Die Anatomie und Funktion des Gehirns: Ein umfassender Überblick

Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das als natürliche Steuereinheit des Körpers fungiert. Mit seinen rund 86 Milliarden Neuronen (Nervenzellen) und einer fast gleichen Anzahl an Gliazellen (Neuroglia) ist es die komplizierteste anatomische Struktur, die wir kennen. Dieses Organ ist nicht statisch, sondern verändert sich im Laufe des Lebens und ermöglicht es uns, aktiv zu bleiben und unsere Lernfähigkeit bis ins hohe Alter zu erhalten.

Das Gehirn als Steuerzentrale

Das Gehirn kann man sich als eine Art Steuerzentrale vorstellen, deren Hauptaufgabe es ist, lebenswichtige Vorgänge wie Atmung, Überleben, Wahrnehmung und den Schlaf-Wach-Rhythmus zu regulieren. Es ist sehr stoffwechselaktiv und benötigt daher eine hohe Zufuhr von Blutzucker und Sauerstoff.

Anatomie des Gehirns

Das Gehirn befindet sich im Schädel und besteht aus einer rechten und einer linken Hälfte, die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Dieser Balken dient dem Austausch von Informationen zwischen den beiden Gehirnhälften. Zum Schutz des Gehirns dienen die Schädelknochen und die drei Schichten der Hirnhaut (Dura mater, Arachnoidea und Pia mater). Die Dura mater ist die äußere Schicht und schützt das Gehirn vor äußeren Verletzungen.

Das Gehirn lässt sich grob in fünf Hauptbereiche unterteilen:

• Großhirn (Cerebrum oder Telencephalon)
• Kleinhirn (Cerebellum)
• Zwischenhirn (Diencephalon)
• Hirnstamm (Truncus cerebri)
• Mittelhirn (Mesencephalon)

Großhirn (Cerebrum)

Das Großhirn, auch Telencephalon genannt, macht etwa 80 Prozent der gesamten Hirnmasse aus und bildet den vordersten Bereich des Gehirns. Es besteht aus der Großhirnrinde (Kortex), die mit ihren Furchen und Windungen einer Walnuss ähnelt, und der weißen Substanz (Substantia alba), die den inneren Teil des Großhirns bildet. Die Großhirnrinde ist zwei bis fünf Millimeter dick und besteht aus Nervenzellen und Gliazellen. Die Nervenzellen haben Fortsätze (Axone), die die weiße Substanz bilden und die lokale und überregionale Vernetzung der Gehirnzellen ermöglichen.

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Jede Gehirnhälfte des Großhirns ist in vier Bereiche unterteilt:

• Frontallappen (Stirnlappen): Kontrolliert Bewegungen und führt kognitive Prozesse aus. Hier sind die Funktionen von Intelligenz, Sprache (motorisches Sprachzentrum) und Persönlichkeitsmerkmale sowie die Bewegungssteuerung zu finden.
• Parietallappen (Scheitellappen): Ist ein primär sensorisches Rindenfeld und für somatosensorische Funktionen zuständig. Er empfängt und verarbeitet Informationen über Temperatur, Geschmack, Berührung und Bewegung, die vom Rest des Körpers kommen.
• Temporallappen (Schläfenlappen): Enthält 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. Zellen des Schläfenlappens sind wichtig für das Gedächtnis, für Gefühle und Emotionen. Der Schläfenlappen beherbergt zudem die Hörrinde und das Sprachverständnis.
• Okzipitallappen (Hinterhauptlappen): Ist der hinterste und kleinste der vier Hirnlappen und zuständig für die Verarbeitung visueller Informationen.

Kleinhirn (Cerebellum)

Das Kleinhirn, auch Cerebellum genannt, befindet sich im unteren hinteren Bereich des Schädels. Obwohl es im Vergleich zum Großhirn kleiner ist, enthält es mit rund 70 Milliarden die meisten Nervenzellen. Wie das Großhirn hat auch das Kleinhirn eine Hirnrinde und ist in eine rechte und eine linke Hälfte geteilt. Seine Hauptaufgabe besteht darin, Bewegungsabläufe zu steuern und zu koordinieren. Es analysiert jede Körperbewegung blitzschnell und sorgt für Gleichgewicht und die Aufrechterhaltung der Körperhaltung. Das Kleinhirn stimmt Bewegungen aufeinander ab und speichert Abläufe, sodass nach einiger Übung bestimmte Bewegungen automatisch erfolgen. Es gibt keine Bewegungsimpulse, vielmehr stimmt es Bewegungen fein ab, erhält die Muskelspannung und das Gleichgewicht.

Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn enthält den Thalamus, den Hypothalamus und die Zirbeldrüse. Es filtert eingehende Informationen, bevor es sie an das Großhirn weiterleitet.

• Thalamus: Beinhaltet graue Substanz und ist für die Sammlung von Sinneswahrnehmungen zuständig, die er an den Parietallappen des Großhirns weiterleitet. 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.
• Hypothalamus: Steuert den Hormonhaushalt und agiert 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. Der Hypothalamus reguliert 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.
• Zirbeldrüse (Epiphyse): Produziert das Hormon Melatonin, das den Schlaf-Wach-Rhythmus reguliert.

