Das menschliche Gehirn ist eine faszinierende und komplexe Struktur, die unser Denken, Fühlen und Handeln steuert. Es ist das bei Weitem komplizierteste Gebilde im bekannten Universum. Um seine Funktionsweise zu verstehen, ist es wichtig, seine verschiedenen Bestandteile und deren Aufgaben zu kennen. Dieser Artikel bietet einen detaillierten Überblick über die unterschiedlichen Bereiche des Gehirns, insbesondere das Stammhirn, den Cortex und den Neocortex, und beleuchtet ihre jeweiligen Funktionen und Zusammenhänge.
Das Gehirn: Ein hochaktives Organ
Das Gehirn ist ein höchst aktives Organ mit sehr hohen Energiebedarf. Bei Erwachsenen macht es zwar nur etwa 2 % der Körpermasse aus, benötigt aber in körperlicher Ruhe circa 20 % der Glukose und 25 % des Sauerstoffs. Diese hohe Stoffwechselaktivität unterstreicht die Bedeutung einer kontinuierlichen Energieversorgung für die Aufrechterhaltung der Gehirnfunktionen.
Bei einem plötzlichen Ausfall der Durchblutung, wie beispielsweise bei einem Herzstillstand, stehen dem Gehirn etwa 20 % des zirkulierenden Blutes als Energieversorgung zur Verfügung. Damit kann es noch ca. 10 Sekunden normal weiterarbeiten. Danach wird der Mensch bewusstlos (Synkope). Nach ca. 30 Sekunden ist kein EEG ableitbar. Nach etwa 3 Minuten ist das Absterben erster Gehirnzellen beobachtbar. Nach ca. 10 Minuten ohne Sauerstoff ist das Gehirn irreparabel schwerst geschädigt mit der Gefahr auf Hirntod. Mit dem Tod von Großhirn, Kleinhirn und Hirnstamm sind Wahrnehmung und Bewusstsein sowie lebenswichtige Reflexe erloschen.
Das Gehirn empfängt massenweise Informationen, doch nur ein kleiner Teil davon wird tatsächlich so weit verarbeitet, dass er in unser Bewusstsein gelangt. Erlebtes, über das wir nicht berichten können, ist unbewusst. Das Gehirn umfasst rund 100 Milliarden Zellen. Etwa 10 % davon sind spezialisierte, elektrisch aktive Nervenzellen (Neuronen), die untereinander mit Signalen kommunizieren. Das unterscheidet das Gehirn von allen anderen Organen.
Das Gehirn besteht aus Modulen. Verschiedene Teile erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Die Module stehen untereinander in enger Verbindung und arbeiten stets im Wechselspiel miteinander und dem übrigen Körper. Der Grundbauplan des Gehirns ist genetisch festgelegt. Wie beim ganzen Körper liegt allen Gehirnen dieselbe Anatomie zugrunde, und doch ist jedes einzigartig. Selbst eineiige Zwillinge haben von Geburt an sichtbar unterschiedliche Gehirne, denn das Gehirn ist sehr sensibel für seine Umwelt. Hirngewebe lässt sich wie ein Muskel trainieren, je nachdem, wie vie man es benutzt. Lernt jemand eine Fertigkeit wie Klavierspielen oder Mathematik und übt sie aus, vergrößert sich der damit befasste Teil des Gehirns.
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Das Gehirn ist sehr kompakt. Würde man alle Windungen glatt streichen, entstünde eine Oberfläche von rund 2.300 cm². Zwischen den rund 100 Mrd. Neuronen des Gehirns gibt es mehr potentielle Verbindungen, als es Atome im Universum gibt. Beim Fötus bilden sich 250.000 Neuronen pro Minute. Ein Mensch wird praktisch mit allen Neuronen geboren, doch die neuronale Netzwerke sind noch unreif. Der präfontrale Cortex ist erst mit Ende 20 ausgereift. Je nach Art des Neurons beträgt die Leitungsgeschwindigkeit 1 bis 100 Meter pro Sekunde. Wir nutzen das Gehirn in seiner Gesamtheit. An komplexen Funktionen wie Erinnerung sind viele Areale beteiligt. Man verliert im Alter keine Gehirnzellen, doch lassen manche Funktionen nach. Durch Übung lassen sich bestehende Vernetzungen bewahren und sogar neue bilden. Das Hirngewebe hat keine Schmerzrezeptoren.
