Das menschliche Gehirn ist ein komplexes und für das menschliche Bewusstsein maßgebliches Organ. Klassisch wird es grob in die drei entwicklungsgeschichtlich aufeinander aufbauenden Hirnteile Stammhirn, Kleinhirn und Großhirn unterteilt.
Überblick über das Gehirn
Jeder Nicht-Anatom hat ein charakteristisches Bild des menschlichen Gehirns im Kopf: ein helmförmiges Gebilde, dessen Oberfläche von Windungen und Furchen durchzogen ist. Dieser äußerste Teil des Gehirns - gut geschützt vom Schädelknochen und der darunterliegenden Hirnhaut - ist der Cortex cerebri, die Großhirnrinde.
Das Gehirn besteht aus dem Großhirn, Zwischenhirn, Kleinhirn sowie dem Hirnstamm. Das Kleinhirn besteht aus zwei Hemisphären, welche das menschliche Gleichgewicht sowie die Koordination steuern. Der Hirnstamm bildet sich aus weißer Substanz, grauer Substanz, dem Mittelhirn, der Brücke und dem Nachhirn. Der Hirnstamm ist somit für grundlegende Steuermechanismen sowie alle diese Mechanismen betreffenden Reflexe zuständig. Das Zwischenhirn, welches aus Thalamus, Hypothalamus, Subthalamus und Epithalamus besteht, vermittelt Signale an das Großhirn. Besonders wichtig ist hierbei der Thalamus. Dieser beinhaltet graue Substanz und gliedert mithilfe dieser alle Informationen der Sinnesorgane.
Was ist graue Substanz?
Die Bereiche sogenannter grauer Substanz, auch als Substantia grisea bezeichnet, sind ein Teil des zentralen Nervensystems. Dieses besteht einmal aus dem Gehirn und aus den Nervenstrukturen, die in der Wirbelsäule im Rückenmarkskanal gelegen sind. Die als graue Substanz bezeichnete Struktur besteht überwiegend aus den Zellkörpern der Neuronen. Die Zellkörper werden auch Perikarya genannt. Die Anteile grauer Substanz, die die Hirnrinde, die auch als Cortex benannt ist, bilden, lassen sich histologisch von einer sogenannten weißen Substanz im Gehirn unterscheiden. Diese besteht aus den Fortsätzen der Nervenzellen, den Axonen, welche bei einer Präparation des Gehirnes in Formalin weißlich erscheinen. Die graue Substanz ist in Teilen 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 im zentralen Nervensystem befindliche graue Substanz enthält zum großen Teil die Nervenzellkörper, die man auch als Perikarya bezeichnet. Sie enthalten den Zellkern. Daneben sind anteilig auch kleine Blutgefäße, stützende Gliazellen und das Neuropilem enthalten. Die Zellkörper innerhalb der grauen Substanz nehmen Reize auf und verarbeiten sie. Alle Funktionen des Gehirns und des Zentralnervensystems werden von der grauen Substanz des Cortex gesteuert. Hierbei lassen sich Funktionen des Cortex nach den jeweiligen Hirnregionen unterscheiden. Der Parietallappen verarbeitet die an ihn vermittelten Berührungsreize, der Occipitallappen wird mit der Fähigkeit zu sehen assoziiert und der Temporallappen ist an der Fähigkeit zum Hören maßgeblich beteiligt. Im Kleinhirn, der Bestandteil wird auch als Cerebellum bezeichnet, regelt die graue Substanz des Cortex die Fähigkeit zu körperlicher Koordination und Gleichgewicht. Die im Zwischenhirn gelegenen Kernregionen aus grauer Substanz stellen Verbindungen zum Großhirn her. Schädigungen im Bereich der grauen Substanz im Gehirn führen oft zu Ausfallerscheinungen. Diese unterscheiden sich nach dem jeweiligen Ort der Schädigung im Gehirn. Es kann zu Wegfall der Sinnesfunktionen, trotz intakter Sinnesorgane, führen. Die Abnahme der grauen Substanz der Hirnrinde kann altersbedingt, aber auch eine Folge degenerativer Erkrankungen im Gehirn sein. Zu den typischen Symptomen dabei gehören eine Minderung der Gedächtnisleistungen, des Denkens, der Konzentration und der Orientierung.
