Das menschliche Gehirn: Modell, Aufbau und Funktion

Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das als die Steuerzentrale des Körpers fungiert. Es verarbeitet Sinneseindrücke, steuert Bewegungen, ermöglicht Denken und Fühlen und ist somit die Grundlage unserer Intelligenz und Persönlichkeit. Aufgrund seiner Komplexität ist es hilfreich, sich mit dem Aufbau und der Funktionsweise des Gehirns auseinanderzusetzen, um seine vielfältigen Aufgaben besser zu verstehen. Anatomische Modelle des Gehirns können hierbei eine wertvolle Unterstützung bieten.

Allgemeiner Aufbau und Eigenschaften des Gehirns

Das Gehirn ähnelt in seiner Arbeitsweise einem großen Computer. Es empfängt Informationen aus dem Körper und der Umwelt, verarbeitet diese und sendet entsprechende Signale zurück. Doch das Gehirn ist weit mehr als eine Maschine. Hier liegen die Wurzeln unserer Intelligenz, unserer Gefühle und unseres Bewusstseins.

Unser Denkorgan ist etwa so groß wie zwei geballte Fäuste und wiegt ungefähr 1,5 Kilogramm. Äußerlich erinnert das Gehirn durch seine Windungen und Spalten an eine überdimensionale Walnuss. Es besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die durch etwa 100 Billionen Verknüpfungen miteinander verbunden sind. Diese Nervenzellen sind in ein stützendes Gewebe aus Gliazellen eingebettet.

Das Gehirnvolumen beträgt beim Menschen etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse, und sein Gewicht macht mit 1,5 bis zwei Kilogramm ungefähr drei Prozent des Körpergewichts aus.

Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater, Arachnoidea und Pia mater. Diese Schutzhüllen setzen sich außerhalb des Gehirns in den Rückenmarkshäuten fort.

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Die Hauptbestandteile des Gehirns

Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Hauptabschnitte gliedern:

1. Großhirn (Telencephalon): Der größte und schwerste Teil des Gehirns, verantwortlich für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Sprache, Gedächtnis und bewusste Handlungen.
2. Zwischenhirn (Diencephalon): Enthält wichtige Strukturen wie Thalamus und Hypothalamus, die für die Verarbeitung von Sinnesinformationen, die Regulation des Hormonhaushalts und die Steuerung lebenswichtiger Funktionen zuständig sind.
3. Mittelhirn (Mesencephalon): Ein kleiner Abschnitt des Gehirns, der eine wichtige Rolle bei der Steuerung von Augenbewegungen, Reflexen und der Weiterleitung von Informationen zwischen Großhirn und Hirnstamm spielt.
4. Kleinhirn (Cerebellum): Koordiniert Bewegungen, hält das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungsabläufe.
5. Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata): Bildet den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark und ist für die Steuerung lebenswichtiger Funktionen wie Atmung, Herzschlag und Blutdruck verantwortlich.

Großhirn (Telencephalon)

Das Großhirn besteht aus zwei Hälften, der rechten und der linken Hemisphäre. Diese sind durch ein dickes Bündel aus Nervenfasern verbunden, dem Balken (Corpus callosum). Jede Gehirnhälfte ist in sechs Bereiche (Lappen) unterteilt, die unterschiedliche Funktionen haben:

• Frontallappen (Stirnlappen): Verantwortlich für die Kontrolle der Feinmotorik, Gemütszustand, Zukunftsplanung, Ziel- und Prioritätensetzung.
• Parietallappen (Scheitellappen): Empfängt und verarbeitet Informationen über Temperatur, Geschmack, Berührung und Bewegung, die vom Rest des Körpers kommen.
• Temporallappen (Schläfenlappen): zuständig für Hören, Gedächtnis,Sprache.
• Okzipitallappen (Hinterhauptslappen): zuständig für Verarbeitung visueller Informationen
• Insellappen: Viele verschiedene Funktionen, z.B.
  • Geschmacksempfinden
  • Schmerzempfindung
  • Empathie
  • Kognitive Funktionen

Die beiden Gehirnhälften haben zum Teil unterschiedliche Funktionen: Während die linke Hälfte bei den meisten Menschen auf Sprache und abstraktes Denken spezialisiert ist, kommt die rechte in der Regel dann zum Einsatz, wenn es um räumliches Denken oder bildhafte Zusammenhänge geht. Die rechte Gehirnhälfte steuert die linke Körperseite, die linke Hälfte ist für die rechte Seite zuständig.

