Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, das wie ein großer Computer arbeitet. Es verarbeitet Sinneseindrücke und Informationen des Körpers und sendet Botschaften in alle Bereiche des Körpers zurück. Doch das Gehirn kann weit mehr als eine Maschine: Mit dem Gehirn denkt und fühlt der Mensch, hier liegen die Wurzeln seiner Intelligenz. Unser Denkorgan ist ungefähr so groß wie zwei geballte Fäuste und wiegt etwa 1,5 Kilogramm. Von außen ähnelt das Gehirn durch Windungen und enge Spalten einer überdimensionalen Walnuss.
Aufbau des Gehirns: Eine anatomische Reise
Das menschliche Gehirn, das komplexeste Organ, das die Natur je hervorgebracht hat, besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die durch ein Vielfaches davon an Kontaktpunkten miteinander verbunden sind. Diese immense Vernetzung verleiht dem Gehirn Fähigkeiten, an die kein Supercomputer bis heute heranreicht.
Das Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
Das Großhirn nimmt etwa 80 Prozent des Gehirnvolumens ein und ist damit der größte Bereich. Es besteht aus zwei Hälften, den sogenannten Hemisphären. Diese sind durch einen Strang aus Nervenfasern, dem Balken, in der Mitte verbunden. Jede Hälfte wird in fünf verschiedene Gehirnlappen unterteilt, die unterschiedliche Funktionen haben. Das Großhirn ist stark gefaltet, wodurch seine Oberfläche noch größer ist. Dadurch sieht es ein bisschen so aus wie eine Walnuss. Die Oberfläche wird Großhirnrinde genannt. Sie ist sehr wichtig, da auf ihr die Zellkörper von Milliarden von Nervenzellen sitzen. Das Großhirn ist so etwas wie die Kommunikationszentrale des Gehirns. Wichtige Funktionen sind die Verarbeitung von Empfindungen, das Lernen, Denken, Verstehen und Erinnern. Auch die Fähigkeit zum Sprechen und das Gedächtnis sind im Großhirn beherbergt.
Zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn befindet sich das Zwischenhirn. Wichtige Bestandteile sind der Thalamus und der Hypothalamus. Aufgabe des Thalamus ist es, Sinneswahrnehmungen zu sammeln und an das Großhirn weiterzuleiten. Im Hypothalamus wird der Hormonhaushalt kontrolliert. Viele Funktionen, wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur, Atmung, Kreislauf und Sexualverhalten, werden durch den Hypothalamus gesteuert. Er ist verbunden mit der Hirnanhangsdrüse, der Hypophyse. Diese Hormondrüse steuert gemeinsam mit dem Hypothalamus die Tätigkeit der meisten Hormondrüsen im Körper.
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Unterhalb des Großhirns befindet sich das Kleinhirn. Es ist ebenfalls in zwei Hemisphären unterteilt. Das Kleinhirn ist für das Gleichgewicht und Bewegungen unseres Körpers verantwortlich.
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.
Das Nachhirn wird auch als verlängertes Rückenmark bezeichnet. Es ist der am weitesten hinten gelegene Teil des Hirnstamms. Es ist für die Kontrolle grundlegender Funktionen wie Blutzirkulation, Herzschlag und Lungenaktivität zuständig.
Die Großhirnrinde: Zentrum höherer geistiger Fähigkeiten
Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende sogenannte Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen.
Die Lappen des Großhirns und ihre Funktionen
Das Großhirn besteht aus einer rechten und einer linken Gehirnhälfte. Beide sind durch ein dickes Bündel aus Nervenfasern verbunden, dem Balken. Jede Gehirnhälfte besteht wiederum aus sechs Bereichen (Lappen) mit unterschiedlichen Funktionen. Das Großhirn kontrolliert Bewegungen und verarbeitet Sinneseindrücke von außen. Hier entstehen bewusste und unbewusste Handlungen und Gefühle. Es ist außerdem für Sprache und Hören, Intelligenz und Gedächtnis verantwortlich.
