Das menschliche Gehirn, das komplexeste Organ, das die Natur geschaffen hat, ist der Ursprung all unserer Wahrnehmungen, Handlungen, Gedanken und Gefühle. Es bestimmt sogar unseren Charakter, wobei genetische Anlagen, Erfahrungen und Umwelteinflüsse zusammenwirken. Informationen aus der Außenwelt erreichen unser Gehirn über die Sinne und werden dort zu einem individuellen Bild der Welt verarbeitet. Unzählige bewusste und unbewusste Vorgänge laufen dabei gleichzeitig ab. Fortschritte in der Mikroskopie und anderen bildgebenden Verfahren ermöglichen es uns, die Funktionsweise unseres Gehirns immer besser zu verstehen. Dennoch bleibt dieses Organ für Wissenschaftler*innen eine Quelle vieler offener Fragen.
Die Organisation des Gehirns
Das Gehirn ist auf verschiedenen Ebenen in Schaltkreisen organisiert, von den Vorgängen an einzelnen Synapsen bis hin zu Netzwerken zwischen Millionen von Zellen. Es besteht aus verschiedenen Regionen wie Großhirn, Kleinhirn und Hirnstamm, die unterschiedliche Aufgaben haben. Viele Fähigkeiten erfordern jedoch die Zusammenarbeit verschiedener Hirnregionen.
Großhirnrinde (Cortex)
Die Großhirnrinde, auch Cortex genannt, bedeckt fast das gesamte Gehirn und verleiht ihm mit ihren Furchen und Windungen das Aussehen einer Walnuss. Sie steuert Wahrnehmung, Bewusstsein und Verhalten. Der Frontallappen, der gesamte vordere Teil des Cortex, steuert die bewusste Bewegung, insbesondere Schnelligkeit, Richtung und Kraftentwicklung. Viele Wissenschaftler*innen sehen hier auch die höheren geistigen Funktionen des Menschen und bezeichnen den Frontallappen als "Träger der Kultur".
Temporallappen
Die bekannteste Funktion des Temporallappens ist das Hören. Die Hörzentren nehmen fast die gesamte Oberfläche des Temporallappens ein, was die hohe "Rechenleistung" verdeutlicht, die Sprache und Musik erfordern.
Hippocampus und limbisches System
Der Hippocampus, ein "eingerolltes" Stück Cortex, ist ein zentraler Teil des limbischen Systems. Er ist wichtig für die Speicherung von Wissen und Erfahrungen. Das limbische System, zu dem auch Amygdala (Mandelkern), Gyrus cinguli und Gyrus parahippocampalis gehören, ist für die Entstehung und Verarbeitung von Emotionen und für Gedächtnisprozesse von großer Bedeutung.
Lesen Sie auch: Hirnforschung und Ethik
Hypothalamus und Hypophyse
Der Hypothalamus kontrolliert wichtige Funktionen wie Fortpflanzung, Ernährung, Temperaturregulation und Zeitmessung. Er ist ein übergeordnetes Zentrum des autonomen Nervensystems, das unbewusste Prozesse wie Atmung und Herzschlag steuert. Die Hirnanhangsdrüse (Hypophyse), nur so groß wie eine Erbse, ist als "Königin der Drüsen" lebensnotwendig, da sie das Hormonsystem des Körpers steuert.
Kleinhirn
Das Kleinhirn, im hinteren Teil des Schädels gelegen, koordiniert die Motorik, also die Körperhaltung und das Gehen, aber auch komplexe Bewegungsabläufe wie das Schreiben.
Hirnstamm
Der Hirnstamm, direkt mit dem Rückenmark verbunden, ist die "Technikzentrale" des Gehirns. Er kontrolliert und regelt die unbewussten, lebensnotwendigen Prozesse im Körper wie Kreislauf, Atmung und Schlaf.