Im Großhirn ist die Hirnrinde der linken Gehirnhälfte für die Sprache verantwortlich, während die Hirnrinde der rechten Gehirnhälfte dem Gehirn die räumliche Stellung des Körpers vermittelt.

Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus.

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• Thalamus: Der Thalamus teilt dem Großhirn unter anderem Sinneseindrücke der Haut, der Augen und der Ohren mit. Er fungiert als "Tor zum Bewusstsein", indem er fast alle Sinneswahrnehmungen sammelt und an das primär sensorische Rindenfeld im Scheitellappen des Großhirns weiterleitet.
• Hypothalamus: Der Hypothalamus reguliert zum Beispiel Hunger, Durst und Schlaf und kontrolliert zusammen mit der Hirnanhangdrüse (Hypophyse) den Hormonhaushalt. Er kontrolliert den Hormonhaushalt und stellt die Verbindung zwischen Hormon- und Nervensystem dar. Außerdem steuert er wichtige Funktionen wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten.
• Hypophyse: Die Hypophyse ist mit dem Hypothalamus über einen Stiel verbunden. Sie ist die Hormondrüse am Gehirn.

Hirnstamm

Der Hirnstamm schaltet Informationen vom Gehirn zum Kleinhirn und dem Rückenmark um und kontrolliert Bewegungen der Augen sowie die Mimik. Er ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig. Er steuert die Herzfrequenz, den Blutdruck und die Atmung sowie Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- oder Hustenreflex.

Im Nachhirn überkreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften.

Kleinhirn (Cerebellum)

Das Kleinhirn liegt oberhalb des Hirnstamms und unterhalb der beiden Großhirnhemisphären. Es koordiniert unsere Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen. Genau wie das Großhirn, lässt sich auch das Kleinhirn in zwei Hemisphären einteilen. Zwischen den beiden Hälften liegt der Kleinhirnwurm.

Graue und weiße Substanz

Das Gehirn besteht aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen: der grauen und der weißen Substanz. Die graue Substanz besteht in erster Linie aus Nervenzellkörpern, während die weiße Substanz aus den Nervenzellfortsätzen, den Nervenfasern (Axonen), besteht.

Die graue Substanz findet sich vor allem in der Großhirnrinde, den Basalganglien, der Kleinhirnrinde und den Hirnnervenkerne. Die weiße Substanz findet sich im Mark von Großhirn und Kleinhirn. Etwa 80 Prozent der Hirndurchblutung sind für die Versorgung der grauen Substanz notwendig.

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Basalganglien

Die Basalganglien sind eine Gruppe Großhirn- und Zwischenhirnkerne aus grauer Substanz.

Hirnnerven

Dem Gehirn entspringen zwölf paarige Nerven, die den Kopf, den Hals und Organe im Rumpf versorgen.

Limbisches System

Das limbische System ist eine Gruppe von Strukturen im Gehirn, die für die Verarbeitung von Emotionen, das Gedächtnis und das Triebverhalten zuständig sind. Es besteht aus verschiedenen Arealen, darunter die Amygdala (Mandelkern) und der Hippocampus.

• Amygdala: Die Amygdala spielt eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Emotionen, insbesondere Angst und Furcht.
• Hippocampus: Der Hippocampus ist wichtig für die Bildung von neuen Gedächtnisinhalten und die Übertragung von Informationen vom Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis.

Blutversorgung des Gehirns

Das Gehirn muss ständig mit ausreichend Sauerstoff, Glukose und anderen Nährstoffen versorgt werden, da es einen enorm hohen Energieverbrauch hat. 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. Deshalb ist es besonders gut durchblutet. Zwischen 15 und 20 Prozent des Herzminutenvolumens entfällt auf die Blutversorgung des Gehirns.

