Das menschliche Gehirn: Aufbau, Funktion und mehr

Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das die Grundlage für unser Denken, Fühlen und Handeln bildet. Es ist die Steuerzentrale unseres Körpers und ermöglicht uns, die Welt um uns herum wahrzunehmen, zu lernen und uns anzupassen. Wusstest du, dass das menschliche Gehirn im Durchschnitt 1 400 Gramm schwer ist und etwa 100 Milliarden Nervenzellen enthält? Sein Aufbau fasziniert die Wissenschaft seit jeher. In Ägypten gab es bereits 1500 v. u. Z. Aufzeichnungen über den Aufbau des Gehirns. Das Gehirn ist ein hochkomplexes Organ, das unter anderem Sinneswahrnehmungen verarbeitet und Bewegungen koordiniert. Es gilt als Alleinstellungsmerkmal der Wirbeltiere.

Schutz und Struktur des Gehirns

Das Gehirn ist ein lebenswichtiges, sensibles Organ, das durch mehrere Schutzeinrichtungen vor mechanischen Einwirkungen wie Stößen und Schlägen sowie Krankheitserregern geschützt wird. Die äußerste Schutzschicht stellt der knöcherne Schädel dar. Dieser wird in Gesichts- und Hirnschädel unterteilt, wobei der größere Hirnschädel das Gehirn umgibt. Er dient vor allem als Schutz vor mechanischen Einwirkungen. Die Spinnengewebshaut ist die mittlere Hirnhaut. Ihr Bau unterscheidet sich von den anderen Hirnhäuten. Sie besteht aus Bindegewebe mit kollagenen Fasern. Diese Strukturen erscheinen wie Spinnenweben. Die weiche Hirnhaut liegt dem Gehirn direkt an.

Es wird häufig fälschlicherweise angenommen, dass das Gehirn schmerzempfindlich ist. Aber das Gehirn selbst besitzt keine Schmerzrezeptoren. Allerdings sind die Hirnhäute und Blutgefäße des Gehirns schmerzempfindlich, was Kopfschmerzen verursachen kann.

Obwohl das Gehirn durch Hirnhäute so gut vor Krankheitserregern geschützt ist, gibt es immer wieder Bakterien und Viren, die diese Barrieren durchdringen können. Sei es durch offene Kopfwunden, über den Blutkreislauf oder durch sich ausbreitende Infektionen aus Nasennebenhöhlen und Mittelohr. Die Erreger dringen in die Hirnhäute ein und verursachen dort eine Hirnhautentzündung (Meningitis).

Das menschliche Gehirn unterscheidet sich in seinem Aufbau nicht wesentlich von den Gehirnen anderer Wirbeltiere. Während der pränatalen (vorgeburtlichen) Entwicklung ist die Gliederung des Gehirns besonders gut zu erkennen. Für jeden Abschnitt des Gehirns existiert in der Gehirnanlage des Embryos je ein Hirnbläschen. Mit fortschreitender Entwicklung des Embryos vergrößern und differenzieren sich die Hirnbläschen.

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Die Hauptbestandteile des Gehirns und ihre Funktionen

Das Gehirn besteht aus verschiedenen Arealen, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Die wichtigsten Bestandteile sind:

• Großhirn (Cerebrum): Das Großhirn nimmt den größten Anteil des Gehirns ein - circa 80 % des Gehirnvolumens. Wie schon beschrieben besteht das Großhirn aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den sogenannten Balken in der Mitte getrennt werden. Der Balken ist ein Strang aus Nervenfasern. Die äußerste Schicht des Großhirns ist die Großhirnrinde. Sie ist nur wenige Millimeter dick, jedoch der wichtigste Bestandteil des Großhirns. Das Großhirn ist für die höheren Gehirnfunktionen wie Lernen, Denken und Verstehen zuständig. Die Großhirnrinde bildet die Oberfläche des Großhirns. Darauf befinden sich 52 Rindenfelder, die nach verschiedenen Funktionen eingeteilt werden. Das sind Hirnareale mit verschiedenen Aufgaben, in denen die Nervenbahnen enden oder entspringen. Insellappen: viele verschiedene Funktionen, z.B.
• Zwischenhirn (Diencephalon): Das Zwischenhirn ist das oberste Regulationszentrum des vegetativen Nervensystems. Es überwacht somit alle lebenswichtigen Funktionen wie Atmung, Appetit- und Durstempfinden. Der wohl bekannteste Teil des Zwischenhirns ist der Hypothalamus mit der Hirnanhangsdrüse. Das Zwischenhirn liegt, wie der Name schon sagt, zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn. 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. 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.
• Mittelhirn (Mesencephalon): Weiterhin besteht das Gehirn aus dem wesentlich kleineren Mittelhirn. Es verbindet das Zwischenhirn mit dem Kleinhirn. Zusammen mit dem verlängerten Rückenmark und der dazwischenliegenden Brücke bildet es den Hirnstamm. Das Mittelhirn bildet die Verbindung zwischen dem Zwischenhirn und dem Kleinhirn. Es ist der kleinste Abschnitt des Gehirns und befindet sich unterhalb des Zwischenhirns und oberhalb der Brücke. Mittelhirn, Brücke und Nachhirn zusammen bilden den Hirnstamm. Das Mittelhirn ist die Steuerzentrale für den Seh- und Hörnerv und für Reflexe.
• Kleinhirn (Cerebellum): Das Kleinhirn ist für alle motorischen Abläufe unseres Körpers (Koordination) verantwortlich. Vielleicht hast du auch schon einmal bemerkt, wie du automatisch nach deiner Zahnbürste greifst, ohne darüber nachzudenken. Dein Gehirn speichert solche Gewohnheiten im sogenannten Kleinhirn. 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 ist vor allem für das Gleichgewicht und die Steuerung von erlernten Bewegungsabläufen verantwortlich.
• Verlängertes Rückenmark (Medulla oblongata): Das verlängerte Rückenmark wird auch als Nachhirn bezeichnet. Das verlängerte Rückenmark wird auch als Nachhirn bezeichnet. Es ist der am weitesten hinten gelegene Teil des Hirnstamms. Es ist für die Kontrolle grundlegender Funktionen wie Blutzirkulation, Herzschlag und Lungenaktivität zuständig.

Graue und weiße Substanz

Das Gehirn setzt sich aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen, der grauen und der weißen Substanz, zusammen. Das Gehirn besteht aus Nervenzellen. In der grauen Substanz des Gehirns befinden sich hauptsächlich die Zellkörper der Nervenzellen, während die weiße Substanz aus den schlauchartigen Nervenfortsätzen der Gehirnzellen, den Axonen, besteht. Beim Gehirn befinden sich die Nervenzellkörper also vor allem in den äußeren Bereichen und die Axone liegen im inneren Teil des Gehirns.

Die Rolle der Nervenzellen und Axone

Das Gehirn besteht aus Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Allein in unserem Gehirn befinden sich beispielsweise bis zu 100 Milliarden Nervenzellen. Nervenzellen (auch: Neuronen) unterscheiden sich von anderen Zellen, insbesondere durch ihren Aufbau und ihre Funktion. Um diese Funktion zu erfüllen, sind unfassbar viele Nervenzellen zu großen Netzwerken verbunden.

Eine Nervenzelle besteht aus dem Zellkörper (Soma), den Dendriten und dem Axon. Das Soma enthält einen Zellkern und Mitochondrien. Der Axonhügel bezeichnet den Übergang vom Soma zum Axon, in dem Signale gesammelt und summiert werden, bis ein Schwellenwert überschritten ist, der ein sogenanntes Aktionspotential auslöst. Bei einem Axon handelt es sich um einen langen, unverzweigten Fortsatz, der der Weiterleitung der Signale durch den Körper dient. Bei Wirbeltieren werden die Axone häufig zudem von einer speziellen Form von Gliazellen, den sogenannten schwannschen Zellen, umgeben. Diese Zellen liegen hintereinander um das jeweilige Axon, sodass es von einer lamellenartigen Hülle umgeben wird: der Markscheide, Myelinscheide oder auch schwannschen Scheide. Der längste Nerv in deinem Körper ist der Ischiasnerv, der vom unteren Rücken bis zum Fuß reicht. Er kann über einen Meter lang sein! Die Axon-Darstellung hilft dir, besser zu verstehen, wie diese Struktur in einem Neuron funktioniert. Das Axon ist in gewisser Weise wie eine Informationsautobahn. Elektrische Signale, die als Aktionspotentiale bekannt sind, reisen entlang des Axons von der "Axonhügel", der Nähe des Zellkörpers, zum "Axonterminal", wo die Signale dann auf andere Zellen übertragen werden. Stelle dir das Axon wie ein langgezogenes Kabel vor, an dessen einem Ende der Zellkörper und an dessen anderem Ende eine andere Zelle ist. Ein elektrisches Signal startet am Zellkörper und bewegt sich entlang des Kabels (des Axons), bis es das Ende erreicht. Dort wird es auf die nächste Zelle übertragen.