Nervenzellen und ihre Verbindungen
Unser Gehirn ist ein komplexes Netzwerk aus rund 86 Milliarden Nervenzellen, die ständig miteinander kommunizieren. Dauernd werden Verbindungen zwischen den Nervenzellen neu aufgebaut oder getrennt, verstärkt oder abgeschwächt. Dies ist auch die Voraussetzung dafür, dass wir lernen und vergessen können. Die Nervenzellen nehmen über die Dendriten elektrische Reize auf und leiten diese zum Zellkörper. Von dort werden sie über das Axon zu anderen Nervenzellen gesendet. Die Übertragung von einer Zelle zur nächsten geschieht an den Synapsen, wo der elektrische Impuls in einen chemischen Impuls übersetzt wird.
Die Nervenzellen im Gehirn sind in Schichten angeordnet. Die Zuordnung bestimmter Funktionen zu einzelnen Hirnregionen erklärt jedoch nicht die komplexen Leistungen des Gehirns. Handlung, Emotion und Aufmerksamkeit hängen voneinander ab, und auch kognitive Leistungen wie Rechnen werden erst durch die komplizierte Verschaltung von unterschiedlichen Gehirnregionen möglich. Im Gehirn verlaufen große Nervenfaserbündel, die die Zellen der verschiedenen Hirnregionen "überregional" miteinander verbinden.
Lesen Sie auch: Karrierewege in der Neurowissenschaft
Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomografie (dMRT)
Mithilfe der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomografie (dMRT) können Wissenschaftler*innen diese Vernetzung der Hirnareale am lebenden menschlichen Gehirn nachvollziehen. Die Technik ist nicht invasiv, ungefährlich und sehr genau. Gemessen wird die Diffusionsbewegung von Wassermolekülen im Gewebe. Diese können sich entlang der Nervenfaserbündel schneller und leichter bewegen als quer dazu.
Gliazellen
Neben den Nervenzellen gibt es im Gehirn noch eine weitere Art von Zellen, die Gliazellen. Ohne sie würde in unseren Köpfen gar nichts funktionieren. Gliazellen bilden die Grundstruktur des Gehirns und führen so zu einer schnellen Informationsverarbeitung. Sie versorgen die Nervenzellen mit Nahrung und entsorgen deren Abfallstoffe. Auch die Schicht, die die langen Nervenfasern elektrisch isoliert, wird von Gliazellen gebildet. Sie ist die Voraussetzung für die für Wirbeltiere typische schnelle Nervenleitung.
Konnektom
Die gesamten Nervenverbindungen eines Lebewesens heißen Konnektom. Dieser Begriff soll zum Ausdruck bringen, dass die Nervenzellen stark miteinander vernetzt sind und nur in ihrer Beziehung zueinander verstanden werden können. Das Konnektom des menschlichen Gehirns ist sehr komplex. Wissenschaftler*innen untersuchen die grundlegenden Prinzipien deshalb an einfacher aufgebauten Gehirnen, zum Beispiel bei Mäusen.
Top-Down- und Bottom-Up-Prozesse
Gehirn und Nervensystem sind nicht fest miteinander "verdrahtet", sondern sie beeinflussen sich gegenseitig. Mit dem Organisationsprinzip "Top-down" wird die Aufmerksamkeit gezielt auf Elemente der Außenwelt gerichtet. Das Gegenstück zu "Top-down" ist "Bottom-up", also wenn die Aufmerksamkeit des Gehirns von Seiten der sensorischen Systeme erregt wird.
Besonders gut erforscht ist die Reizverarbeitung im visuellen System. Es wird beispielsweise durch Bewegungen des Körpers beeinflusst, was die Wahrnehmung und die Aufmerksamkeit in Abhängigkeit von der Außenwelt verändert. Das Gehirn regiert, und der Körper reagiert. Diesem Prinzip der "Top-down"-Organisation von Nervennetzwerken steht das Prinzip des "Bottom-up" gegenüber, bei dem Informationen zunächst von den Sinnesorganen registriert, und dann - meist über mehrere Verarbeitungsschritte - nach "oben" gemeldet werden. Letzteres ist etwa der Fall, wenn auf einem Acker eine leuchtend rote Mohnblume unsere Aufmerksamkeit erregt. Dies geschieht, ohne dass wir geplant hätten, diese Blume zu betrachten, und ohne, dass wir gezielt nach ihr gesucht hätten. Bottom-up-Prozesse können neben Farbkontrasten auch Bewegungen, überraschende Berührungen oder außergewöhnliche Geräusche erkennen. Man vermutet, dass sie sich bei vielen Tieren herausgebildet haben, um Fressfeinde schnell zu erkennen und ihnen zu entkommen.