Die Hauptstrukturen des Gehirns
Das Gehirn lässt sich grob in drei Hauptstrukturen unterteilen:
- Großhirn (Telencephalon): Der größte Teil des Gehirns, verantwortlich für höhere kognitive Funktionen.
- Kleinhirn (Cerebellum): Wichtig für die Koordination von Bewegungen und das Gleichgewicht.
- Hirnstamm (Truncus cerebri): Der älteste Teil des Gehirns, der lebenswichtige Funktionen steuert.
Das Großhirn (Telencephalon)
Das Großhirn (Telencephalon) ist mit etwa 85 % der gesamten Gehirnmasse der größte Teil des menschlichen Gehirns. Mit seinen rund 100 Mrd. Gehirnzellen bildet es etwa 100 Billionen Synapsen zu anderen Nervenzellen. Das Großhirn ist das Zentrum unseres Bewusstseins und unserer Wahrnehmungen (Sinne, auch Schmerzempfinden). Es fühlt und handelt bewusst.
Das Großhirn besteht aus zwei Hälften, die durch den Balken miteinander verbunden sind. Über den Balken tauschen sich die beiden Gehirnhälften Informationen aus. Die rechte Hirnhälfte ist vor allem für die linke Körperhälfte zuständig und hat eher den Überblick über das Ganze, die linke Hirnhälfte ist für die rechte Körperhälfte zuständig und ist stärker auf Details spezialisiert. Trotzdem werden Aufgaben von beiden Gehirnhälften gemeinsam und gleichzeitig erledigt.
Die Großhirnrinde (Neocortex) ist die äußere Schicht des Großhirns und spielt eine entscheidende Rolle bei höheren kognitiven Funktionen wie Lernen, Denken, Bewusstsein und Gedächtnis.
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Sensorische Felder
Sensorische Felder verarbeiten die von den Sinnesorgane kommenden Informationen. Unter diesen Informationen sind auch Inputs aus unserem Körper. Fehlen äußere Reize, sind die Areale dennoch aktiv: man nimmt an, dass sie dann jene Erlebnisse produzieren, die wir als Träume, Halluzinationen und Imagination kennen. Meist empfangen wir über viele sensorische Felder gleichzeitig Informationen, wie etwas visuelle und auditive Signale bei einem Feuerwerk. Die Signale werden oft an Assoziationsfelder weitergeleitet, die alle Informationen bündeln.
Unimodale Assoziationsareale
An die primären Rindenfelder angrenzend liegen die unimodalen Assoziationstren der Hirnrinde (Kortex). Generell erfolgen dort erste Interpretationen der in den primären Rindenfeldern wahrgenommenen Sinnesreize statt. Die aktuellen Informationen werden mit gespeicherten verglichen und daran ihre Bedeutung erkannt. Innerhalb dieser Areale werden die basalen Sehinformationen in eine umfassende Analyse der visuellen Welt integriert. Der somatosensible Assoziationskortex liegt direkt hinter dem primären somatosensiblen Kortex und der auditorische Assoziationskortex im Bereich des Gyrus temporalis superior.
Multimodale Assoziationsareale
Die multimodalen Assoziationsareale lassen sich keinem bestimmten Primärfeld zuordnen. Sie stehen durch afferente und efferente Verbindungen mit zahlreichen Hirnarealen in Verbindung und verarbeiten Informationen verschiedener sensibler und sensorischer Modalitäten. In diesen Arealen werden sprachliche oder motorische Konzepte entworfen oder Vorstellungen gebildet, die unabhängig von einem direkten sensiblen/sensorischen Input sind.
