Wie funktioniert das Gehirn? Eine umfassende Erkundung

Das menschliche Gehirn ist das komplexeste Organ, das die Natur je hervorgebracht hat. Mit seinen etwa 100 Milliarden Nervenzellen und einem Vielfachen an Kontaktpunkten übertrifft es selbst die leistungsfähigsten Supercomputer in seinen Fähigkeiten. Es steuert unser Denken, Verhalten, Empfinden und alle lebenswichtigen Abläufe im Körper. Doch wie funktioniert diese faszinierende Schaltzentrale genau?

Die Grundlagen des Gehirns

Das Gehirn wiegt durchschnittlich 1,5 Kilogramm und macht nur etwa zwei bis drei Prozent der Gesamtmasse unseres Körpers aus, verbraucht aber 20 % seiner Energie. Es besteht aus Milliarden von Neuronen und Gliazellen. Neuronen sind spezialisierte Zellen, die Signale in Form von elektrischen Impulsen empfangen, verarbeiten und weiterleiten, während Gliazellen das Gehirn und das Rückenmark umgeben und unterstützen.

Gehirnregionen und ihre Funktionen

Das menschliche Gehirn lässt sich in verschiedene Bereiche untergliedern, die jeweils auf bestimmte Aufgaben spezialisiert sind. Entwicklungsgeschichtlich besteht es aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet.

• Großhirn (Cerebrum): Der größte Teil des Gehirns, der etwa 85 % des Gesamtvolumens ausmacht. Es besteht aus zwei Hälften, den sogenannten Hemisphären, die durch eine tiefe Fissur getrennt sind. Jede Hemisphäre besteht aus vier Lappen: dem Frontallappen (Stirnlappen), dem Parietallappen (Scheitellappen), dem Temporallappen (Schläfenlappen) und dem Okzipitallappen (Hinterhauptlappen). Es ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen. Die Großhirnrinde (Kortex) bedeckt die gesamte Oberfläche des Großhirns, ist etwa 1,5 bis 4,5 Millimeter dick und enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns. Hier gehen wichtige Sinneseindrücke ein. Sie werden sortiert, bewusst gemacht, gespeichert und sinnvoll miteinander verknüpft. Dadurch ist es dem Menschen möglich, zielgerichtet zu handeln. In der Großhirn-Rinde sitzen auch die Wahrnehmung und der Wille. Auch wesentliche Teile unseres Gedächtnisses liegen in der Großhirn-Rinde. Denken und Erinnern sind hier verankert, willentliche Bewegungen werden gesteuert. Die Großhirn-Rinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirn-Lappen, gegliedert. Sie werden entsprechend ihrer Lage Stirn-Lappen, Schläfen-Lappen, Scheitel-Lappen und Hinterkopf-Lappen genannt. In ihnen haben Nervenzellen mit ganz bestimmten Aufgaben ihren Sitz. Man kann heute schon sehr genau sagen, wo sich einzelne Funktionen befinden, z. B.
• Kleinhirn (Cerebellum): Das Kleinhirn befindet sich unterhalb des Großhirns und ist für die Koordination von Bewegungen und die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zuständig. Es steuert bereits gelernte Bewegungsabläufe. Hier werden bestimmte Bewegungsabfolgen wie Tanzschritte oder das Schalten beim Autofahren gespeichert. Neue Studien zeigen, dass es außerdem an Lernprozessen und weiteren kognitiven Prozessen beteiligt ist.
• Zwischenhirn (Diencephalon): Das Zwischenhirn liegt zwischen dem Großhirn und dem Hirnstamm. Seine größte Struktur, der Thalamus, filtert eingehende Signale von unseren Sinnesorganen und leitet sie dann an das Großhirn weiter. Der kleinere Hypothalamus liegt darunter und steuert durch Hormone primitive Funktionen wie unsere Körpertemperatur, Sexualverhalten, Hunger, Durst und Schlaf. Der Thalamus ist die wichtigste Schaltstation für Informationen aus den Sinnesorganen. Äußere Sinneseindrücke wie Sehen, Hören oder Tasten gehen hier ein. Hier werden sie verarbeitet und bewertet - jedoch, ohne dass sie uns bereits bewusst sind. Wichtige Informationen werden an das Großhirn weitergeleitet und dort bewusst gemacht. Der Thalamus ist also ein wichtiger Informationsfilter. Er sorgt dafür, dass das Großhirn und das Bewusstsein nicht von Signalen überflutet werden. Der Hypothalamus regelt zahlreiche automatische Vorgänge im Körper. Dazu gehören die Körpertemperatur, Wasser- und Salz-Haushalt oder auch die Magen-Darm-Funktion. Er ist auch am Entstehen des Durst-, Hunger- und Sättigungs-Gefühls beteiligt. Gemeinsam mit der Hirn-Anhang-Drüse (Hypophyse) reguliert der Hypothalamus wichtige Hormone im Körper. Im Zusammenspiel mit anderen Gehirn-Bereichen ist der Hypothalamus auch für Gefühle zuständig, wie z. B.
• Hirnstamm (Truncus cerebri): Der Hirnstamm befindet sich unterhalb des Zwischenhirns und ist der Übergangsbereich zwischen dem Gehirn und dem Rückenmark. Er umfasst eine Vielzahl von Kerngebieten, die für lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Herzfrequenz und Blutdruckregulation verantwortlich sind. Durch den Hirnstamm verlaufen wichtige Nerven-Bahnen. Sie sorgen dafür, dass eingehende Sinneseindrücke aus dem Körper an das Großhirn weitergeleitet werden. Umgekehrt leiten sie auch Informationen vom Großhirn zu den Nervenzellen des Rückenmarks. Diese sind z. B. Außerdem regelt der Hirnstamm lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck. Auch wichtige Körperreflexe haben hier ihren Sitz. Dazu gehören z. B.