Die Blutversorgung des Gehirns erfolgt über:

• die vordere Hirnarterie (Arteria cerebri anterior): Sie versorgt das Gewebe hinter der Stirn und im Bereich des Scheitels.
• die mittlere Hirnarterie (Arteria cerebri media): Sie ist für die Seite und weiter innen liegende Gehirnbereiche wichtig.
• die hintere Hirnarterie (Arteria cerebri posterior): Sie versorgt den Hinterkopf und den unteren Bereich des Gehirns sowie das Kleinhirn.

Die vordere und die mittlere Hirnarterie zweigen von der inneren Halsschlagader ab, während die hintere Hirnarterie mit Blut aus den Wirbelarterien gespeist wird.

Bevor die drei Arterien in „ihre“ Hirnregionen ziehen und sich dort in kleinere Äste verzweigen, liegen sie nahe beieinander unterhalb des Gehirns. Hier sind sie über kleinere Blutgefäße miteinander verbunden - ähnlich wie in einem Kreisverkehr. Auch an weiter entfernten Stellen gibt es Verbindungswege zwischen den einzelnen Arterien. Das hat den Vorteil, dass Durchblutungsstörungen im Gehirn bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden können: Wenn zum Beispiel ein Arterienast allmählich immer enger wird, kann über diese „Umwege“ (sogenannte Kollateralen) trotzdem Blut in den betroffenen Hirnbereich fließen.

Die feinsten Aufzweigungen (Kapillaren) der Hirnarterien geben 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.

"Verbrauchtes" - also sauerstoffarmes - Blut wird über die Gehirnvenen abtransportiert. Sie leiten es in größere Blutgefäße, die sogenannten Sinusse. Die Sinuswände sind durch harte Hirnhaut verstärkt, die die Gefäße gleichzeitig aufspannen.

Die sogenannte Blut-Hirn-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen dar und schirmt das empfindliche Gewebe im Gehirn gegen schädigende Substanzen im Blut ab.

Funktion des Gehirns

Das Gehirn ist die Steuerzentrale unseres Körpers. Es steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Kreislauf und Schlaf-Wach-Verhalten. Es empfängt und verarbeitet Informationen aus der Umwelt und dem Körperinneren, speichert diese und ermöglicht uns so, zu lernen, zu denken und zu fühlen.

Die verschiedenen Hirnregionen arbeiten dabei eng zusammen und erfüllen spezifische Aufgaben. So ist beispielsweise der Hirnstamm für die Steuerung grundlegender Lebensfunktionen zuständig, während das Großhirn höhere kognitive Funktionen wie Sprache, Gedächtnis und Denken ermöglicht.

Die Gehirnzellen sind durch Synapsen, Kontaktstellen zwischen den Zellen, miteinander verbunden. Diese Kontaktstellen spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung der Nachrichten. Informationen aus dem Körper oder der Umwelt gelangen etwa in Form von Hormonen über das Blut oder als elektrische Impulse aus den Sinneszellen über Nervenbahnen bis ins Gehirn. Dort werden sie bewertet und verarbeitet. Als Reaktion werden entsprechende Signale vom Gehirn wieder ausgesendet - zum Beispiel an Muskeln, um sich zu bewegen, an Drüsen, um Sekrete zu produzieren und abzugeben, oder an Sinnesorgane, um Reize aus der Umwelt zu beantworten.

Die Synapsen können dabei nutzungsabhängig optimiert und verändert werden. Dieser Prozess wird auch neuronale oder synaptische Plastizität genannt.

Entwicklung des Gehirns

Die embryonale Entwicklung des Gehirns aus dem Neuralrohr zeichnet sich durch ein besonderes Größenwachstum, ein ungleichmäßiges Dickenwachstum der Wand und besondere Knickstellen aus. Dadurch wird das Gehirn schon frühzeitig in mehrere Abschnitte unterteilt.

Aus der Hirnanlage bilden sich zunächst drei hintereinander liegende Abschnitte (primäre Hirnbläschen) heraus, die dann das Vorderhirn, das Mittelhirn und das Rautenhirn bilden. In der weiteren Entwicklung entstehen daraus fünf weitere, sekundäre Hirnbläschen: Aus dem Vorderhirn entwickeln sich Großhirn und Zwischenhirn. Aus dem Rautenhirn gehen die Medulla oblongata, die Brücke und das Kleinhirn hervor.