Das Kleinhirn (Cerebellum)
Das Kleinhirn (Cerebellum) ist mit etwa 12 % der gesamten Gehirnmasse nach dem Großhirn der zweitgrößte Teil des Gehirns. Wie das Großhirn weist es etwa 100 Mrd. Nervenzellen auf. Es ist vielfach mehr gefaltet als das Großhirn und kommt damit trotz dem 1/8 an Größe des Großhirns auf die gleiche Oberfläche wie das Großhirn. Die bekannten Aufgaben des Kleinhirns bestehen darin, den Körper im Gleichgewicht zu halten und die Bewegungen zu koordinieren. Im Kleinhirn lernen wir alle unsere motorischen Abläufe, gehen, balancieren, tanzen, auf der Tastatur blind tippen.
Bei bewussten Bewegungsabläufen koordiniert das Kleinhirn die Informationen der Sinnesorgane mit der Muskeln. Ohne diese Tätigkeit würde unser Arm beim Ergreifen von Gegenständen ruckartige Bewegungen ausführen und meist das Ziel verfehlen. So aber erfolgt ein beständiger Soll-Ist-Vergleich, d.h. automatische Bewegungsabläufe Das Kleinhirn speichert auch automatische Bewegungsabläufe.
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Der Hirnstamm (Truncus cerebri)
Der Hirnstamm (Truncus cerebri) ist der entwicklungsgeschichtlich älteste Teil des Gehirns. Er regelt die essenziellen Lebensfunktionen. Fällt der Hirnstamm völlig aus, so tritt der Herzstillstand binnen weniger Minuten ein. Durch den Hirnstamm kommen und gehen alle vom und zum Rückenmark verlaufenden Informationen. Der Hirnstamm ist zuständig für die Atmung und nimmt Einfluss auf das Herz.
Der Hirnstamm besteht aus drei Hauptteilen:
- Mittelhirn (Mesencephalon): Steuert die meisten Augenmuskeln.
- Brücke (Pons): Verbindet das Kleinhirn mit dem Großhirn und dem Rückenmark.
- Verlängertes Mark (Medulla oblongata): Reguliert Blutdruck, Herzfrequenz, Atmung und verschiedene Reflexe.
Mittelhirn
Zum Mittelhirn gehören Großhirnschenkel (Crura cerebri), Mittelhirnhaube (Tegmentum mesencephali) und Mittelhirndach (Tectum mesencephali). Das Mittelhirn steuert die meisten Augenmuskeln: die Bewegung der Augen, die Irismuskulatur ("Blende") und die Zillarmuskeln ("Fokusierung").
Verlängertes Mark
Das verlängerte Mark ist die Schnittstelle zum Rückenmark und wird daher auch als "Nachhirn" bezeichnet. Es reguliert den Blutdruck, die Herzfrequenz, die Atmung und verschiedene Reflexe (Nies-, Saug-, Husten-, Schluck- und Lidschlussreflex) sowie des Erbrechens. Es reguliert auch den Säure-Basen-Haushalt des Körpers. Über 12 Paar Hirnnerven steht es in Verbindung mit Sinnesorganen, Muskulatur und Drüsen im Kopf. Ein Ausfall des verlängerten Marks führt meistens zum Tod.
Das Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn (Diencephalon) umschließt den 3. Hirnventrikel. Es erfüllt zahlreiche lebenswichtige Lebensvorgänge. Als vegetatives Zentrum steuert es alle wichtigen Stoffwechselvorgänge wie Wärme- und Wasserhaushalt, Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinstoffwechsel, zentralnervöse Regulierung des Vasomotorenapparates (Änderung des Blutdrucks, Kollaps) der blutbildenden Organe und der Schweißsekretion, außerdem mehrere, dem extrapyramidalmotorischen System zugehörige Kerne. Das Zwischenhirn-Hypophysen-System beeinflusst alle wichtigen Stoffwechselfunktionen sowie die Gonaden.
Zum Zwischenhirn gehören:
- Thalamus: Er wird oft als "Tor zum Bewusstsein" bezeichnet, denn er leitet die für das Bewusstsein wichtigen Informationen oder auch Anfragen an die Großhirnrinde weiter.
