bis fünf. Diese zelluläre Organisation bezeichnet man als Zytoarchitektonik. Für eine grobe Orientierung lassen sich die großen Furchen und Lappen heranziehen. Eine präzisere Gliederung geht jedoch auf die Arbeiten von Korbinian Brodmann sowie Cecile und Oskar Vogt zurück. Brodmann unterschied anhand der Feinheiten im zellulären Aufbau beim Menschen 52 Felder, die bis heute als Brodmann-Areale bekannt sind. Manche Darstellungen nennen andere Zahlen, da einzelne Felder anfangs nicht eindeutig abgegrenzt waren. In der modernen Forschung wurden Brodmanns Felder zudem weiter differenziert oder zusammengefasst. Obwohl Brodmann seine Areale ausschließlich nach dem zellulären Aufbau beschrieb, lassen sich vielen von ihnen bestimmte Funktionen zuordnen. Lange Zeit galt dies als Beispiel für das Prinzip „form follows function“ - die Form bestimmt die Funktion. Heute wird jedoch diskutiert, ob es nicht auch umgekehrt sein könnte: dass funktionelle Netzwerke die Struktur prägen.
Ob wir etwas hören, sehen oder auf andere Art bewusst wahrnehmen: Die Signale aus den verschiedenen Sinnesorganen landen im Cortex. Doch wie genau funktioniert das? Eingehende Signale werden von Nervenzellen im Thalamus umgeschaltet und an entsprechende Rindenregionen weitergeleitet. Im Falle des Sehens etwa wird die primäre Sehrinde im Okzipitallappen aktiv. Sie verarbeitet die visuellen Signale und leitet sie an Rindenregionen weiter, die komplexe Leistungen wie die Wiedererkennung von Gegenständen oder Gesichtern ermöglichen. Primäre somatosensorische Felder im Scheitellappen 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 unterschiedlicher Schallfrequenzen in der primären Hörrinde im Schläfenlappen kann die Wahrnehmung einer Melodie oder Sprache 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 hinteren Drittels der unteren Windung im Frontallappen, dem Broca-Zentrum, wird die Fähigkeit zu sprechen geschädigt. 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 verschaltet sind. Neuere Studien zeigen etwa eine verblüffende Interaktion aus Feedforward und Feedback zwischen dem visuellen Thalamus und unterschiedlichen Schichten des primären visuellen Cortex. Diese Interaktion ist so detailliert, dass man im Grunde beide als ein System betrachten muss. Ob es also darum geht, einen Text wie diesen zu entziffern und zu verstehen, oder um andere höhere mentale Funktionen: Zuständig ist der Cortex, die äußerste Schicht unserer zwei Großhirnhälften. Hier werden Sinneseindrücke verarbeitet, Informationen gespeichert, hier denken wir nach und entwickeln Pläne, hier steuert unser Gehirn Handlungen wie Gehen, Sprechen oder Schreiben, hier entsteht unser Bewusstsein.
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Die Rolle der grauen Substanz bei Multipler Sklerose
Multiple Sklerose (MS) wurde lange Zeit als Erkrankung der weißen Hirnsubstanz angesehen. Doch viele Krankheitssymptome der MS lassen sich nicht durch eine alleinige Schädigung der weißen Hirnsubstanz erklären. Symptome, wie z.B. chronische Fatigue, Gedächtnisstörungen und manchmal sogar epileptische Anfälle, müssen eine andere Ursache haben. Schädigungen der grauen Substanz haben die folgenreichsten Auswirkungen, das zeigen Krankheitsbilder der Alzheimer oder Parkinson´schen Erkrankung. Bei diesen Erkrankungen gehen die Nervenzellen der grauen Substanz in bestimmten Hirnregionen zugrunde. Die graue Hirnsubstanz ist aber auch bei der Multipler Sklerose vom Krankheitsprozess betroffen. Multiple Sklerose ist eine Erkrankung, die mit z.T. schweren fortschreitenden neurologischen Ausfällen einhergeht und vor allem Menschen in ihrem aktivsten Lebensabschnitt, dem jungen Erwachsenenalter, betrifft. Einige Symptome der Multiplen Sklerose lassen sich nicht oder kaum allein durch die Schädigung der weißen Substanz erklären. Dazu gehören kognitive Störungen wie das Erinnern und Fatigue. Wird die graue Substanz beschädigt, schrumpft das Gehirn (Gehirnatrophie).
Wissenschaftler des Instituts für Neuroimmunologie und Multiple-Sklerose-Forschung der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) haben ein neues Modell entwickelt, mit dem sich erstmals gezielt Schädigungen in der grauen Hirnsubstanz erforschen lassen. Über diesen Weg haben sie einen neuen Krankheitsmechanismus bei Multipler Sklerose entdeckt. Die Forscher fanden im Tiermodell heraus, durch welche Immunzellen bei dieser autoimmunologischen Erkrankung des Zentralnervensystems die „graue Hirnsubstanz“ angegriffen werden könnte. Dieser Teil ist die Schalt- und Speicherzentrale des Gehirns, hier werden nahezu sämtliche Signale verschaltet, verrechnet und gespeichert. Immunzellen, die gegen das in Nervenzellen vorkommende Eiweiß beta-Synuklein gerichtet sind, dringen gezielt in das Steuerzentrum des Gehirns ein und lösen vor Ort eine Entzündungsreaktion aus. Dadurch werden die hochspezialisierten und zarten Nervengeflechte geschädigt. Die fatale Folge: Das Gehirn schrumpft, und es kommt zu nicht reparierbaren neurologischen Ausfällen. Die Göttinger Wissenschaftler entdeckten zudem, dass solche zerstörerischen Immunzellen vor allem im Blut von Multiple Sklerose-Erkrankten mit einem fortschreitend-chronischen Verlauf vermehrt sind.
Plastizität der grauen Substanz
Dass sich graue Hirnzellen bei Erwachsenen noch vermehren lassen, ist bekannt. Neurowissenschaftler und Linguist an der Universität Hongkong, Li-Hai Tan, erklärte: "Wir haben sie trainiert und sie gebeten, sich Kunstnamen für die vier Farben zu merken. Diese Aufgabe ahmt die Wort-Objekt-Zuordnung nach, die bei kleinen Kindern stattfindet, wenn sie sprechen lernen." Und natürlich war diese Aufgabe für die Erwachsenen kinderleicht. Nach knapp zwei Stunden konnten alle Probanden die vier Farben mit den richtigen Nonsense-Namen voneinander unterscheiden. Umso überraschter zeigte sich Li-Hai Tan, als er die Ergebnisse dieses Trainings auf den Hirnscans der Probanden sah:"Nach diesen Übungen fanden wir eine deutliche Volumenzunahme der grauen Substanz, und zwar in dem visuellen Kortex in der linken Gehirnhälfte, in einer Region, die verantwortlich ist für die Verarbeitung von Farb- und Leuchtwahrnehmungen." Messen können die Forscher diese Veränderung in der Hirnrinde mithilfe so genannter Voxel. Eine Einheit, die das dreidimensionale Pendant zum Pixel ist. Dementsprechend ist aber bisher auch nur klar, dass es eine Volumenzunahme um 50 Voxel gegeben hat.
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