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Die verschiedenen Anteile der Großhirnrinde übernehmen ganz unterschiedliche Funktionen:
- Okzipitallappen (Hinterhauptlappen): Verarbeitung visueller Reize (Sehen)
- Parietallappen (Scheitellappen): Aufmerksamkeitsprozesse und sensorische Empfindungen (Sehen, Hören, Riechen, Schmecken, Tasten)
- Temporallappen (Schläfenlappen): Verarbeitung akustischer Reize (Hören), Sprachverständnis (Wernicke-Areal)
- Frontallappen (Stirnlappen): Motorik (Bewegung), Sprachproduktion (Broca-Areal), Handlungssteuerung (Präfrontalkortex)
Es ist wichtig zu beachten, dass das Gehirn immer in Netzwerken arbeitet. Eine Schädigung in einem bestimmten Bereich muss nicht zwangsläufig zu einem Ausfall der entsprechenden Funktion führen, da andere Bereiche die Aufgabe übernehmen können.
Spezialisierung der Gehirnhälften
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. Die Hirnrinde der rechten Gehirnhälfte vermittelt dem Gehirn die räumliche Stellung des Körpers - beispielsweise, wo sich der Fuß gerade befindet.
Das Zwischenhirn: Schaltzentrale und Kontrollzentrum
Das Zwischenhirn besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus. Im Thalamus werden Sinneseindrücke verarbeitet; über den Hypothalamus werden der Schlaf-Wach-Rhythmus, Hunger und Durst, das Schmerz- und Temperaturempfinden und der Sexualtrieb gesteuert.
Der Thalamus teilt dem Großhirn unter anderem Sinneseindrücke der Haut, der Augen und der Ohren mit. Der Hypothalamus reguliert zum Beispiel Hunger, Durst und Schlaf und kontrolliert zusammen mit der Hirnanhangdrüse (Hypophyse) den Hormonhaushalt.
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Der Hirnstamm: Verbindung und Steuerung lebenswichtiger Funktionen
Der Hirnstamm schaltet Informationen vom Gehirn zum Kleinhirn und dem Rückenmark um und kontrolliert Bewegungen der Augen sowie die Mimik. Er bildet die Schnittstelle zwischen dem übrigen Gehirn und dem Rückenmark. Aus dem Körper aufsteigende und in den Körper absteigende Informationen leitet er überkreuz weiter, daher ist die rechte Gehirnhälfte für die linke Körperhälfte zuständig und umgekehrt.
Der Hirnstamm ist für die essenziellen Lebensfunktionen zuständig wie die Steuerung der Herzfrequenz, des Blutdrucks und der Atmung. Zudem ist er für wichtige Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- und Husten-Reflex verantwortlich. Auch der Schlaf und die verschiedenen Schlaf- und Traumphasen werden hier kontrolliert.
Innerhalb der Brücke verläuft die Pyramidenbahn - die Verbindung zwischen dem motorischen Kortex und dem Rückenmark, die für willkürlich-motorische Signale (also willkürliche Bewegungen) wichtig ist. Über den Pons werden diese Signale, die von der Großhirnrinde kommen, ins Kleinhirn weitergeleitet.
Der Hirnstamm ist durchzogen von der Formatio reticularis - einer netzartigen Struktur aus Nervenzellen und ihren Fortsätzen. Sie ist an verschiedenen vegetativen Funktionen des Organismus beteiligt, etwa an der Steuerung der Aufmerksamkeit und des Wachheitszustandes. Auch Kreislauf, Atmung und Erbrechen werden hier kontrolliert.
Das Kleinhirn: Koordination und Gleichgewicht
Das Kleinhirn koordiniert unsere Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen. Gemeinsam mit dem Großhirn steuert es die Muskeln und somit die Bewegungen. Außerdem sorgt es ganz wesentlich mit dafür, dass die Muskel-Spannung des Körpers erhalten bleibt. Während das Großhirn vorrangig für bewusste Bewegungen zuständig ist, steuert das Kleinhirn bereits gelernte Bewegungsabläufe. Hier werden bestimmte Bewegungsabfolgen wie Tanzschritte oder das Schalten beim Autofahren gespeichert.