- Hypothalamus: Er regelt alle wichtige Grundfunktionen unseres Körpers: Wach-Schlaf-Rhythmus, Hunger- und Durstgefühl, Flüssigkeits-, Wärme- und Hormonhaushalt.
- Epiphyse (Zirbeldrüse)
- Subthalamus
Das limbische System
Das limbische System ist für die Entstehung und Verarbeitung von Emotionen zuständig. Es ist ein faszinierendes und komplexes Netzwerk tief in unserem Gehirn verankert, spielt eine entscheidende Rolle in der Steuerung und Verarbeitung unserer emotionalen Reaktionen, Lernprozesse und der Bildung von Erinnerungen. Das limbische System wird als ein ausgedehntes Netzwerk von größeren und kleineren Hirngebieten beschrieben. Es ist für emotional-affektiven Handeln in Verbindung mit Vorstellungen, Gedächtnisleistungen, Bewertung, Auswahl und Steuerung von Handlungen und für elementare Funktionen wie Emotionen, Nahrungsaufnahme und Fortpflanzung verantwortlich.
Die Hauptakteure in diesem inneren Drama sind der Hippocampus, die Amygdala, der Thalamus und der Hypothalamus, um nur einige zu nennen. Die Amygdala, oft als Zentrum unserer emotionalen Verarbeitung angesehen, spielt eine Schlüsselrolle bei der Bewertung und Reaktion auf emotionale Stimuli, insbesondere bei Angst und Freude. Der Hippocampus hingegen ist entscheidend für die Bildung neuer Erinnerungen. Ohne ihn könnten wir keine neuen Informationen speichern oder lernen.
Das limbische System ist jedoch nicht nur für unsere inneren emotionalen Zustände verantwortlich. Es spielt auch eine entscheidende Rolle beim sozialen Lernen und bei der Entwicklung von Empathie. Indem es uns ermöglicht, Freude, Trauer oder Angst zu empfinden und zu verstehen, bildet es die Grundlage für zwischenmenschliche Beziehungen und soziale Bindungen. Die Bedeutung des limbischen Systems geht weit über die einfache Verarbeitung von Emotionen hinaus. Es ist zentral für unsere Fähigkeit, zu lernen und sich zu erinnern. Jedes Mal, wenn wir eine neue Fertigkeit erlernen oder uns an eine vergangene Erfahrung erinnern, spielt das limbische System eine Rolle. Es hilft uns, Wissen zu konsolidieren und aus Erfahrungen zu lernen, indem es emotionale Gewichtung zu unseren Erinnerungen hinzufügt.
Strukturen des limbischen Systems
Zu den wichtigsten Strukturen des limbischen Systems gehören:
- Amygdala (Mandelkern): Spielt eine zentrale Rolle bei der Verarbeitung von Emotionen, insbesondere Angst und Furcht.
- Hippocampus (Seepferdchen): Entscheidend für die Bildung neuer Erinnerungen und die räumliche Orientierung.
- Thalamus: Zentrale Schaltstelle für sensorische Informationen.
- Hypothalamus: Reguliert lebenswichtige Körperfunktionen und Verhaltensweisen.
- Gyrus Cinguli: Er ist für unsere Konzentration, Aufmerksamkeit und Schmerzverarbeitung zuständig.
Der Neocortex: Sitz der höheren kognitiven Funktionen
Die 2-5 mm dicke Großhirnrinde (Neocortex) besteht aus rund 19 Mrd. Nervenzellen bei der Frau, rund 23 Mrd. Nervenzellen beim Mann. In ihr läuft unser Lernen und Denken ab, sowie das Bewusstsein und das Gedächtnis. Der Neocortex ist der jüngste Teil des Gehirns und für höhere kognitive Funktionen wie Sprache, abstraktes Denken, Planung und Entscheidungsfindung verantwortlich. Er ist stark gefaltet, um eine große Oberfläche auf kleinem Raum unterzubringen. Die Großhirnrinde (Neocortex) ist die äußere Schicht des Großhirns und spielt eine entscheidende Rolle bei höheren kognitiven Funktionen wie Lernen, Denken, Bewusstsein und Gedächtnis.
