Schnitte durch das Gehirn: Eine anatomische Übersicht

Das menschliche Gehirn ist eine unglaublich komplexe Struktur, die für eine Vielzahl von Funktionen verantwortlich ist, von grundlegenden Überlebensinstinkten bis hin zu höheren kognitiven Prozessen. Um diese Komplexität zu verstehen, ist es hilfreich, das Gehirn anhand von anatomischen Schnitten zu untersuchen. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die Anatomie des Gehirns, basierend auf verschiedenen Schnittebenen und bildgebenden Verfahren.

Einführung in die Gehirnanatomie

Das Gehirn ist der natürliche Computer der Superlative und besteht aus etwa 86 Milliarden Neuronen (Nervenzellen) und einer ähnlichen Anzahl von Gliazellen. Es ist die komplizierteste anatomische Struktur, die wir kennen. Das Gehirn verändert sich ständig und ermöglicht es uns, bis ins hohe Alter aktiv und lernfähig zu bleiben. Man kann sich das Gehirn als eine Art Steuerzentrale vorstellen, deren Hauptaufgabe darin besteht, lebenswichtige Vorgänge wie Atmung, Überleben, Wahrnehmung und Schlaf-Wach-Rhythmus zu regulieren. Das Gehirn ist sehr stoffwechselaktiv und benötigt daher eine hohe Zufuhr von Blutzucker und Sauerstoff.

Hauptbestandteile 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. Das Corpus callosum dient dem Austausch von Informationen zwischen den beiden Gehirnhälften. Das Gehirn wird durch die Schädelknochen und die drei Schichten der Hirnhaut (Dura mater, Arachnoidea und Pia mater) geschützt. Die Dura mater ist die äußere Schicht, die eine Barriere bildet, um das Gehirn vor äußeren Verletzungen zu schützen.

Die fünf Hauptregionen des Gehirns sind:

• Großhirn (Telencephalon): Nimmt etwa 80 Prozent der gesamten Hirnmasse ein und bildet den vordersten Bereich des Gehirns. Es besteht aus der Großhirnrinde (Kortex) und der weißen Substanz.
• Kleinhirn (Cerebellum): Befindet sich im unteren hinteren Bereich des Schädels und enthält trotz seiner geringeren Größe die meisten Nervenzellen (etwa 70 Milliarden). Es steuert und koordiniert Bewegungsabläufe.
• Zwischenhirn (Diencephalon): Enthält den Thalamus, den Hypothalamus und die Zirbeldrüse. Es filtert eingehende Informationen, bevor es sie an das Großhirn weiterleitet.
• Mittelhirn (Mesencephalon): Ist Teil des Hirnstamms und verbindet das Vorderhirn mit dem Hinterhirn.
• Hirnstamm (Truncus cerebri): Verbindet Rückenmark und Großhirn und besteht aus Mittelhirn, Brücke (Pons) und verlängertem Mark (Medulla oblongata). Er ist für lebenswichtige Funktionen wie Atmung und Herzschlag zuständig.

Die Großhirnrinde (Cortex cerebri)

Die Rinde des Gehirns - der Cortex - bedeckt fast das ganze von außen sichtbare Gehirn. Sie ist stark gefaltet und durchzogen von zahlreichen Furchen, wodurch voneinander abgrenzbare Bereiche entstehen - jede der beiden Großhirnhälften verfügt zum Beispiel über vier von außen sichtbare Lappen, die Lobi. Neunzig Prozent des Cortex bestehen aus dem entwicklungsgeschichtlich jungen Neocortex, der überall aus sechs Zellschichten besteht.