Rechte und linke Hemisphäre

Das Gehirn lässt sich in eine rechte und eine linke Gehirnhälfte unterteilen. Diese beiden Hälften sind über einen dicken Strang Nervenfasern, dem Corpus callosum, verbunden und arbeiten zusammen. Jede Hemisphäre besteht dabei aus einer Großhirn-, einer Zwischenhirn- und einer Kleinhirnhälfte, die auf Funktionen spezialisiert sind, aber gleichzeitig kontinuierlich miteinander kommunizieren.

Das Großhirn beherbergt den motorischen Kortex, der Signale an die Muskeln sendet und Bewegungen steuert. Hierbei übernimmt jeweils eine Seite des Gehirns eine Hälfte des Körpers. Interessant ist, dass jeweils die entgegengesetzte Seite gesteuert wird. Das heißt, die rechte Gehirnhälfte steuert die linke Seite des Körpers. Diese Organisation führt bei einem Schlaganfall dazu, dass es bei einer Schädigung des rechten motorischen Kortex’ zu einer Lähmung in der linken Körperhälfte kommt.

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Das Nervensystem: Neuronen, Gliazellen und Synapsen

Das Nervensystem des menschlichen Körpers besteht aus Neuronen, Gliazellen und Synapsen. Neuronen sind spezialisierte Zellen, die Signale in Form von elektrischen Impulsen empfangen, verarbeiten und weiterleiten. Sie bestehen aus einem Zellkörper, Dendriten und einem Axon. Dendriten empfangen Signale von anderen Neuronen und leiten sie an den Zellkörper weiter. Das Axon sendet Signale an andere Neuronen oder an Muskeln oder Drüsen.

Gliazellen sind Zellen, die das Gehirn und das Rückenmark umgeben und unterstützen. Sie liefern den Neuronen Nährstoffe und Sauerstoff, entfernen Abfallprodukte und helfen, die Neuronen zu schützen. Gliazellen tragen auch dazu bei, dass sich Neuronen bei Verletzungen wieder regenerieren.

Synapsen sind die Verbindungen zwischen Neuronen. Sie ermöglichen es Neuronen, Signale zu senden und zu empfangen. Synapsen funktionieren durch die Freisetzung von Neurotransmittern aus dem “Senderneuron”, die an Rezeptoren auf einem “Empfängerneuron” binden. Dieser Prozess erzeugt ein elektrisches Signal im Empfängerneuron, das in seinem Zellkern mit den Signalen von anderen Synapsen integriert wird. Synapsen sind der Ort, an dem Informationen im Gehirn verarbeitet werden und Lernen und Gedächtnisbildung stattfinden.

Insgesamt arbeiten Neuronen und Gliazellen zusammen, um ein komplexes Netzwerk zu bilden, das die Grundlage für die Informationsverarbeitung im Gehirn bildet.

Lernen und Plastizität des Gehirns

Eine der wichtigsten Eigenschaften des Gehirns ist seine Lernfähigkeit. Bis vor wenigen Jahren galt unter Wissenschaftlern als ausgemacht: Das Gehirn eines Erwachsenen verändert sich nicht mehr. Heute weiß man jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird. Manche Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann. Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. Anders hätte der Mensch die vielfältigen Herausforderungen, denen er im Laufe eines Lebens begegnet, auch gar nicht bewältigen können. So können wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache und Yoga lernen, uns Gesicht und Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria.