Der Neocortex lässt sich in verschiedene Bereiche unterteilen, die jeweils spezialisierte Funktionen haben:
- Frontallappen: Verantwortlich für Planung, Entscheidungsfindung, Arbeitsgedächtnis und Persönlichkeit.
- Parietallappen: Verarbeitung sensorischer Informationen, räumliche Wahrnehmung und Navigation.
- Temporallappen: Verarbeitung auditiver Informationen, Gedächtnis und Spracherkennung.
- Okzipitallappen: Verarbeitung visueller Informationen.
Zusammenspiel der Gehirnstrukturen
Obwohl die Aufgaben des Gehirns getrennt betrachtet werden können, spielen sie doch meist sehr eng zusammen. Wahrnehmung ist die Summe aller Sinneswahrnehmung. Die Informationen aus der Umwelt gelangen über die verschiedenen Sinnesorgane ins Gehirn. Dort werden sie in spezifische, sogenannte primäre sensorische Felder (Areale) geleitet. Unter diesen Informationen sind auch Inputs aus unserem Körper. Fehlen äußere Reize, sind die Areale dennoch aktiv: man nimmt an, dass sie dann jene Erlebnisse produzieren, die wir als Träume, Halluzinationen und Imagination kennen. Meist empfangen wir über viele sensorische Felder gleichzeitig Informationen, wie etwas visuelle und auditive Signale bei einem Feuerwerk. Die Signale werden oft an Assoziationsfelder weitergeleitet, die alle Informationen bündeln.
Bestimmte Hirnareale sind darauf spezialisiert, Bewegungen auszulösen. Module des Hirnstamms steuern automatisch innere Vorgänge wie die Atembewegungen von Lunge und Brustkorb, Herzschlag und die Verengung oder Erweiterung der Blutgefäße zur Regelung des Blutdrucks. Das Gehirn nutzt Sinneseindrücke, Wahrnehmungen und Emotionen, um Handlungen zu planen. Manchmal kommt es dabei zu interner Gehirnaktivität, zu Gedanken. Die innere Verbalisierung entsteht in den motorischen Arealen, ohne äußerlich sichtbar zu sein.
Sprache bedeutet, selbst zu sprechen (Sprachproduktion) als auch zu analysieren, was andere sagen, um dessen Bedeutung zu erfassen. Dem zugrunde liegt die Fähigkeit des Gehirns, Objekte mit abstrakten Symbolen (Wörtern, Zeichen, Gedanken) zu verbinden und diese anderen Menschen mit Worten zu vermitteln. Bestimmte Reize, aber auch Gedanken und Vorstellungen, aktivieren das limbische System, besonders die Amygdala, und rufen körperliche Veränderungen hervor. Bewusste Gefühle entstehen, wenn das libische System Signale an Assoziationsfelder im präfrontalen Cortex sendet, die zum Bewusstsein beitragen. Einiges von dem, was wir erleben, verändert Neuronen nachhaltig, sodass die vom ursprünglich Erlebten bewirkte neuronale Aktivität später wieder abrufbar sind.
Emotionen und das Gehirn
Emotionen beeinflussen ein Trauma.Gefühle und Emotionen sind das Ergebnis einer langen Kette von Reaktionen in unserem Körper, die noch lange nicht erforscht sind. Aber irgendwie / irgendwo / irgendwann müssen Sie ja mal beginnen…Am Anfang beginnt alles mit einem Reflex / einer Valenz / einem Handlungsimpuls oder einem Handlungsangebot… Aber woraus besteht dann das alles, z.B. das, was wir Intelligenz nennen?
