Das Gehirn ist die Steuerzentrale des Körpers und für lebenswichtige Abläufe verantwortlich. Es steuert unsere Wahrnehmungen, Emotionen, unser Wissen, Denken und Verhalten. Es sorgt dafür, dass unsere Organe richtig funktionieren und steuert unsere Bewegungen. Das Gehirn nimmt Sinneseindrücke auf, verarbeitet sie, speichert Informationen und ruft sie bei Bedarf wieder ab.
Einführung in das Gehirn
Das Gehirn, auch Encephalon genannt, ist der Teil des zentralen Nervensystems, der sich innerhalb des knöchernen Schädels befindet und diesen ausfüllt. Es besteht aus Milliarden von Nervenzellen, die über Nervenbahnen mit dem Körper verbunden sind und ihn steuern. Das Gehirnvolumen beträgt etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse, und sein Gewicht von 1,5 bis 2 Kilogramm macht etwa 3 % des Körpergewichts aus.
Die Bedeutung des Gehirns
Das Gehirn ist nicht alles, aber ohne das Gehirn läuft nichts. Es ist ein gigantisches Netzwerk von Nervenzellen, das alle unsere Organe und Körperfunktionen steuert. Man unterscheidet verschiedene Bereiche im Gehirn, wobei jeder Bereich auf bestimmte Aufgaben spezialisiert ist.
Gehirnzellen und ihre Vernetzung
Ein Mensch hat ungefähr 100 Milliarden Gehirnzellen, die das zentrale Nervensystem aufbauen und untereinander verknüpft sind. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt. Nervenzellen haben einen kleinen Körper und sehr lange, fadenartige Fortsätze, Axone und Dendriten, die sich durch das gesamte Gehirn ziehen können. Über diese Ausläufer können sich Nervenzellen miteinander verbinden und kommunizieren. Sie tauschen Informationen an speziellen Verbindungsstellen, den Synapsen, aus. Eine einzelne Nervenzelle kann Tausende von Kontakten mit anderen Nervenzellen aufbauen. Durch den wiederholten Informationsaustausch können sich die Verknüpfungen verstärken.
Die Hauptbestandteile des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
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- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
Der Hirnstamm
Der Hirnstamm ist der älteste Gehirnteil in der Entwicklungsgeschichte des Menschen. Er verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und besteht aus dem verlängerten Mark, dem Mittelhirn und der Brücke. Durch den Hirnstamm verlaufen wichtige Nervenbahnen, die Sinneseindrücke aus dem Körper an das Großhirn weiterleiten und Informationen vom Großhirn zu den Nervenzellen des Rückenmarks. Der Hirnstamm reguliert lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck und steuert Körperreflexe.
Das Zwischenhirn
Das Zwischenhirn ist für überlebenswichtige Empfindungen und Instinkte verantwortlich. Hier werden Durst, Hunger und Schlaf gesteuert. Es ist auch an der Verarbeitung von Sinneseindrücken beteiligt. Der Thalamus ist die wichtigste Schaltstation für Informationen aus den Sinnesorganen. Äußere Sinneseindrücke werden hier verarbeitet und bewertet, bevor sie an das Großhirn weitergeleitet werden. Der Hypothalamus reguliert automatische Vorgänge wie Körpertemperatur, Wasser- und Salzhaushalt sowie die Magen-Darm-Funktion. Er ist auch an der Entstehung von Durst-, Hunger- und Sättigungsgefühlen beteiligt und reguliert zusammen mit der Hirnanhangsdrüse wichtige Hormone im Körper.
Das Kleinhirn
Das Kleinhirn ist wichtig für das Gleichgewicht und die Koordination. Es steuert zusammen mit dem Großhirn die Muskeln und somit die Bewegungen. Es sorgt dafür, dass die Muskelspannung des Körpers erhalten bleibt. Während das Großhirn vorrangig für bewusste Bewegungen zuständig ist, steuert das Kleinhirn bereits gelernte Bewegungsabläufe.
Das Großhirn
Das Großhirn ist der jüngste und größte Teil des menschlichen Gehirns. Es ermöglicht höhere Hirnfunktionen wie Motivation, Lernen, Denken und Verstehen. Die Großhirnrinde bedeckt die gesamte Oberfläche des Großhirns und enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns. Hier gehen wichtige Sinneseindrücke ein, werden sortiert, bewusst gemacht, gespeichert und miteinander verknüpft. Die Großhirnrinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirnlappen, gegliedert: Stirnlappen, Schläfenlappen, Scheitellappen und Hinterhauptslappen.
