Das Gehirn: Aufbau, Funktion und Bedeutung für den Menschen (Klasse 5)

Das Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das als Steuerzentrale unseres Körpers fungiert. Es ermöglicht uns zu denken, zu fühlen, uns zu bewegen und die Welt um uns herum wahrzunehmen. In diesem Artikel werden wir den Aufbau und die Funktionen des Gehirns genauer unter die Lupe nehmen, speziell für Schüler der 5. Klasse.

Was ist das Gehirn?

Das Gehirn, auch Encephalon oder Cerebrum genannt, ist der Teil des zentralen Nervensystems (ZNS), der sich innerhalb des knöchernen Schädels befindet und diesen vollständig ausfüllt. Es ist ein wichtiges Organ aller Wirbeltiere und somit auch des Menschen. Das Gehirn sammelt alle Informationen, die der Körper von außen und aus seinem Inneren erhält. Es verarbeitet diese Informationen und sendet Befehle, um die einzelnen Organe zu steuern.

Darüber hinaus ist das Gehirn der „Sitz“ des Bewusstseins, des Denkens und des Gedächtnisses. Nahezu alles, was wir denken, fühlen und machen, geht vom Gehirn aus. Es übernimmt lebenswichtige Aufgaben wie die Steuerung von Atmung und Kreislauf. Dazu müssen verschiedene Strukturen zusammenarbeiten. Über hin- und wegführende Nervenbahnen sind sie mit unserem gesamten Körper verbunden. Die Länge aller Nervenbahnen unseres Gehirns zusammen beträgt ungefähr 5,8 Mio. Kilometer.

Gewicht und Zusammensetzung

Das Gehirn eines Menschen wiegt ungefähr 1300 Gramm und ist gut geschützt im Schädel untergebracht. Das Gehirnvolumen beträgt etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse. Das Gewicht macht mit 1,5 bis zwei Kilogramm ungefähr drei Prozent des Körpergewichts aus.

Das Gehirn besteht aus zwei Arten von Zellen:

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• Nervenzellen (Neuronen): Sie sind die eigentlichen „Arbeitstiere“ im Gehirn. Das menschliche Gehirn hat ungefähr 100 Milliarden solcher Nervenzellen, das ist eine Eins mit elf Nullen.
• Gliazellen: Sie unterstützen die Arbeit der Nervenzellen.

Diese Nervenzellen sind über feine Ausläufer mit anderen Nervenzellen verbunden und bilden so ein riesiges Netz. Die Verbindungen zwischen den einzelnen Nervenzellen nennt man Synapsen. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt. Die Synapsen können dabei nutzungsabhängig optimiert und verändert werden. Der Prozess heißt auch neuronale oder synaptische Plastizität. Das beantwortet zum Beispiel die Frage „Wie lernt das Gehirn?“. Denn Lernfähigkeit kommt dadurch zustande, dass durch ständiges Wiederholen entsprechende Synapsen verstärkt werden.

Die graue und weiße Substanz

Genau wie das Rückenmark, besteht das Gehirn aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen:

• Graue Substanz: Sie enthält alle Zellkörper der Nervenzellen. Bei Groß- und Kleinhirn bildet die graue Masse die umhüllende Rinde. Außerdem befindet sie sich in der weißen Substanz. Die graue Substanz im Gehirn besteht in erster Linie aus Nervenzellkörpern. Der Name kommt daher, dass die Nervenzellen im lebenden Organismus rosa sind, sich nach dessen Tod aber grau verfärben. Aus grauer Substanz bestehen etwa die Großhirnrinde, die Basalganglien, die Kleinhirnrinde und die Hirnnervenkerne. Etwa 80 Prozent der Hirndurchblutung sind für die Versorgung der grauen Substanz notwendig.
• Weiße Substanz: Sie enthält die Nervenfasern, also die Axone der Nervenzellen. Beim Gehirn befinden sich die Nervenzellkörper also vor allem in den äußeren Bereichen und die Axone liegen im inneren Teil des Gehirns. Die weiße Substanz findet sich im Mark von Großhirn und Kleinhirn.