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Die Bezeichnung der grauen Substanz
Der Begriff graue Substanz kommt von der äußeren Farbe der Nervenfasern. Diese weisen eine graue bis rötliche Farbgebung auf. Im Inneren der grauen Substanz ist diese jedoch nicht als grau zu definieren, sondern als rosa. Als lateinischer Begriff wird die graue Substanz „Substantia grisea“ genannt.
Der Hauptbestandteil der grauen Substanz
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.
Unterschied zwischen grauer und weißer Substanz
Die graue Substanz besteht aus einer Vielzahl an Zellkörpern und besitzt wenige myelinisierte Axone. Ein Axon ist eine Ausstülpung von Zellplasma, welche mit einer Plasmamembran umhüllt ist. Deren Aufgabe ist es, Nervenimpulse vom Körper weg zu leiten. Myelinisierte Axone haben im Gegensatz zu nicht myelinisierten Axonen eine Markscheide. Die Markscheide hat eine mehrschichtige Struktur und umschließt damit die im Zentrum sitzende Nervenfaser des Axons. Myelinisierte Axone sind der Hauptbestandteil von weißer Substanz, Zellkörper kommen in ihr jedoch selten vor.
Wo liegt die graue Substanz im Gehirn?
Die graue Substanz liegt auf der Oberfläche des Gehirnes. Sie umgibt so das Großhirn wie das Kleinhirn mit einer sogenannten Rinde, dem Cortex. Es gibt aber auch zentral im Gehirn gelegene Areale grauer Substanz. Diese abgegrenzten sogenannten Kerngebiete sind eigenständig funktionale Regionen wie die Hirnnervenkerne und die Kleinhirnkerne. Weitere Regionen, die aus der sogenannten grauen Substanz gebildet bzw. von ihr umgeben sind, stellen die Basalganglien, Necleus ruber, Formatio reticularis und die sogenannte Substantia nigra dar.
Hirnstamm
Im unteren Schädelbereich befindet sich die Hirnbasis, die - entsprechend der knöchernen Schädelbasis - stärker modelliert ist. Hier liegt der Hirnstamm. Der Hirnstamm ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und besteht aus Mittelhirn, Medulla oblongata und Brücke (Pons).
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Mittelhirn (Mesencephalon)
Das Mesencephalon ist der kleinste Abschnitt des Gehirns.
Medulla oblongata (Myelencephalon)
Das auch als Nachhirn bezeichnete Meyelencephalon stellt den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark dar.
Funktion des Hirnstamms
Die Gehirn-Funktionsbereiche sind vielfältig. Der Hirnstamm, der entwicklungsgeschichtlich älteste Teil des Gehirns, ist für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig. Er steuert die Herzfrequenz, den Blutdruck und die Atmung sowie Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- oder Hustenreflex.
Großhirn (Telencephalon)
Das Großhirn ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Das Großhirn besteht aus zwei Hälften, welche als Hemisphären bezeichnet werden. Der Corpus callosum, auch Balken genannt, verbinde diese Hemisphären miteinander. Das Großhirn besteht überwiegend aus Gehirnmasse. Das Innere des Großhirns besteht aus dem Großhirnmark mit dessen Basalganglien sowie Nervenfasern. Auch der Cortex, welchen man als graue Substanz bezeichnet, befindet sich im Großhirn. Dieser ist eine dünne Schicht, welche zwischen zwei bis fünf Millimeter dick ist. Alleine die Großhirnrinde nimmt in etwa die Hälfte des Hirnvolumens ein. Diese lässt sich in vier Lappen unterteilen. Hierbei übernimmt der Frontallappen die Aufgaben der Steuerung motorischer Vorgänge. Zudem ist er aber auch an der Steuerung von Antrieb, Motivation und weiterer psychischer Leistungen beteiligt. Parietal-, Temporal- und Occipitallappen dienen hauptsächlich der Verarbeitung von Signalen der Sinnesorgane. Die Sensibilität sowie alle Berührungsreize werden jedoch vom Parietallappen gesteuert. Die optischen Reize werden im Occipitallappen interpretiert. Der Temporallappen verarbeitet alle eingehenden akustischen Informationen. Die Großhirnrinde lässt sich in sechs Schichten definieren, welche über die Art und Verteilung der enthaltenden Nervenzellen definiert werden. Diese sechs Schichten tragen den Namen graue Substanz.
