Unser Gehirn, das komplexeste Organ des menschlichen Körpers, fasziniert die Wissenschaft seit Jahrhunderten. Eine der grundlegendsten Fragen, die sich in diesem Zusammenhang stellt, ist die nach der Anzahl der Gehirnzellen. In diesem Artikel werden wir uns eingehend mit dieser Frage auseinandersetzen, aktuelle Forschungsergebnisse präsentieren und die Bedeutung dieser Erkenntnisse für unser Verständnis des Gehirns beleuchten.
Was ist das Gehirn?
Das Gehirn (Encephalon) ist der Teil des zentralen Nervensystems, der innerhalb des knöchernen Schädels liegt und diesen ausfüllt. Es besteht aus unzähligen Nervenzellen, die über zuführende und wegführende Nervenbahnen mit dem Organismus verbunden sind und ihn steuern. Das Gehirnvolumen beträgt etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse, und sein Gewicht macht mit 1,5 bis zwei Kilogramm ungefähr drei Prozent des Körpergewichts aus.
Die Anzahl der Gehirnzellen: Eine historische Perspektive
Lange Zeit wurde in Fachartikeln und Vorlesungen die Annahme verbreitet, dass unser Gehirn aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen besteht. Diese Zahl hat sich jedoch im Laufe der Zeit als veraltet herausgestellt. Prof. Dr. Leo Peichl vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung erklärt, dass diese Annahme überholt ist und es in der Wissenschaftswelt manchmal etwas dauert, bis sich neue Erkenntnisse herumsprechen.
Die aktuelle Schätzung: 86 Milliarden Nervenzellen
Die brasilianische Neurowissenschaftlerin Suzana Herculano-Houzel hat mit Kollegen eine genauere Zahl ermittelt und 2009 ihr Ergebnis veröffentlicht. Ihre Untersuchung ergab, dass das menschliche Gehirn tatsächlich etwa 86 Milliarden Nervenzellen enthält. Diese Zahl basiert auf einer weitaus genaueren Methode als frühere Berechnungen.
Die Methode von Herculano-Houzel
Herculano-Houzel und ihr Team entnahmen Gehirne von Männerleichen und homogenisierten diese. Dadurch wurden sämtliche Hirnstrukturen gleichmäßig miteinander verquirlt, sodass die entnommenen Proben über eine durchschnittliche Verteilung von Zellen und Zelldichten verfügten und damit repräsentativ für das gesamte Gehirn waren. Die in den Proben gewonnenen Zellzahlen mussten dann nur noch aufs gesamte Hirnvolumen hochgerechnet werden.
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Kritik an früheren Methoden
Bei früheren Untersuchungen wurden die Hirnareale nicht vermischt. Stattdessen wurden von jedem Areal, ob Cerebellum oder Cortex, kleine Schnitte entnommen und dort die Zellzahlen ermittelt. Diese wurden auf das Gesamtvolumen des jeweiligen Areals hochgerechnet und mit den Ergebnissen aus den anderen Arealen addiert. Diese Methode ist jedoch weniger genau, weil die Zelldichte innerhalb jedes Hirnareals variiert. Wenn man aus einer derart uneinheitlichen Struktur willkürlich Schnitte entnimmt, sind die errechneten Werte also nicht repräsentativ. Es wird vermutet, dass die Zahl von 100 Milliarden Nervenzellen auf diese Weise zustande gekommen ist, wobei bis heute nicht bekannt ist, auf welchen Forscher sie zurückgeht.
Gehirnzellen: Mehr als nur Nervenzellen
Es ist wichtig zu beachten, dass die 86 Milliarden Zellen im Gehirn nicht ausschließlich Nervenzellen (Neuronen) sind. Die Nervenzellen sind eingebettet in ein stützendes Gewebe aus Gliazellen. Diese Gliazellen haben wichtige Aufgaben im Gehirn, wie z.B. die Unterstützung und Ernährung der Nervenzellen.
Die Rolle der Gliazellen
Gliazellen sind ein wichtiger Bestandteil des Gehirns und spielen eine entscheidende Rolle für dessen Funktion. Sie unterstützen die Nervenzellen, indem sie ihnen Nährstoffe zuführen, sie vor schädlichen Substanzen schützen und ihnen helfen, miteinander zu kommunizieren.