Die Hauptbereiche des Gehirns

Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:

1. Großhirn (Telencephalon)
2. Zwischenhirn (Diencephalon)
3. Mittelhirn (Mesencephalon)
4. Kleinhirn (Cerebellum)
5. Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)

1. Das Großhirn (Telencephalon)

Der größte Teil des Gehirns ist das Großhirn. Es ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Es besteht unter anderem aus zwei Großhirnhälften (Hemisphären). Die Großhirnrinde bildet die Oberfläche des Großhirns. Um seine Oberfläche noch weiter zu vergrößern, ist es stark gefaltet. Es bildet viele Gehirnwindungen (Gyri), die durch Gräben (Sulci) voneinander getrennt sind. Darauf befinden sich 52 Rindenfelder, die nach verschiedenen Funktionen eingeteilt werden. Das sind Hirnareale mit verschiedenen Aufgaben, in denen die Nervenbahnen enden oder entspringen.

Die äußere Schicht der Hirnhälften - die Hirnrinde - enthält die meisten Nervenzellen. Bei der Hirnrinde gibt es verschiedene Lappen:

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• Stirnlappen (Frontallappen): Er liegt vorn und steuert den Körper, wenn er sich bewegt. Im vorderen Teil liegt beispielsweise das Zentrum für die Sprachbildung. Menschen, die eine Störung in diesem Zentrum haben, können also nicht oder nur gestört sprechen.
• Schläfenlappen (Temporallappen): Er ist vor allem für die Sprache und das Gedächtnis wichtig.
• Scheitellappen (Parietallappen): Hier werden Sinneseindrücke gesammelt und an das primär sensorische Rindenfeld weitergeleitet.
• Hinterhauptslappen (Okzipitallappen): Verarbeitung visueller Informationen. Wie wir etwas sehen, verdanken wir dem Gehirn. Auf der Netzhaut deines Auges wird alles, was du siehst, verkehrt herum (also auf dem Kopf) dargestellt. Der Sehnerv leitet dieses Bild zum Gehirn weiter. Erst das Gehirn dreht das Bild richtig herum. Zudem können wir das Bild dann bewerten und einordnen.
• Insellappen (Insula): Er liegt mehr in der Tiefe des Großhirns und hat viele verschiedene Funktionen.

Im Großhirn spielen sich vor allem die Gedanken und Gefühle ab. Es ist in zwei Hälften geteilt, die rechte und die linke Hemisphäre (= Halbkugel). Die meisten sensiblen und motorischen Gehirnbahnen kreuzen die andere Seite.

2. Das Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn liegt, wie der Name schon sagt, zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn. Es besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus.

• Thalamus: Den Thalamus kannst du dir als „Tor zum Bewusstsein“ vorstellen. Seine Funktion ist die Sammlung fast aller Sinneswahrnehmungen und die Weiterleitung an das primär sensorische Rindenfeld im Scheitellappen des Großhirns. Im Zwischenhirn werden alle eingehenden Signale aus dem Körper an die entsprechende Gehirnregion weitergeleitet.
• Hypothalamus: Der Hypothalamus kontrolliert den Hormonhaushalt. Damit stellt er sozusagen die Verbindung zwischen Hormon- und Nervensystem dar. Er steuert wichtige Funktionen, wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten. Der Hypothalamus ist verbunden mit der Hypophyse. Sie ist die Hormondrüse am Gehirn.

3. Das Mittelhirn (Mesencephalon)

Das Mittelhirn ist eine wichtige Befehlszentrale für Hören, Sehen und Bewegungen. Von hier aus werden beispielsweise die Bewegungen der Augen gesteuert.

4. Das Kleinhirn (Cerebellum)

Das Kleinhirn liegt unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Genau wie das Großhirn, lässt sich auch das Kleinhirn in zwei Hemisphären einteilen. Zwischen den beiden Hälften liegt der Kleinhirnwurm. Das Kleinhirn koordiniert unsere Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen. Es ist vor allem für das Gleichgewicht und die Steuerung von erlernten Bewegungsabläufen verantwortlich. Das Kleinhirn ist für die Planung und Abstimmung der Bewegungen zuständig.

5. Das Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)

Das Nachhirn stellt die Verbindung zum Rückenmark her. Das auch als Nachhirn bezeichnete Meyelencephalon stellt den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark dar. Im Nachhirn überkreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften.