Angenommen, du berührst eine heiße Herdplatte mit der Hand. Die Temperaturinformation wird über die Sinnesrezeptoren in deiner Haut erfasst und über das Axon an das Neuron weitergeleitet. Dieses Signal reist entlang des Axons zum Zellkörper des Neurons und wird dort weiterverarbeitet. Es wird dann über das Axon an das nächste Neuron gesendet und letztendlich an dein Gehirn weitergeleitet. Die Rolle des Axons geht über die einfache Weiterleitung von elektrischen Signalen hinaus. Axone sind zum Beispiel auch an der Generierung von Myelin beteiligt, einer fetthaltigen Substanz, die die Axone isoliert und die Geschwindigkeit der Signalübertragung erhöht. Darüber hinaus können Axone durch die Mechanismen der Axonalen Navigation während der Gehirnentwicklung ihren Weg finden.

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Sobald du den internen Aufbau des Axons untersuchst, entdeckst du eine erstaunliche Vielfalt von Strukturen und Mechanismen, die dafür sorgen, dass dies essentiell für die Funktion des Nervensystems ist. Das Axon ist mehr als nur eine einfache Leitung für elektrische Signale. Es hat einen speziellen inneren Aufbau, der eine effiziente Signalübertragung gewährleistet. Eine solche Struktur ist das Zytoskelett des Axons. Es besteht aus Mikrotubuli, Neurofilamenten und Aktinfasern. Mikrotubuli sind röhrenförmige Moleküle, die dem Axon Stabilität und Form verleihen. Neurofilamente sind Proteinstränge, die ebenfalls zur Stärkung des Axons beitragen und dabei helfen können, den Durchmesser des Axons zu kontrollieren. Aktinfasern hingegen sind Flexibler und eignen sich unter anderem zur Fortbewegung bzw. Aktinfasern: Diese in der Membran des Axons verankerten Fasern können auch zur Beweglichkeit von Zellen beitragen. Ein weiterer wichtiger Aspekt des axonalen Aufbaus ist die Anwesenheit von Myelin.

Beim Blick auf den Aufbau des Axons stößt du auf verschiedene Hauptkomponenten. Jeder von ihnen hat spezifische Funktionen und Eigenschaften, die das Axon leistungsfähig und effizient machen. Axone sind integraler und unverzichtbarer Bestandteil von Neuronen. Sie dienen als die "Kommunikationslinien", die es Neuronen ermöglichen, Signale über weite Strecken zu senden. Den Weg, den elektrische Signale innerhalb des Neurons nehmen, bezeichnet man als "anterograde" Leitung. Darunter versteht man die Leitung von Signalen vom Zellkörper des Neurons aus entlang des Axons bis zu dessen Ende. In einigen besonderen Fällen können jedoch auch "retrograde" Signale auftreten. Erwähnenswert ist zudem, dass ein einziges Neuron in der Regel viele Dendriten, aber nur ein Axon hat. Dieses Axon kann sich allerdings verzweigen und so Verbindungen zu vielen anderen Neuronen herstellen. Tatsächlich sind die längsten Axone im menschlichen Körper die, die die Muskeln in den Zehen mit dem Rückenmark verbinden. Diese können eine Länge von über 1 Meter erreichen! In der Neurobiologie hat das Axon eine ganz zentrale Funktion - es ist maßgeblich für die Übertragung von Nervensignalen zuständig. Da es in den meisten Neuronen das längste Fortsatz ist, sorgt es für die schnelle Weiterleitung von Informationen über weite Strecken.