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. 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.
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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.
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.
Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus. Im Thalamus werden Sinneseindrücke verarbeitet; über den Hypothalamus werden der Schlaf-Wach-Rhythmus, Hunger und Durst, das Schmerz- und Temperaturempfinden und der Sexualtrieb gesteuert.
Thalamus
Der Thalamus ist ein wichtiger Teil des Zwischenhirns, der als „Tor zum Bewusstsein“ gilt.
Hypothalamus
Der Hypothalamus ist ein wichtiger Teil des Zwischenhirns, der vielfältige Aufgaben hat.
Hypophyse
Die Hypophyse ist mit dem Hypothalamus über einen Stiel verbunden.
Kleinhirn (Cerebellum)
Oberhalb des Hirnstamms und unterhalb der beiden Großhirnhemisphären sitzt das Kleinhirn. Das Kleinhirn koordiniert unsere Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen.
Das Rückenmark
Das Rückenmark und das Gehirn gehören zum zentralen Nervensystem. Dies ist ein ca. 1,5 cm dicker Strang, welcher aus Faserbündeln und Nervenzellen besteht. Er verläuft im Wirbelkanal, welcher zwischen diversen Wirbeln der Wirbelsäule verläuft. Diese verläuft vom Hals bis zum Steißbein. Das Rückenmarkgewebe sowie das Gewebe des Gehirns sind beide höchst empfindlich. Durch den Wirbelkanal und die Rückenmarkshäute wird dafür gesorgt, dass das Gehirn sowie das Rückenmark angemessen geschützt sind. Auch die Flüssigkeit, der sogenannte Liquor, wirkt schützend, da das Gehirn und das Rückenmark vollständig in dieser Flüssigkeit liegen. Das Rückenmark hat verschiedene Funktionen. Hier treffen alle Nervenbahnen zusammen. Diese führen über Nervensignale Informationsaustausch zwischen Gehirn und Skelettmuskulatur, Sinnesorganen und inneren Organen durch.
Die graue Substanz im Rückenmark
Im Inneren des Rückenmarks bildet die graue Substanz ein Gebilde, welches im Querschnitt entweder einer schmetterlingsähnlichen Figur ähnelt oder aber eine h-förmige Struktur aufweist. Hierbei entsteht eine Hinter- sowie Vordersäule. Die Vordersäule beinhaltet Nervenzellen, welche die Motorik steuern. Die Motorik ist für die Steuerung der Skelettmuskulatur zuständig. Die Hintersäule ist für die Sensibilität der Nervenzelle verantwortlich. Deshalb bezeichnet man die Vordersäule als motorische Vorderwurzel und die Hintersäule sensible Hinterwurzel. Die Vereinigung von motorischen Vorderwurzeln und sensiblen Hinterwurzeln wird als Spinalnerv bezeichnet. Der Teil zwischen beiden Säulen nennt sich Pars intermedia. Er ist für verschiedene Verarbeitungsvorgänge zuständig.
Weitere wichtige Bestandteile des Gehirns
Limbisches System
Das Limbische System regelt das Affekt- und Triebverhalten und dessen Verknüpfungen mit vegetativen Organfunktionen.
Amygdala
Die Amygdala (Mandelkern) ist ein wichtiger Teilbereich innerhalb des limbischen Systems.
Hippocampus
Der Hippocampus ist der Arbeitsspeicher unseres Gehirns und die Schaltstelle zwischen dem Kurz- und dem Langzeitgedächtnis.
Gedächtnis
Eine sehr wichtige Funktion des Gehirns ist das Gedächtnis - vom Ultrakurzzeit- über das Kurzzeit- bis zum Langzeitgedächtnis.
Hirnhäute
Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater, Arachnoidea und Pia mater.
Ventrikelsystem
Das Gehirn weist mehrere Hohlräume (Hirnkammern) auf, in denen der Liquor zirkuliert und die zusammen das Ventrikelsystem bilden.
Liquor
Der Liquor ist die Flüssigkeit, welche das Gehirn und auch das Rückenmark schützend umgibt.
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.
Basalganglien
Die Basalganglien sind eine Gruppe Großhirn- und Zwischenhirnkerne aus grauer Substanz.
Energieverbrauch des Gehirns
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.
Blutversorgung des Gehirns
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.