Aufbau des Gehirns: Fünf Hauptabschnitte
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
- Großhirn (Telencephalon): Der größte und schwerste Teil des Gehirns, der für höhere kognitive Funktionen wie Sprache, Denken und Gedächtnis verantwortlich ist.
- Zwischenhirn (Diencephalon): Besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus und ist an der Verarbeitung von Sinnesinformationen, der Steuerung des Schlaf-Wach-Rhythmus und der Regulation von Hunger und Durst beteiligt.
- Mittelhirn (Mesencephalon): Ein kleiner Abschnitt des Gehirns, der für die Steuerung von Augenbewegungen und die Verarbeitung von akustischen und visuellen Reizen zuständig ist.
- Kleinhirn (Cerebellum): Koordiniert Bewegungen und das Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungen.
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata): Stellt den Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark dar und ist für die Steuerung lebenswichtiger Funktionen wie Atmung und Herzfrequenz verantwortlich.
Graue und weiße Substanz
Das Gehirn besteht aus grauer und weißer Substanz. Die graue Substanz besteht in erster Linie aus Nervenzellkörpern und ist für die Verarbeitung von Informationen zuständig. Die weiße Substanz besteht aus den Nervenzellfortsätzen (Axonen) und dient der Weiterleitung von Informationen zwischen den verschiedenen Hirnarealen.
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Blutversorgung des Gehirns: Eine wichtige Voraussetzung für die Funktion
Das Gehirn benötigt eine ständige und ausreichende Blutversorgung, um seine Funktion aufrechtzuerhalten. Etwa 15 bis 20 Prozent des Herzminutenvolumens entfallen auf die Blutversorgung des Gehirns. Die Blutversorgung erfolgt über die rechte und linke innere Halsschlagader (Arteria carotis interna) und über die Arteria vertebralis. Ein Gefäßring (Circulus arteriosus cerebri) stellt sicher, dass der Blutbedarf des Gehirns auch bei Schwankungen in der Blutzufuhr immer ausreichend ist.
Die 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 des Gehirns: Ein Viertel des Gesamtbedarfs
Der Energieverbrauch des Gehirns 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 Funktionen des Gehirns: Vielfältig und komplex
Die Gehirn-Funktionsbereiche sind vielfältig. Der Hirnstamm ist für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig, das Zwischenhirn verarbeitet Sinneseindrücke und steuert den Schlaf-Wach-Rhythmus, das Kleinhirn koordiniert Bewegungen und das Großhirn ist für höhere kognitive Funktionen wie Sprache, Denken und Gedächtnis verantwortlich.
Das limbische System
Das limbische System regelt das Affekt- und Triebverhalten und dessen Verknüpfungen mit vegetativen Organfunktionen. Zwei wichtige Teilbereiche innerhalb des limbischen Systems sind die Amygdala (Mandelkern) und der Hippocampus. Die Amygdala ist für die Verarbeitung von Emotionen zuständig, während der Hippocampus eine wichtige Rolle für das Gedächtnis spielt.
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Wie funktioniert das Gehirn? Ein Netzwerk aus Nervenzellen
Das Gehirn ist ein Netzwerk aus Milliarden von Nervenzellen (Neuronen), die durch Synapsen miteinander verbunden sind. Informationen aus dem Körper oder der Umwelt gelangen 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.
Die Lernfähigkeit des Gehirns: Synaptische Plastizität
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. 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. Stärkung und Schwächung, Auf- und Abbau - die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Etwas vereinfacht könnte man sich also vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert - und abgeschwächt wird, wenn es vergisst. Ohne die Plastizität würde dem Gehirn folglich etwas Fundamentales fehlen: seine Lernfähigkeit.