Blutversorgung des Gehirns: Lebensnotwendige Nährstoffe
Das Gehirn muss ständig mit genügend Sauerstoff, Glukose und weiteren Nährstoffen versorgt werden. Deshalb ist es besonders gut durchblutet. Die vordere Hirnarterie (Arteria cerebri anterior) versorgt das Gewebe hinter der Stirn und im Bereich des Scheitels.
Die mittlere Hirnarterie (Arteria cerebri media) ist für die Seite und weiter innen liegende Gehirnbereiche wichtig. Die vordere und die mittlere Hirnarterie zweigen von der inneren Halsschlagader ab.
Die hintere Hirnarterie (Arteria cerebri posterior) versorgt den Hinterkopf und den unteren Bereich des Gehirns sowie das Kleinhirn. Sie wird mit Blut aus den Wirbelarterien gespeist.
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 zwar 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.
Plastizität des Gehirns: Die Fähigkeit zur Anpassung
Eine der wichtigsten Eigenschaften des Gehirns ist seine Lernfähigkeit. Bis vor wenigen Jahren galt unter Wissenschaftlern als ausgemacht: Das Gehirn eines Erwachsenen verändert sich nicht mehr. Heute weiß man jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird. Manche Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann. Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. Anders hätte der Mensch die vielfältigen Herausforderungen, denen er im Laufe eines Lebens begegnet, auch gar nicht bewältigen können.
Lernen findet an den Synapsen statt - also den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. Die Übertragung von Signalen kann aber nicht nur verstärkt oder abgeschwächt werden, sie kann auch überhaupt erst ermöglicht oder völlig gekappt werden. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle.
Seine Plastizität hilft dem Gehirn zudem, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben Forscher herausgefunden, dass das Gehirn so die Schäden nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann.
Forschung am Gehirn: Den Schaltplan entschlüsseln
Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind, untersuchen Wissenschaftler mithilfe der sogenannten Magnetresonanztomografie (MRT). Mit dieser Technik können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden.
Einen exakten Schaltplan des Gehirns lässt sich jedoch mit der MRT-Technik nicht erstellen, dafür ist die Genauigkeit der Methode nicht hoch genug. Schließlich sitzen bis zu 10.000 Synapsen auf einer Nervenzelle, 100 Billionen sind es insgesamt. Dies zeigt, wie dicht das Kommunikationsnetz im Gehirn ist. In diesem Netz können einerseits benachbarte Nervenzellen miteinander verknüpft sein, andererseits auch Zellen, die weit voneinander entfernt sind. Die Wissenschaftler entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln können.
An Max-Planck-Instituten arbeiten sie bereits heute daran, die Prinzipien der Informationsverarbeitung aufzuklären. Derzeit konzentrieren sie sich auf einfacher aufgebaute Gehirne, die weniger Nervenzellen und -fasern besitzen als das Gehirn des Menschen. Mäuse sind ein solcher Modellfall für Neurowissenschaftler. Sie besitzen als Säugetiere ein ähnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch. Noch einfacher aufgebaut und leichter zu untersuchen ist das Gehirn von Zebrafischen und ihrer Larven. So besitzt das Gehirn einer Fischlarve nicht nur lediglich 100.000 Nervenzellen und damit eine Million Mal weniger als das des Menschen, es ist auch noch nahezu völlig transparent. Auch Wirbellose können ein Modell für Neurowissenschaftler sein. Ihre Nervenzellen sind zwar sehr klein, dadurch kann ihre Aktivität nicht so leicht gemessen werden. Dafür lassen sich wegen der vergleichsweise einfacheren Architektur die Prinzipien von Verschaltungen zur Wahrnehmung und Verarbeitung von Umweltreizen analysieren.