Um zu verstehen, wie ein Axon funktioniert, musst du die Mechanismen der Signalübertragung und die dabei beteiligten Strukturen genau betrachten. Ein Hauptaspekt dabei sind die sogenannten Aktionspotentiale. Ein Aktionspotential ist eine kurzzeitige, plötzliche Änderung des elektrischen Membranpotentials in Nervenzellen. Diese Schwankung wird durch eine Änderung der Permeabilität der Zellmembran für verschiedene Ionen hervorgerufen. Ein Axon erzeugt und leitet diese Aktionspotentiale weiter. Beginnen tun diese Prozesse am Axonhügel. Von dort aus breitet sich das elektrische Signal entlang des Axons aus, bis es schließlich das Axonterminal erreicht. Dort wird das Signal auf die nächste Zelle übertragen - und zwar durch die Ausschüttung von Neurotransmittern, chemischen Botenstoffen, in den synaptischen Spalt. Zudem spielt die Axonmembran eine bedeutsame Rolle in der Signalübertragung. Sie beinhaltet verschiedene Ionenkanäle, die bei einem Aktionspotential geöffnet werden und so einen Ionenstrom ermöglichen. Einer dieser Kanäle ist der spannungsabhängige Natriumkanal, der bei Erreichen einer bestimmten Membranspannung ((-55) mV) geöffnet wird und so Natriumionen ((Na^+)) in die Zelle strömen lässt. Das Axon, auch als Nervenfaser bezeichnet, übernimmt in seiner Funktion als Leiter von elektrischen Signalen eine Vielzahl von essentiellen Aufgaben. Besondere Bedeutung kommt ihm dabei in der Kommunikation zwischen verschiedenen Neuronen zu. Während die Dendriten hauptsächlich eingehende Signale empfangen, ist das Axon für die Ableitung dieser Signale zuständig. Dabei trifft das Axon am anderen Ende des Neurons (am Axonterminal) andere Nervenzellen und überträgt Informationen an sie.

Hier ist ein anschauliches Beispiel: Stell dir ein Neuron als großes Unternehmen vor, das viele verschiedene Informationen empfangen und weiterleiten muss. In diesem Szenario entsprechen die Dendriten den Eingangstüren, durch die Informationen hereinkommen. Innen ist der Zellkörper, der diese Informationen verarbeitet. Der Zusammenhang zwischen Neuron und Axon in biologischer Hinsicht ist eng und fundamental. Ein Neuron ohne ein Axon kann kein effektives Signal an andere Neuronen weitergeben. Es könnte Informationen empfangen, aber nicht senden. Um die Funktion des Axons korrekt im Kontext des gesamten Neurons zu verstehen, ist es wichtig, dessen Struktur, die Mechanismen der Signalgenerierung und -übertragung sowie die atomare Basis dieser Prozesse zu berücksichtigen.

Im Vergleich zu anderen Strukturen eines Neurons nimmt das Axon eine besondere Stellung ein. Die Dendriten des Neurons, die oft als Bäume dargestellt werden, sind Ausläufer, die Signale von anderen Neuronen empfangen und zum Zellkörper leiten. Es ist nicht unüblich, das Axon als das "Sprechrohr" des Neurons zu bezeichnen während die Dendriten oft als "Ohren" des Neurons bezeichnet werden. So gesehen ist das Axon das Kommunikationsinstrument eines Neurons, das es ihm ermöglicht, Botschaften an andere Zellen zu senden - eine einzigartige und zentrale Funktion, die das Axon von anderen Strukturen eines Neurons unterscheidet. Ein Axon ist ein langer, drahtförmiger Fortsatz einer Nervenzelle, der elektrische Impulse von dem Zellkörper zu anderen Zellen leitet. Es besteht aus dem Axonhügel, dem Axonschaft und den Axonenden. Die Länge von Axonen beim Menschen variiert stark, sie können jedoch bis zu einem Meter lang werden. Hüllzellen, auch bekannt als Gliazellen, bilden die Myelinscheide um das Axon herum. Diese Isolation beschleunigt die Weiterleitung von elektrischen Signalen entlang des Axons.

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Wie das Gehirn funktioniert

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 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.

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 Durchblutung 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. Damit keine schädlichen Stoffe aus dem Blut ins Gehirn gelangen, gibt es eine Schranke. Die sogenannte Blut-Hirn-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen dar.

Mögliche 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.
• 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.

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