Neue Erkenntnisse durch den Hirnzellenatlas
Dank eines riesigen Forschungsprojekts können Wissenschaftler nun mehr als 3000 Zelltypen im Gehirn unterscheiden. Ein Forscher spricht von »einer neuen Ära in der Hirnforschung«. Mehrere Forscherteams haben zusammen den bislang umfangreichsten Zellatlas des menschlichen Gehirns erstellt und unter anderem mehr als 3000 Typen von Hirnzellen ermittelt. Sie untersuchten etwa, wie Nervenzellen im Gehirn in ihren Funktionen voneinander abweichen. Ein Team um Kimberly Siletti vom Karolinska-Institut in Stockholm untersuchte Gewebe aus 14 menschlichen Gehirnen. Die Wissenschaftler klärten mit einer neuen Methode auf, welche RNA-Abfolgen in den einzelnen Hirnzellen vorhanden waren. RNA (Ribonukleinsäure) dient unter anderem als Überträger der Information aus dem Erbgut, um Proteine herzustellen. Je nach den Aufgaben von Zellen unterscheiden sich die RNA-Sequenzen in ihnen, woraus die Forscher 3313 verschiedene Typen von Zellen ableiten konnten. Der Datensatz für diese Arbeit umfasste mehr als drei Millionen Gehirnzellen. In zwei weiteren Studien untersuchten ein Team um Yang Li von der University of California und eines um Wei Tian vom Salk Institute for Biological Studies die Epigenetik einzelner Gehirnzellen. Epigenetische Mechanismen bestimmen, wie oft welches Gen in einer Zelle aus dem Erbgut abgerufen wird. Die Epigenetik wird auch von der Umwelt, von Ernährung und Alterung beeinflusst. Aus diesen Studien zusammengenommen, ist ein Hirnzellenatlas entstanden, der einzelne Hirnzelltypen charakterisiert und sie einzelnen Gehirnregionen zuordnet. Der Atlas ist für alle Wissenschaftler frei zugänglich.»Dies ist wirklich der Beginn einer neuen Ära in der Hirnforschung, in der wir besser verstehen können, wie sich Gehirne entwickeln, wie sie altern und von Krankheiten in Mitleidenschaft gezogen werden«, sagte Joseph Ecker vom Salk Institute, der an mehreren der Studien beteiligt war. Die Aktivitäten für den Hirnzellenatlas sind im Projekt BICCN (Brain Initiative Cell Census Network) gebündelt. BICCN erlaubt nun auch, weitere Erkenntnisse über das menschliche Gehirn zu gewinnen, etwa darüber, wie sich die Gehirne von Menschen und von Affen unterscheiden.
Fortschritte in der Humanmedizin
Doch es geht den Forschern auch um Fortschritte in der Humanmedizin: »Die Kartierung der verschiedenen Zelltypen im Gehirn und das Verständnis ihrer Zusammenarbeit werden uns letztendlich dabei helfen, neue Therapien zu entdecken, die auf einzelne Zelltypen abzielen, die für bestimmte Krankheiten relevant sind«, sagt Bing Ren von der University of California. Ren ist der Seniorautor der Studie von Li und Kollegen. Die Wissenschaftler konnten molekularbiologische Aspekte von 107 verschiedenen Subtypen von Gehirnzellen mit einem breiten Spektrum neuropsychiatrischer Erkrankungen in Verbindung bringen, darunter waren Schizophrenie, bipolare Störung, Alzheimer-Krankheit und schwere Depression.Weitere Forschungsarbeiten betrafen die Entwicklung des menschlichen Gehirns vom frühen Embryonalstadium an. Diese Forschung brachte dem Team von Sten Linnarsson vom schwedischen Karolinska Institut auch neue Erkenntnisse über das Glioblastom, einen der aggressivsten Hirntumoren. Demnach ähneln die Tumorzellen unreifen Stammzellen, die versuchen, ein Gehirn zu bilden, allerdings auf völlig unorganisierte Weise.