Lesen Sie auch: Neuroradiologische Bildgebung der Nerven
Die Kartierung des Gehirns
Weltweit arbeiten Wissenschaftler*innen daran, einen Schaltplan des Gehirns anzufertigen. Als Korbinian Brodmann Ende des 19. Jahrhunderts die erste Karte des Gehirns erstellte, ging es ihm noch darum, einzelnen Hirnarealen Funktionen zuzuschreiben. Heute denken Forscher eher in Netzwerken. Forscher wie Olaf Sporns erkannten, dass die Funktion von Nervenzellen auch durch ihre Verbindungen realisiert wird. Es gibt grobe Karten des Gehirns, die die langen Nervenfasern der weißen Substanz nachzeichnen. Wesentlich kniffliger ist es, eine detaillierte Karte der Denkzentrale zu erstellen, die auch die einzelnen Nervenzellen mitsamt ihren kleineren Fortsätzen und Synapsen verzeichnet.
Das Konnektom-Projekt
Der Begriff „Konnektom“ wurde erstmals 2005 von Forschern um den Neurowissenschaftler Olaf Sporns von der Indiana University in einem Aufsatz geprägt. Sie betonten zwar die Fortschritte durch bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomografie, die vor allem von der Frage angetrieben wird, wo im Gehirn bestimmte geistige oder motorische Leistungen realisiert sind. Allerdings ließen sich die Ergebnisse der Bildgebung bislang nur sehr begrenzt interpretieren, so Sporns. Es fehle schlicht an Informationen über die Struktur und Dynamik der Netzwerke, die die beobachteten Aktivierungsmuster erzeugen. Das Mantra der Konnektom-Verfechter bringt Sebastian Seung in seinem Buch auf den Punkt: „Die Funktion eines Neurons ist hauptsächlich definiert durch seine Konnektivität mit anderen Neuronen.“
Herausforderungen der Kartierung
Weitaus kniffliger wird es allerdings, eine detaillierte Karte der Denkzentrale zu erstellen, die auch die einzelnen Nervenzellen mitsamt ihren kleineren Fortsätzen und Synapsen verzeichnet. Hier müssen sich Forscher bisher mit Modellorganismen wie der Maus begnügen, die „nur“ etwa 100 Millionen Nervenzellen besitzt. Wie mühsam die Kartierung dennoch ist, weiß Moritz Helmstaedter aus eigener Erfahrung nur zu gut. Gemeinsam mit Kollegen ist es dem Direktor des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt bereits vor einigen Jahren gelungen, ein winziges Stückchen der Netzhaut einer Maus zu rekonstruieren. Der Netzhautwürfel von der Größe eines Sandkorns hatte gerade einmal einen Zehntel Millimeter Kantenlänge, Dennoch enthielt er fast 1.000 Nervenzellen mit rund einer halben Million Verbindungen.
Bedeutung des Konnektoms
Der Sprung von einem winzigen Stück Hirnrinde der Maus hin zum gesamten menschlichen Gehirn wird gewaltig sein und die Rekonstruktion vermutlich viele Jahrzehnte harter Arbeit in Anspruch nehmen. Doch schon heute kann man eine Antwort auf Sebastian Seungs Frage geben, ob wir unser Konnektom sind: Das Konnektom bestimmt einen wesentlichen Teil unserer Identität. Wie Untersuchungen in den vergangenen Jahren ergaben, sind Aufbau und Dichte des Geflechts in unserem Kopf entscheidend für zahlreiche Leistungen des Gehirns - von der Motorik über kognitive Fähigkeiten wie Lesen und Rechnen bis hin zu Kreativität und Intelligenz.