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Das Großhirn mit seinen zwei Hälften - den Hemisphären - und dem sie verbindenden so genannten Balken (Corpus callosum ist der entwicklungsgeschichtlich jüngste Teil des Gehirns. Und der größte: Das Großhirn stellt 85 Prozent der Gehirnmasse. Zieht man das innen liegende, vor allem aus Nervenfasern bestehende Großhirnmark mit den darin eingebetteten Basalganglien ab, bleibt eben der Cortex - eine Schicht von zwei bis fünf Millimetern Dicke. Diese Schicht bezeichnet man auch als graue Substanz, weil sie reich an Nervenzellkörpern ist, die ihr eine rotbraune bis graue Farbe geben. Man hat die Anzahl der Nervenzellen (Neurone) in der Großhirnrinde mit ca. 23 Milliarden im männlichen und ca. 19 Milliarden im weiblichen Gehirn bestimmt - wobei zu beachten ist, dass der durchschnittliche männliche Körper auch größer ist als der weibliche.

Die Großhirnrinde allein nimmt knapp die Hälfte des Hirnvolumens ein. Möglich wird dies durch Windungen, die man Gyri nennt, und tiefe Furchen, die als Sulci oder Fissurae bezeichnet werden. 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. Das Schädelvolumen seinerseits muss minimiert werden, da aufgrund der Weite der weiblichen Geburtswege nur ein beschränkter Raum zur Verfügung steht.

Im Cortex entsteht aus den Signalen der Sinnesorgane und vorgeschalteten Hirnregionen ein zusammenhängender Eindruck der Umwelt. Zudem kann er Informationen speichern, ist also biologische Grundlage unseres Gedächtnisses.

Die typische Struktur des Cortex hat sich in der Stammesgeschichte der Säugetiere langsam entwickelt. Zunächst entstand der für Geruchswahrnehmung zuständige Teil - er heißt daher Palaeocortex, also alter Cortex. Ebenfalls sehr früh entstand der so genannte 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 wichtig ist. Diese „alten“ Areale machen aber nur ein Zehntel der Großhirnrinde aus. Die übrigen 90 Prozent werden als Neocortex bezeichnet.

Mit zunehmender Höherentwicklung der Sinne - wozu bei den Säugetieren auch die Sinnesorgane der gesamten Haut, Schleimhaut und Muskulatur sowie die Netzhaut des Auges, die Geschmacksorgane und das Innenohr mit Hör- und Gleichgewichtssystem zählen - wurde auch der Neocortex immer komplexer. Zusätzlich umfasst er Areale, die unsere gezielten Bewegungen steuern. Den größten Teil bilden allerdings Hirnrindengebiete, welche die Informationen aus den vielen Sinnessystemen zu einem umfassenden Bild der Welt zusammenfügen und unsere Aufmerksamkeit und Aktivität regeln. Man bezeichnet diese Teile als Assoziationscortex.

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Betrachtet man Schnitte durch diese „neue“ Rinde unter dem Mikroskop, so wird überall ein sehr ähnlicher Aufbau sichtbar: Es zeigen sich sechs Zellschichten, für die jeweils verschiedene Arten und Anordnungen von Neuronen charakteristisch sind. Es gibt allerdings regionale Varianten, die jeweils typisch für bestimmte Hirnrindenregionen sind. Die älteren Teile der Hirnrinde haben dagegen weniger oder mehr als sechs Schichten. Diese zelluläre Organisation des Cortex wird als Zytoarchitektonik bezeichnet.

Um von der Oberfläche des Cortex eine Landkarte der funktionell und zytoarchitektonisch unterschiedlichen Regionen zu zeichnen, bieten sich die tiefen Furchen als Unterteilung an. So kann man zunächst vier Lappen unterscheiden:

• Frontallappen (Stirnlappen): Kontrolliert Bewegungen und führt kognitive Prozesse aus.
• Parietallappen (Scheitellappen): Ist ein primär sensorisches Rindenfeld und für somatosensorische Funktionen zuständig.
• Temporallappen (Schläfenlappen): Enthält das Sprachzentrum und den Hippocampus, der für das Gedächtnis wichtig ist.
• Okzipitallappen (Hinterhauptlappen): Ist der hinterste und kleinste der vier Hirnlappen und verarbeitet visuelle Informationen.
• Insellappen: Seitlich, aber völlig nach innen gefaltet und damit nicht von der Oberfläche her sichtbar.