Antonio Damasio (Jahrgang 1944) ist ein Neurowissenschaftler aus Portugal, der sich Zeit seines Lebens gemeinsam mit seiner Frau Hanna mit dem Bewusstsein und dem Werden eines Bewusstseins auseinandergesetzt hat. Im Gegensatz zu der Meinung von Rene Descartes - einem französischen Philosophen und Naturwissenschaftler (1596-1650) - vertritt Damasio die Auffassung, dass eine Trennung zwischen Körper und Geist (wir nennen dies den Dualismus) nicht möglich ist. Es gibt einen nicht zu leugnenden Zusammenhang zwischen Körper und Geist und damit haben wir nun auch die zentrale Entstehung von Emotionen im Visier: das Emotionen nicht zwischen Geist und Körper getrennt entstehen können. Am deutlichsten hat Damasio dies mit seiner Theorie des somatischen Markers beschrieben. Dieser Begriff des „somatischen Markers“ bedeutet, dass im Soma - dem stofflichen Körper - immer eine ganz spezielle Verknüpfung bleibt, die durch frühe Erfahrungen in Erinnerung entstehen.Diese Verknüpfung wird im ventromedialen präfrontalen Cortex gespeichert und liefert ein unschlagbaren Geschwindigkeitsvorteil für Entscheidungen im Alltag.
Diese Marker im ventromedialen präfrontalen Kortex (VMPFC) lösen dann - bei ähnlichen Situationen /Assoziationen / Aktivitäten in der Amygdala einen Alarm aus, was dann wiederum eine Aktivität im Hypothalamus, im limbischen System und im Hirnstamm bewirkt.Wenn wir die Frage besprechen: „Wie entstehen Emotionen?“ dann müssen wir den Begriff Emotion und Gefühle voneinander abgrenzen. Damasio erklärt dies folgendermaßen: Emotionen können zum einen fest angeborene Reaktionen sein, die in unserem Kortex ausgelöst werden. Andererseits können sie aber auch auf den persönlichen Erfahrungen beruhen (wir sprechen hier von einer Konditionierung).
Evolutionäre Aspekte des Gehirns
Eine primitive Nervenzelle ist bereits vor etwa 650-543 Millionen Jahren entstanden, im Präkambrium. Hohltiere (Coelenterata) hatten schon damals ein diffuses Nervennetzwerk mit echten Neuronen und Synapsen. Von Anfang an verwendeten diese Nervenzellen chemische Botenstoffe, deren schrittweise molekulare Evolution sich bis zu den eng verwandten chemischen Botenstoffen in unserem Gehirn nachverfolgen lassen. Das bei den Forschern beliebteste Hohltier ist der kleine Polyp Hydra, der insgesamt nur 100.000 Zellen besitzt. Bei Hydra gibt es schon eine Verdichtung des Nervennetzwerks im Kopf und im Fuß, was als ein erster evolutionärer Ansatz zur Entstehung des Gehirns und Rückenmmarks gesehen werden kann.
Charles Darwin schrieb im Jahr 1871 in "Die Abstammung des Menschen": "Niemand, denke ich, zweifelt daran, dass im Verhältnis zu seinem Körper die bedeutende Größe des Gehirns des Menschen verglichen mit den Verhältnissen beim Gorilla oder Orang, in enger Beziehung zu seinen höheren geistigen Kräften steht.
Die Bedeutung der Durchblutung des Gehirns
Unser Gehirn benötigt für seine Durchblutung ca. 15% des Herzzeitvolumens. Das sind anders ausgedrückt 1,2 Liter Blut pro Minute oder 60-80 ml pro Minute pro 100 g Hirngewebe. Kommt es zu einem Engpass der Durchblutung, so treten ab 20 ml/100 g/min neurologische Funktionsstörungen auf. Unser Gehirn macht nur ca. 2% der Körpermasse aus, benötigt jedoch zur Aufrechterhaltung seiner Funktionen bei körperlicher Ruhe ca. 20% des zirkulierenden Blutes. Hieraus errechnet sich ein Bedarf von etwa 55 ml pro 100 g Gehirngewebe pro Minute. Sinkt die Durchblutung auf unter 40 ml pro 100 g pro Minute, kommt es zu schrittweisen Verlusten der Hirnfunktionen, bei unter 15 ml pro 100 g pro Minute ist die kritische Grenze des Strukturstoffwechsels unterschritten. Die Gehirnzellen können nicht mehr ihre Zellmembranstruktur aufrecht erhalten. Durch das Gehirn strömen pro Minute etwa 750-1.000 ml Blut. Etwa 350 ml fließen durch jede A. carotis interna und 100-200 ml.