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Die Plastizität des Gehirns ist eine faszinierende Eigenschaft, die es dem Gehirn ermöglicht, sich an neue Herausforderungen, Veränderungen und Erfahrungen anzupassen. Das Gehirn kann durch die Bildung neuer Verbindungen zwischen Neuronen und die Modifikation bestehender Verbindungen seine Funktionen verändern und verbessern. Dieser Prozess der Anpassungsfähigkeit findet während der gesamten Lebensspanne statt und wird durch Faktoren wie Lernen, Erfahrung, körperliche Aktivität und Umgebung beeinflusst.

Synaptische Plastizität

Lernen findet an den Synapsen statt - also den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet.

Die Übertragung von Signalen kann aber nicht nur verstärkt oder abgeschwächt werden, sie kann auch überhaupt erst ermöglicht oder völlig gekappt werden. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle. Stärkung und Schwächung, Auf- und Abbau - die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Etwas vereinfacht könnte man sich also vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert - und abgeschwächt wird, wenn es vergisst. Ohne die Plastizität würde dem Gehirn folglich etwas Fundamentales fehlen: seine Lernfähigkeit.

Auswirkungen von Training und Erfahrung

Mit dem Lernen verhält es sich wie mit dem Sport: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie erledigt. Wer beispielsweise Taxi fährt, muss sich gut orientieren und Routen merken können. Durch die tägliche Arbeit wird so das Ortsgedächtnis immer besser. Das hinterlässt auch Spuren im Gehirn, zum Beispiel im Gehirn Londoner Taxifahrer: Forscher haben herausgefunden, dass in ihrem Gehirn der Hippocampus - ein für das Ortsgedächtnis zentrale Region im Gehirn - über die Jahre größer wird. Offenbar braucht ein derart trainiertes Orientierungsvermögen auch mehr Raum!

Reparaturmechanismen des Gehirns

Seine Plastizität hilft dem Gehirn zudem, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben Forscher herausgefunden, dass das Gehirn so die Schäden nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann.

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Die Vernetzung des Gehirns

Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind, untersuchen Wissenschaftler mithilfe der sogenannten Magnetresonanztomografie (MRT). Mit dieser Technik können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden. Auf diese Weise haben Sprachforscher beispielsweise eine für das Sprachvermögen zentrale Gehirnregion entdeckt: den sogenannten Fasciculus Articuatus. Ohne dieses Nervenfaserbündel können Kleinkinder keine komplexen Sätze bilden und verstehen. Dies gelingt erst, wenn diese Verbindung genug entwickelt ist. Bei Menschenaffen hingegen sind diese Nervenfasern zeitlebens schwach ausgebildet. Folglich schaffen die Tiere es trotz jahrelangen Trainings nicht, selbst einfachste Sätze zu bilden - und das, obwohl andere erforderliche Hirnareale sowie anatomische Voraussetzungen zum Sprechen durchaus vorhanden sind.

Funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT)

Mit einer Variante dieser Technik, der sogenannten funktionellen Magnetresonanztomografie, können Wissenschaftler zwischen aktiven und nicht aktiven Gehirnregionen unterscheiden. Damit haben sie viel über den Aufbau und die Funktionsweise des Gehirns gelernt. So haben Max-Planck-Forscher aus Leipzig herausgefunden, warum bei Menschen, die stottern, ein Ungleichgewicht zwischen der Hirnaktivität von linker und rechter Großhirnhälfte auftritt: Innerhalb des überaktiven rechten Netzwerkes haben sie eine Faserbahn entdeckt, die bei den Betroffenen deutlich stärker ausgebildet ist, als bei Menschen ohne Sprechprobleme.

Das Konnektom

Einen exakten Schaltplan des Gehirns lässt sich jedoch mit der MRT-Technik nicht erstellen, dafür ist die Genauigkeit der Methode nicht hoch genug. Schließlich sitzen bis zu 10.000 Synapsen auf einer Nervenzelle, 100 Billionen sind es insgesamt. Dies zeigt, wie dicht das Kommunikationsnetz im Gehirn ist. In diesem Netz können einerseits benachbarte Nervenzellen miteinander verknüpft sein, andererseits auch Zellen, die weit voneinander entfernt sind. Die Wissenschaftler entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln können.