Das Gehirn eines Embryos entwickelt sich etwa ab der vierten Schwangerschaftswoche. Dazu bilden sich aus dem vorderen Teil Neuralrohr drei bläschenförmige Erweiterungen aus. Bereits in dieser frühen Entwicklungsphase wird das Gehirn also in unterschiedliche Abschnitte eingeteilt. Aus den drei ersten Bläschen bilden sich das Vorder-, das Mittel- und das Rautenhirn. Im Laufe der Entwicklung gehen daraus dann weitere Hirnbläschen hervor, welche die restlichen Gehirnabschnitte bilden.

Die Gehirnkapazität ist deutlich größer als die, die wir im Alltag tatsächlich nutzen. Das bedeutet: Ein Großteil unserer Gehirnkapazität ist ungenutzt.

Erkrankungen des Gehirns

Das Gehirn kann durch verschiedene Ursachen in seiner Funktion gestört oder beschädigt werden. Am besten können Schädigungen durch ein Gehirn-MRT festgestellt werden. Bei der Magnetresonanztomographie (MRT) wird der Kopf sozusagen gescannt und ein Bild erstellt. Je nachdem, welcher Bereich des Gehirns beschädigt wird, können ganz unterschiedliche Symptome auftreten.

Einige Beispiele für Erkrankungen des Gehirns sind:

• Schlaganfall: Eine Durchblutungsstörung im Gehirn durch den Verschluss eines Blutgefäßes, die zu Sauerstoffunterversorgung im entsprechenden Gebiet führt.
• Gehirntumor: Es gibt gutartige und bösartige Hirntumore.
• Demenz: Unter Demenz versteht man die Abnahme von Gedächtnis- und Denkleistungen. Eine Art der Demenz ist Alzheimer.
• Parkinson: Bei Parkinson kommt es zum Absterben einer bestimmten Art von Nervenzellen im Gehirn. Dadurch herrscht eine geringere Konzentration des Botenstoffs Dopamin vor.

Anatomische Modelle des Gehirns

Anatomische Modelle des Gehirns sind realistische Nachbildungen des menschlichen Gehirns, die den Aufbau und die Struktur des Gehirns veranschaulichen. Sie werden häufig in der medizinischen Ausbildung, in Arztpraxen und in Schulen eingesetzt, um das Verständnis für die komplexe Anatomie des Gehirns zu fördern.

Es gibt verschiedene Arten von Gehirnmodellen, die sich in Größe, Detaillierungsgrad und Funktionalität unterscheiden:

• Median geschnittene Modelle: Diese Modelle zeigen eine Ansicht des Gehirns entlang der Mittellinie und ermöglichen die Darstellung der inneren Strukturen.
• Zerlegbare Modelle: Diese Modelle lassen sich in einzelne Teile zerlegen, um die verschiedenen Hirnregionen und ihre Beziehungen zueinander besser zu veranschaulichen.
• Modelle mit Blutgefäßen: Diese Modelle zeigen die arterielle Versorgung des Gehirns und ermöglichen das Verständnis der Blutversorgung und möglicher Durchblutungsstörungen.
• Modelle mit Hirnfunktionen: Diese Modelle stellen die verschiedenen Funktionsbereiche des Gehirns dar, wie z.B. Sprachzentrum, motorisches Zentrum und sensorisches Zentrum.
• Modelle mit Hirnerkrankungen: Diese Modelle veranschaulichen verschiedene Erkrankungen des Gehirns, wie z.B. Alzheimer, Schlaganfall oder Multiple Sklerose.

Vorteile von Gehirnmodellen

Gehirnmodelle bieten gegenüber digitalen 3D-Modellen einige Vorteile:

• Haptisches Lernen: Durch das Anfassen und Begreifen des Modells wird das Verständnis für die Anatomie des Gehirns vertieft.
• Anschauliche Darstellung: Die realistische Darstellung der Strukturen ermöglicht eine bessere räumliche Vorstellung.
• Praxisnaher Unterricht: Gehirnmodelle können im Unterricht vielseitig eingesetzt werden, z.B. für Demonstrationen, Gruppenarbeiten oder Einzelstudien.

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