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 (Lobi):
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- Stirnlappen (Frontallappen)
- Scheitellappen (Parietallappen)
- Schläfenlappen (Temporallappen)
- Hinterhauptslappen (Okzipitallappen)
Hinzu kommt der Insellappen (Lobus insularis), der tief in der seitlichen Großhirnfurche verborgen liegt und von außen nicht sichtbar ist.
Der Neocortex
Etwa 90 Prozent des Cortex bestehen aus dem evolutionär jungen Neocortex, der durchgehend aus sechs Zellschichten aufgebaut ist. 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.
Die Entwicklung des Cortex
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, der Paleocortex. Ebenfalls sehr früh entstand der 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.
Der Assoziationscortex
Mit der zunehmenden Entwicklung und Verfeinerung der Sinne bei den Säugetieren 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.
Windungen und Furchen
Da das Schädelvolumen begrenzt ist, legte die Rinde 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.
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Zytoarchitektonik und Brodmann-Areale
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. Obwohl Brodmann seine Areale ausschließlich nach dem zellulären Aufbau beschrieb, lassen sich vielen von ihnen bestimmte Funktionen zuordnen.
Sensorische und motorische Zentren
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.
Folgen von Verletzungen und Ausfällen
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.
Weitere wichtige Strukturen und Funktionen
Hirnhäute und Liquor
Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater, Arachnoidea und Pia mater. Zwischen der inneren und der mittleren Haut befindet sich Flüssigkeit, der Liquor, die bei Erschütterungen wie eine Art Stoßdämpfer wirkt und somit zum Schutz des Gehirns beiträgt. Der Liquor ist die Flüssigkeit, welche das Gehirn und auch das Rückenmark schützend umgibt.
Ventrikelsystem
Im Inneren des Gehirns befinden sich vier Hohlräume (Hirnkammern), die mit Gehirnflüssigkeit gefüllt sind. Das Gehirn weist mehrere Hohlräume (Hirnkammern) auf, in denen der Liquor zirkuliert und die zusammen das Ventrikelsystem bilden.
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.
Energieverbrauch und Gehirnkapazität
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. Die Gehirnkapazität ist deutlich größer als die, die wir im Alltag tatsächlich nutzen. Das bedeutet: Ein Großteil unserer Gehirnkapazität ist ungenutzt.
Das limbische System
Zum limbischen System gehören verschiedene Teile im Zentrum des Gehirns. Es spielt eine wichtige Rolle bei Gefühlen und triebgesteuertem Verhalten (z. B. essen oder trinken). Zwei wichtige Teilbereiche innerhalb des limbischen Systems sind die Amygdala (Mandelkern) und der Hippocampus. Der Hippocampus ist der Arbeitsspeicher unseres Gehirns und die Schaltstelle zwischen dem Kurz- und dem Langzeitgedächtnis.
Hirnnerven
Dem Hirnstamm entspringen zwölf paarige Nerven, die den Kopf, den Hals und Organe im Rumpf versorgen.
Das vegetative Nervensystem
Für jene Körperfunktionen, die nicht der bewussten Steuerung unterliegen, ist das autonome Nervensystem verantwortlich. Eingeweide, Blutgefäße und Drüsen werden vom autonomen Teil des Nervensystems innerviert. Es gliedert sich wiederum in zwei Teile: Die Gegenspieler Sympathikus und Parasympathikus kontrollieren sich gegenseitig.
Vernetzung und Leistungsfähigkeit
Je größer das Gehirn, umso intelligenter der Mensch? Das stimmt so nicht. Intelligenz hängt nicht so sehr von der Größe des Gehirns ab. Vielmehr ist entscheidend, wie gut die einzelnen Nervenzellen und Gehirnbereiche miteinander vernetzt sind. Die Hauptverbindungen im Gehirn entwickeln sich schon vor der Geburt. Aus der Gehirnforschung weiß man aber, dass sich neue Kontakte zwischen Nervenzellen über das gesamte Leben ausbilden. Auch alte Verknüpfungen können sich verändern.
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