Eine wesentlich präzisere Aufteilung der Hirnrinde geht auf gut hundert Jahre alte Untersuchungen der deutschen Neurologen Korbinian Brodmann und Cecile und Oskar Vogt zurück. Anhand der feinen Unterschiede im zellulären Aufbau wurden von Brodmann 43 verschiedene Rindenfelder beim Menschen identifiziert. Sie sind noch heute als Brodmann-​Areale bekannt.

Funktionelle Organisation des Cortex

Ob wir etwas hören, sehen oder auf andere Art bewusst wahrnehmen: Die Signale aus den verschiedenen Sinnesorganen landen im Cortex. Doch wie genau funktioniert das? Eingehende Signale werden von Nervenzellen im Thalamus umgeschaltet und an unterschiedliche Regionen im Cortex weitergeleitet, die den entsprechenden Funktionen zugeordnet sind. Im Falle des Sehens etwa wird die primäre Sehrinde im Okzipitallappen aktiv. Sie verarbeitet die Information und leitet sie an visuelle Rindenregionen weiter, die komplexe Leistungen wie die Wiedererkennung von Gegenständen oder Gesichtern ermöglichen. Primäre somatosensorische Felder 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 von unterschiedlichen Frequenzen in der primären Hörrinde kann die Wahrnehmung einer Melodie 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.

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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, nicht aber das Sprachverständnis. Und Läsionen im vorderen Teil des Frontallappens führen zu Persönlichkeitsveränderung und Verminderung der intellektuellen Fähigkeiten.

Den einzelnen Funktionen lassen sich also Areale des Cortex zuordnen - die allerdings niemals losgelöst und allein für sich aktiv werden, sondern in komplexer Weise mit anderen Arealen und anderen Teilen des Gehirns verdrahtet sind. Wir sollten daher nicht von einzelnen Zentren sprechen, sondern von Knoten in einem komplexen neuronalen Netz.

Auf der anderen Seite: Ob es darum geht, einen Text wie diesen zu entziffern und zu verstehen, oder um andere höhere mentale Funktionen: Zuständig ist der Cortex, die äußerste Schicht unserer zwei Großhirnhälften. Hier werden Sinneseindrücke verarbeitet, Informationen gespeichert, hier denken wir nach und entwickeln Pläne, hier steuert unser Gehirn Handlungen wie Gehen, Sprechen oder Schreiben, hier entsteht unser Bewusstsein.

Bildgebung des Gehirns: MRT-basierte Anatomie

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein wichtiges Werkzeug zur Visualisierung der Gehirnanatomie. MRT-Bilder ermöglichen es, detaillierte Schnitte des Gehirns in verschiedenen Ebenen (axial, koronal, sagittal) zu erstellen. Dies ist besonders nützlich für die Diagnose von Erkrankungen und die Planung von chirurgischen Eingriffen.

Einleitung eines zweiten Moduls zur Gehirnanatomie auf der Grundlage der MRT in axialen Schnitten, nachdem mehrere Benutzer Anfragen nach koronalen und sagittalen Schnitten gestellt haben. Die Vorbereitung dieses neuen Moduls dauerte mehr als 6 Monate und beinhaltete die Beschriftung von mehr als 524 Strukturen auf 379 MRT-Bildern in drei verschiedenen Ansichten und auf 26 anatomischen Diagrammen.Dieses Modul richtet sich an alle, die sich für Neuroanatomie und medizinische Bildgebung interessieren, unabhängig davon, ob sie Ärzte sind oder nicht, aber es richtet sich insbesondere an Allgemeinmediziner und Spezialisten der Neurologie, Neurochirurgie, Anatomie und Neurowissenschaften sowie Sprachpathologen und Psychomotorikern.

MRT-Technik

Hirnbilder, die für dieses Modul der menschlichen Anatomie verwendet werdenEin MRT bei einem gesunden Probanden wurde in dünnen Abschnitten (0,6mm) mit 3D-Volumenerfassung in T1-Gewichtung ohne Injektion von Gadolinium in den 3 üblicherweise verwendeten Ebenen mit einer Matrix von 320/320 Pixeln, unter Verwendung einer MRT-Maschine von 1,5 Tesla. Eine arterielle MR-Angiographie des Willis-Polygons (Laufzeitmessung) und eine Phasenkontrast-MRA wurden in einem zweiten Schritt am gleichen Thema durchgeführt.