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Der 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). Der Hirnstamm ist für die Verschaltung von Sinneseindrücken verantwortlich. Das Stammhirn ist das Steuerzentrum der lebenserhaltenden Funktionen, wie zum Beispiel Herzschlag und Atmung.

Wie funktioniert das Gehirn?

Das Gehirn übernimmt alle lebenswichtigen Funktionen unseres Körpers, wie die Atmung, den Kreislauf oder das Schlaf-Wach-Verhalten. Dazu nimmt das Gehirn alle Informationen von den Organen und aus der Umwelt auf, speichert und verarbeitet sie. Auch komplexe Funktionen wie Denken, Lernen, Emotionen oder Handlungsabläufe werden dort gesteuert.

Das Gehirn ist also sehr komplex und übernimmt viele unterschiedliche Aufgaben. Daher gibt es viele verschiedene Gehirnregionen mit speziellen Aufgaben, die zusammen arbeiten müssen. 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. Das Gehirn ist die Steuerzentrale des Körpers.

Schutz des Gehirns

Das Gehirn ist ein sehr empfindliches Organ und benötigt daher besonderen Schutz:

• Schädel: Der Hirnschädel schützt das Gehirn und bildet eine stabile Hülle.
• Hirnhäute (Meningen): Das Nervengewebe des Gehirns ist von drei verschiedenen Hirnhäuten (Meningen) geschützt, bevor es vom Schädel umgeben wird. Sie setzen sich außerhalb unseres Gehirns in den Rückenmarkshäuten fort. Zusätzlich wird es von drei Hirnhäuten geschützt.
• Liquor (Hirn-Rückenmarksflüssigkeit): In den Zwischenräumen der Hirnhäute befindet sich eine Flüssigkeit, die man Liquor nennt. Der Liquor bildet sozusagen einen Stoßdämpfer. Der Liquor ist die Flüssigkeit, welche das Gehirn und auch das Rückenmark schützend umgibt.
• Blut-Hirn-Schranke: Damit keine Schadstoffe im Blut ins Gehirn gelangen, gibt es eine Schranke. Die sogenannte Blut-Hirn-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen dar. 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 Blutversorgung

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. Da der Energieverbrauch des Gehirns so hoch und der Stoffwechsel dort so aktiv ist, benötigt es sehr viel Sauerstoff und Glucose (Energielieferant). Denn obwohl das Gehirn nur 2% des Körpergewichts ausmacht, geht ungefähr ein Fünftel unseres gesamten Sauerstoffbedarfs an das Gehirn.

Die Blutversorgung des Gehirns läuft über zwei große, jeweils in Paaren angelegte Arterien ab. Seitlich am Hals entlang verläuft die innere Halsschlagader (Arteria carotis interna), die aus der Halsschlagader (Arteria carotis communis) entspringt. 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.

Entwicklung des Gehirns

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 embryonale Entwicklung des Gehirns aus dem Neuralrohr zeichnet sich einerseits durch ein besonderes Größenwachstum aus, andererseits durch ein ungleichmäßiges Dickenwachstum der Wand und besondere Knickstellen. 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.

Erkrankungen des Gehirns

Das Gehirn kann aber auch 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. Eine Gefäßverkalkung im Gehirn nennt man Schlaganfall. Das Gehirn kann nicht mehr richtig versorgt werden - auch Mangeldurchblutung genannt - und es kann zu Ausfällen führen.
• 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.

Besonderheiten bei Babys

Bei einem Baby besteht zwischen den Schädelknochen eine breite Lücke, die sogenannten Fontanelle. Dort sind die Schädelknochen noch weich und verformbar. Das ist notwendig für die Geburt. Der Schädel verformt sich, wenn nicht genügend Platz ist.

Das Gehirn im Unterricht

Um die selbständige Vertiefung des Themas zu ermöglichen, sollten den Schülern vor der Bearbeitung dieses Films einige Grundlagen bekannt sein. So sollten sie Nervensystem und Nervenzellen in Grundzügen sowie den Aufbau des Gehirns kennen. Um in das Thema einzusteigen, können die Schüler mit Schulbuch oder Internet in Partnerarbeit ihre Kenntnisse über das Nervensystem und dessen Funktion wiederholen und gegebenenfalls ergänzen.

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