Hirnstamm (Truncus cerebri)

Der Hirnstamm dient als Verbindung zwischen Rückenmark und Großhirn. Er besteht aus dem Mittelhirn (Mesencephalon), der Brücke (Pons) und dem verlängerten Mark (Medulla oblongata). 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. Im Nachhirn kreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften. Der Hirnstamm schaltet Informationen vom Gehirn zum Kleinhirn und dem Rückenmark um und kontrolliert Bewegungen der Augen sowie die Mimik.

Mittelhirn (Mesencephalon)

Das Mittelhirn ist der kleinste Abschnitt des Gehirns und spielt eine Rolle bei der Steuerung von Augenbewegungen, der Verarbeitung akustischer und visueller Reize sowie der motorischen Kontrolle.

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Funktionsweise des Gehirns

Das Gehirn funktioniert wie ein großer Computer. Es verarbeitet Sinneseindrücke und Informationen des Körpers und schickt Botschaften in alle Bereiche des Körpers zurück. 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.

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.

Neuronale Plastizität und Lernen

Eine der wichtigsten Eigenschaften des Gehirns ist seine Lernfähigkeit. Bis vor wenigen Jahren galt es als ausgemacht, dass sich das Gehirn eines Erwachsenen nicht mehr verändert. Heute wissen wir jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird. Manche Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann.

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. 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.

Ohne die Plastizität würde dem Gehirn folglich etwas Fundamentales fehlen: seine Lernfähigkeit. Mit dem Lernen verhält es sich wie mit dem Sport: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie erledigt.

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Blutversorgung und Blut-Hirn-Schranke

Das Gehirn muss ständig mit genügend Sauerstoff, Glukose und weiteren Nährstoffen versorgt werden. Deshalb ist es besonders gut durchblutet. Die Blutversorgung erfolgt über die rechte und linke innere Halsschlagader (Arteria carotis interna) und über die Arteria vertebralis. Durch weitere Arterien werden diese zu einem Gefäßring (Circulus arteriosus cerebri) geschlossen, der die Basis des Zwischenhirns umfasst.

Die feinsten Aufzweigungen (Kapillaren) der Hirnarterien geben zwar Sauerstoff und Nährstoffe aus dem Blut an die Gehirnzellen ab - für andere Stoffe sind sie jedoch weniger durchlässig als vergleichbare Blutgefäße im übrigen Körper. Fachleute nennen diese Eigenschaft „Blut-Hirn-Schranke“. Sie kann das empfindliche Gehirn zum Beispiel vor im Blut gelösten Schadstoffen schützen.

Funktionelle Karte des Gehirns

Mit dem heutigen Wissen lässt sich eine sogenannte funktionelle Karte des Gehirns erstellen. So weiß man, dass im Stirnhirn die Funktionen von Intelligenz, Sprache (motorisches Sprachzentrum), die Persönlichkeitsmerkmale sowie die Bewegungssteuerung zu finden sind. Zellen des Schläfenlappens sind wichtig für das Gedächtnis, für Gefühle und Emotionen. Der Schläfenlappen beherbergt zudem die Hörrinde und das Sprachverständnis. Im Hirnstamm befinden sich Nervenbahnen, die das Gehirn mit dem Rückenmark verbinden. Weiterhin liegt dort das Atemzentrum. Es regelt die Atmung, das Herz-Kreislauf-System und den Blutdruck. Die Hirnanhangsdrüse (Hypophyse) schüttet Hormone oder Vorstufen von Hormonen in die Blutbahn aus. Das Kleinhirn hält Bewegungsprogramme bereit und stimmt Bewegungsabläufe ab.

Da sich die meisten Hirnleistungen einer bestimmten anatomischen Hirnregion zuordnen lassen, weisen bestimmte Ausfälle - etwa Bewegungsstörungen, Sprachstörungen oder Sehstörungen - bereits auf krankhafte Veränderungen eines bestimmten Hirnareals hin.

Erkrankungen des Gehirns

Das Gehirn, der Supercomputer, ist zwar durch die Schädelknochen geschützt, aufgrund seiner Empfindlichkeit jedoch auch sehr anfällig für Erkrankungen.

• Schlaganfall: 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.
• Gehirnerschütterung: Die leichteste Form der Gehirnerkrankung.
• 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.
• Demenz: Eine Verminderung der kognitiven Leistungen zur Folge hat und durch Veränderungen im Gehirn entsteht. Am weitesten verbreitet ist im Schnitt der Morbus Alzheimer.
• Gehirntumore: Können in jedem Alter auftreten. Ihre Vielfalt ist sehr groß, sie können gut- ebenso wie bösartig sein.

Das Gehirn im Wandel der Forschung

Die Erforschung des Gehirns ist ein dynamisches Feld, das ständig neue Erkenntnisse liefert. Wissenschaftler nutzen verschiedene Techniken wie die Magnetresonanztomografie (MRT) und die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT), um die Struktur und Funktion des Gehirns besser zu verstehen. Sie untersuchen, wie verschiedene Gehirnregionen miteinander verbunden sind und wie diese Verbindungen unsere Fähigkeiten und unser Verhalten beeinflussen.

Ein wichtiger Forschungsbereich ist die Aufklärung des Konnektoms, also der vollständigen Karte aller neuronalen Verbindungen im Gehirn. Wissenschaftler nutzen Modellorganismen wie Mäuse, Zebrafische und sogar Wirbellose, um die Prinzipien der Informationsverarbeitung im Gehirn zu entschlüsseln.

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