Das Gehirn als soziale Organ
Das Gehirn ist von früh an ein soziales Organ. Die Evolutionsbiologen sagen: wahrscheinlich hat sich das Gehirn von Homo sapiens sapiens auch deshalb so gut entwickelt, weil der Mensch in immer größeren Gruppen zusammenlebte. Nun hieß es: koordiniert handeln, das Verhalten anderer Menschen verstehen, deren Absichten lesen, Täuschungen erkennen, eigene Ziele durchsetzen, die Folgen seiner Taten bedenken. Große Anforderungen für ein Gehirn, das sich dadurch immer weiter optimierte.
Das Gehirn in der modernen Welt
Der Preis des hochentwickelten Gehirns: es beginnt, die soziale Welt immer komplexer zu organisieren. Institutionen wachsen, die kommunikative Vernetzung nimmt zu. Die Folgen: Arbeitsteilung, Arbeitsverdichtung, Arbeitsdruck. Auf den zweiten Blick scheint das Gehirn der Welt, die es mitgestaltet hat, nicht mehr so perfekt gewachsen zu sein. Der Kosmos der Handlungen bläht sich immer mehr auf. Arbeite an so vielen Aufgaben gleichzeitig wir nur möglich. Eine Stressbelastung ist mit Multitasking immer verbunden.
Synchronisation neuronaler Aktivität
Wolf Singer ist Direktor am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main. Als Grundlagenforscher untersucht er die Mechanismen, mit denen das Gehirn in der komplizierten Welt Ordnung schafft. Das Gehirn arbeitet parallel an sehr vielen verschiedenen Aspekten der Wahrnehmungswelt gleichzeitig. Und das alles muss irgendwo zusammengebunden werden. Nachdem es im Gehirn kein Zentrum gibt, wo alle Information zusammen laufen kann, sondern alles parallel bleibt bis hinaus in die ausführenden Organe, erfolgt diese Bindung, wie wir jetzt mit großer Wahrscheinlichkeit annehmen dürfen, über die Synchronisation dieser verteilten Aktivitäten.
Automatisierung und Konzentration
Das Gehirn bewältigt die Welt, indem es erfolgreiche Handlungsmuster abspeichert und automatisch abspult. So werden die Ressourcen geschont. Die Energie, die das Gehirn spart, indem es automatisch Routineprogramme abarbeitet, soll anderweitig genutzt werden. Sie wird in geistige Arbeit gesteckt, etwa wenn neue Ideen gesucht oder Strategien entwickelt werden müssen. Oder wenn aufmerksam eine Aufgabe zu erledigen ist, bei der keine Fehler vorkommen dürfen.
Aktuelle Forschung und Auszeichnungen
Die Deutsche Gesellschaft für Klinische Neurophysiologie und Funktionelle Bildgebung (DGKN) e. V. ehrt herausragende Wissenschaftler*innen. Auf dem Kongress für Klinische Neurowissenschaften 2025 erhielt Barbara Hollunder den Nachwuchsförderpreis Funktionelle Bildgebung für ihre Studie, die Hirnschaltkreise identifiziert, deren Stimulation zu maximalen Behandlungserfolgen bei Parkinson, Dystonie, Zwangsstörung und Tourette-Syndrom führt. Prof. Cornelius Weiller wurde für sein Lebenswerk in der Neurophysiologie mit der DGKN-Verdienstmedaille geehrt. Prof. Ulrich Brandl wurde Ehrenmitglied und Prof. Julia Jacobs-Levan wurde Korrespondierendes Mitglied der DGKN für ihre Beiträge auf dem Gebiet der fortgeschrittenen EEG-Analyse bei Kindern mit Anfällen oder Epilepsie-Risiko.
tags: #hirnforschung #sehen #nerven #verbindung #aubenwelt