Die Bedeutung der Anzahl der Gehirnzellen: Intelligenz und mehr
Es ist wichtig zu beachten, dass die reine Anzahl der Nervenzellen nicht unbedingt etwas über die Intelligenz aussagt. Denn es kommt stark auf die jeweiligen Aufgaben der Zellen an. Manche Tiere haben einen sehr guten Geruchssinn oder viele Sinneszellen auf der Haut oder an den Pfoten. Das spiegelt sich im Kopf wider: Bei Mäusen scheint das halbe Gehirn aus dem Geruchssystem zu bestehen. Dort gibt es also sehr viele Nervenzellen, die aber nicht direkt etwas mit Intelligenz zu tun haben. Bei uns Menschen nimmt der Geruchssinn dafür nur einen winzigen Teil des Gehirns ein. Letztendlich ist die reine Anzahl der Nervenzellen also nicht so wichtig, sondern vielmehr die Frage, wofür sie genutzt werden.
Gehirntraining: Die Neurogenese unterstützen
Ein zielgerichtetes und wissenschaftliches Gehirntraining kann die Bildung neuer Gehirnzellen unterstützen. Dabei ist es wichtig, dass es abwechslungsreich, motivierend, umfassend, personalisiert und zukunftsorientiert konzipiert ist. Durch die Bildung neuer Gehirnzellen und eine erweiterte Arbeitsgedächtniskapazität verbessern Sie Fähigkeiten wie etwa:
- Die Konzentrationsfähigkeit und Aufmerksamkeit
- Das Lernen
- Das Zahlen- und Sprachverständnis
- Das Denkvermögen
- Die Merkfähigkeit
- Das logische Denken
Die Kapazität des Gehirns: Eine Schätzung
Die Kapazität des Gehirns ist deutlich größer als die, die wir im Alltag tatsächlich nutzen. Das bedeutet: Ein Großteil unserer Gehirnkapazität ist ungenutzt. Man kann allenfalls eine untere Grenze angeben, die sich vielleicht bei 1.000 Gigabyte bewegt. Aber auch diese Angabe ist im Grunde eine ziemlich willkürliche Schätzung. Das Problem ist, dass das Gehirn Information deutlich anders verarbeitet als ein Computer. Computer und Festplatten werden von Menschen gebaut, die einen Plan haben und wissen, wie viele Schaltkreise sie verbauen und somit auch, wie viel Speicherkapazität das Gerät am Ende hat. Gehirne dagegen werden nicht gebaut, sondern sie wachsen organisch. Die Computer funktionieren streng digital und die Elementarbausteine arbeiten binär, d.h. nach dem Prinzip 0 oder 1: Strom fließt oder Strom fließt nicht. Beim Gehirn ist das viel komplizierter. Das Gehirn besteht größenordnungsmäßig aus 100 Milliarden bis einer Billion Nervenzellen. Aber die Information steckt ja nicht in den einzelnen Zellen, sondern in den Synapsen, d.h. in den Verbindungen zwischen den Nervenzellen. Man sagt, dass jede einzelne Gehirnzelle im Schnitt 1.000 bis 10.000 Verbindungen zu anderen Nervenzellen hat. Anders als bei Computerschaltkreisen gilt hier nicht das Prinzip: Strom fließt oder fließt nicht bzw. Nervenzelle feuert oder feuert nicht. Vielmehr ist hier die Aktivität abgestuft; die Nervenzellen können in verschiedenen Intensitäten feuern. Das nächste Problem ist, dass nicht jede Aktivität im Gehirn bedeutet, das Information gespeichert wird - ein Großteil der Aktivität dient ja einfach nur dazu, Reize zu filtern, zu verarbeiten. Technisch gesprochen kann man sagen: Anders als beim Computer ist beim Gehirn nicht so klar, wie viel Leistung in den "Prozessor" geht - also in die Verarbeitung von Information - und wie viel wirklich in die Informationsspeicherung. Schließlich verarbeiten wir eine Menge Information, die wir gleich wieder vergessen, die also nicht mal ins Kurzzeitgedächtnis geht. Ganz abgesehen davon können die Hirnforscher immer noch nicht sagen, wie das Gedächtnis genau arbeitet, was genau im Gehirn passiert, wenn ich ein Gesicht erkenne oder mir wieder einfällt, wie die Hauptstadt von Botswana heißt. Werden da einfach eine bestimmte Menge an Synapsen aktiv oder liegen Gedächtnisinhalte auch in Form chemischer Verbindungen vor? Und auf wie viel Informationen greife ich wirklich zurück, wenn mir die Antwort auf eine Frage einfällt?