Als Modellfälle dienen ihnen dafür Mäuse: Zuletzt haben sie die Verschaltung von Bereichen der Netzhaut des Auges sowie der Großhirnrinde aufgeklärt und herausgefunden, dass Nervenzellen im sogenannten entorhinalen Kortex der Großhirnrinde wie ein Transistor organisiert sind: Bevor eine Nervenzelle eine andere Zelle aktivieren kann, kontaktiert sie eine hemmende Zelle und wird so in ihrer eigenen Aktivität behindert. Anhand solcher Schaltpläne wollen Wissenschaftler lernen, wie das Gehirn funktioniert. An Max-Planck-Instituten arbeiten sie bereits heute daran, die Prinzipien der Informationsverarbeitung aufzuklären.

Modellorganismen in der Hirnforschung

Derzeit konzentrieren sie sich auf einfacher aufgebaute Gehirne, die weniger Nervenzellen und -fasern besitzen als das Gehirn des Menschen. Mäuse sind ein solcher Modellfall für Neurowissenschaftler. Sie besitzen als Säugetiere ein ähnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch. Noch einfacher aufgebaut und leichter zu untersuchen ist das Gehirn von Zebrafischen und ihrer Larven. So besitzt das Gehirn einer Fischlarve nicht nur lediglich 100.000 Nervenzellen und damit eine Million Mal weniger als das des Menschen, es ist auch noch nahezu völlig transparent.

Auch Wirbellose können ein Modell für Neurowissenschaftler sein. Ihre Nervenzellen sind zwar sehr klein, dadurch kann ihre Aktivität nicht so leicht gemessen werden. Dafür lassen sich wegen der vergleichsweise einfacheren Architektur die Prinzipien von Verschaltungen zur Wahrnehmung und Verarbeitung von Umweltreizen analysieren. So können Forscher anhand des Gehirns von Fruchtfliegen lernen, wie der Geruch von Nahrung die Fortpflanzung beeinflusst. Durch die Analyse des Sehsystems von Schmeißfliegen wollen sie herausfinden, wie die Insekten Bewegungen so unglaublich schnell wahrnehmen können. Selbst ein so einfach aufgebauter Organismus wie der Fadenwurm C.

Störungen und Krankheiten des Gehirns

Das menschliche Gehirn ist ein empfindliches Organ, das anfällig für verschiedene Störungen und Krankheiten sein kann. Einige der häufigsten Störungen des Gehirns sind:

• Schlaganfall: Ein Schlaganfall tritt auf, wenn die Blutversorgung des Gehirns unterbrochen wird, was zu Schäden an den Gehirnzellen führen kann. Schlaganfälle können zu Lähmungen, Sprachproblemen und Gedächtnisverlust führen.
• Epilepsie: Epilepsie ist eine Störung des Gehirns, die zu wiederholten Anfällen führen kann. Während eines Anfalls können Betroffene Krämpfe, Bewusstseinsverlust und andere Symptome erleiden.
• Demenz: Demenz ist eine Erkrankung, die das … Demenz geht mit einer Schädigung des Gehirns einher, die weitreichende Folgen für das gesamte Denken und Handeln haben kann.

Das Gehirn fit halten

Viele Wissenschaftler bezweifeln, dass Gehirnjogging-Übungen die generelle Leistungsfähigkeit des Gehirns steigern. Sie gehen davon aus, dass sich der Trainingseffekt nur auf die unmittelbar trainierte Aufgabe auswirkt. Nichtsdestotrotz gibt es viele Möglichkeiten, das Gehirn fit zu halten und seine Leistungsfähigkeit zu verbessern. Dazu gehören:

• Regelmäßiges Lernen und neue Erfahrungen sammeln: Das Gehirn durch kognitive Aktivitäten oder körperliches Training herausfordern, kann die Neubildung von neuronalen Verbindungen und die Verbesserung kognitiver Fähigkeiten wie Gedächtnis, Aufmerksamkeit und Problemlösung fördern.
• Körperliche Aktivität: Körperliche Aktivität fördert die Durchblutung des Gehirns und kann die kognitiven Funktionen verbessern.
• Gesunde Ernährung: Eine ausgewogene Ernährung mit viel Obst, Gemüse und Vollkornprodukten versorgt das Gehirn mit wichtigen Nährstoffen.
• Ausreichend Schlaf: Schlaf ist wichtig für die Regeneration des Gehirns und die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten.
• Soziale Kontakte: Soziale Interaktion stimuliert das Gehirn und kann die kognitiven Funktionen verbessern.

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