Die Querschnittsbilder des menschlichen Gehirns wurden mit Hilfe der Adobe Photoshop-Software in der Größe verändert und zugeschnitten und dann in ein mit Adobe Animate erstelltes Modul integriert. Um das Herunterladen zu erleichtern, wurden die Bilder in optimaler Qualität herunterzuladen (in dem Wissen, dass die Starmatrix bei 320/320 Pixel bleibt).

3D-Rekonstruktion

In einem zweiten Schritt wurde das 3D-Rendering von Gehirn, Ventrikeln, Hirnstamm, Kleinhirn, Arterien für das Gehirn und zerebralen Hirnsinus aus den Querschnittsbildern auf einer DICOM-Rekonstruktionskonsole durchgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Rekonstruktionen vom gleichen Patienten stammen, was es dem Benutzer ermöglicht, Schnittbilder mit 3D-Bildern des menschlichen Gehirns zu korrelieren. Darüber hinaus wurden einige Rekonstruktionen mit Adobe Photoshop leicht modifiziert, um den Lehrinhalt zu verbessern und einige Artefakte zu entfernen, aber es wurde keine Struktur künstlich hinzugefügt (z.B. sind nicht alle Hirnnerven auf den Hirnstammbildern sichtbar).

Wichtige anatomische Strukturen

Die MRT-Bilder ermöglichen die Identifizierung verschiedener anatomischer Strukturen, einschließlich:

• Kleinhirnlappen: Vorderlappen, Hinterlappen und Flocke-Knötchen-Lappen.
• Gehirnstamm: Mittelhirn, Brücke und verlängertes Rückenmark.
• Ebenen des zentralen Nervensystems: Endhirn, Zwischenhirn (Thalamus, Hypothalamus, Metathalamus, Epithalamus und Subthalamus), Rautenhirn und Rückenmark.
• Assoziationsfasern des Endhirns: Assoziationsbahn des Kleinhirns, obere (gewölbte) und untere Längsfaszikel, kaudal- und Zungenfasern.

Es ist wichtig zu beachten, dass diese Darstellungen ständig mit Daten aktualisiert werden, die seit dem Aufkommen der Diffusionstensorbilder verfügbar sind, um die Genauigkeit zu verbessern.

Arterielle Gefäßgebiete

Die Kenntnis der arteriellen Gefäßgebiete ist sowohl für die Anatomie als auch für die klinische Praxis (z. B. bei ischämischen Schlaganfällen) von Bedeutung. Zu den Hauptgebieten gehören:

• Oberflächliche und tiefe Gebiete der mittleren und vorderen Hirnarterien.
• Gebiet der hinteren Hirnarterie.
• Kortikale und tiefe Wasserscheidengebiete.
• Gebiet der vorderen Aderhautarterie.
• Gebiet der hinteren Verbindungsarterie.
• Gebiet der oberen (SCA), vorderen (AICA) und unteren hinteren (PICA) Kleinhirnarterien.
• Gebiet der Zweige der Hirnbasisarterie, der Wirbelarterie und der vorderen Rückenmarksarterie.

Anatomische Strukturen mit Bildunterschriften

Um das Lesen des Moduls zu erleichtern, wurden die Strukturen des menschlichen Gehirns in Gruppen und Untergruppen eingeteilt, die wahlweise angezeigt werden können:

• Hirnlappen und Hirngebiete, Hirnstamm und Kleinhirn
• Großhirn mit den verschiedenen Lappen, die zerebralen Kommissurfasern (Balken, Fornix, Balkenschicht, Balkenzwinge), Assoziationsfasern des Großhirns, Basalkerne und verwandte Strukturen (Basalganglien, blasser Kern, linsenförmiger Kern, äußerer Linsenkern, innen- und Außenkapseln, usw.), Endhirnbasis (Riechstreifen, Kernkomplex-Vormauer-Gebiet, Mandelkörper, vordere perforierte Substanz), und schließlich das Brodmann-Areal (beachten Sie, dass die Klassifizierung auf ein Jahrhundert datiert und oft in Frage gestellt wird und dass außerdem die numerische Nomenklatur stabil ist, aber im Gegensatz dazu die wörtliche Bezeichnung der Brodmann-Areale mehreren Variationen unterliegt).
• Zwischenhirn umfasst insbesondere den Sehhügel, die Pulvinarkerne, die Epiphysenstiel, die Zirbeldrüse, das Infundibulum (Hypophysenstiel) und die Neurohypophyse (der Vorderlappen der Hypophyse, der nicht zum zentralen Nervensystem gehört).
• Kleinhirn mit seinen verschiedenen Fissuren und Lappen sowie den Strukturen des Kleinhirnwurms.
• Der Hirnstamm, unterteilt in Mittelhirn, Brücke und verlängertes Rückenmark (Bulbärhirn, Nachhirn). Die Hirnnerven auf der Ebene ihrer Entstehung, und die Hirnnervkerne mit einer Projektion ihrer vermeintlichen Position auf den Hirnstamm.
• Die Hirnkammern (Seitenventrikel, dritter Ventrikel, vierter Ventrikel) mit dem Adergeflecht.
• Die Hirnhäute mit Säcken, die die Cerebrospinalflüssigkeit (CFS), aber auch die verschiedenen Schichten und pericerebralen Räume enthalten (natürlich sind die harte-, die weiche- und die Spinnweben-Hirnhaut und die Zwischenräume zwischen ihnen bei einem gesunden Menschen nur sehr schwer zu identifizieren und die Anordnung der Beschriftungen ist hier ungefähr).
• Die Arterien der Enzephalie, die aus den inneren Halsschlagadern und Wirbelsäulen entstehen und den Willis-Kreis (Arterienkreis an der Hirnbasis) bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass dieses MRT ohne Gadoliniuminjektion ist; die großen Arterien sind durch hyperintenses Fließphänomen sichtbar, aber die kleinen Arterien sind nicht sichtbar und wir haben es vorgezogen, sie nicht zu beschriften.
• Die wichtigsten tiefen und oberflächlichen, Diploë- und Emissarienvenen (mit den gleichen Einschränkungen wie die Arterien auf diesem MRT ohne Injektion), sowie die verschiedenen Hirnsinus (oberer Pfeilblutleiter und unterer S-förmiger Blutleiter, gerader Blutleiter, Schwellkörperhöhle, unterer und oberer Felsenbeinblutleiter).

Klinische Bedeutung der Gehirnanatomie

Das Verständnis der Gehirnanatomie ist entscheidend für die Diagnose und Behandlung von neurologischen Erkrankungen. Durchblutungsstörungen im Gehirn, wie Schlaganfälle, können zu schweren Schäden führen, wenn bestimmte Hirnareale nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden. Die Kenntnis der arteriellen Gefäßgebiete ermöglicht es, die betroffenen Regionen zu identifizieren und geeignete Maßnahmen zu ergreifen.

Auch andere Erkrankungen wie Parkinson, Demenz und Gehirntumore können die Struktur und Funktion des Gehirns beeinträchtigen. Eine detaillierte Kenntnis der Gehirnanatomie ist daher unerlässlich, um diese Erkrankungen zu diagnostizieren und zu behandeln.

Lateralisation und synaptische Plastizität

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.

Die synaptische Plastizität gilt als Grundlage von Gedächtnis und Lernen. Als synaptische Plastizität bezeichnet man die Fähigkeit, Signale zur Übertragung von Informationen zwischen zwei Nervenzellen variieren zu können. Bei der Übertragung von Informationen kann die Synapse mehr oder weniger Botenstoffe ausschütten, um die Stärke der Signale zu regulieren. Im erwachsenen Gehirn werden fortlaufend neue Synapsen gebildet.

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