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Das Gehirn

Skripte
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Aufbau und Funktion des Gehirns

Abb. 1: Wir glauben zwar er war dumm, aber er hatte
ordentlich Köpfchen: Der Neandertaler (hier zum Nachweis).
Abb. 1: Wir glauben zwar er war dumm, aber er hatte ordentlich Köpfchen: Der Neandertaler (hier zum Nachweis).
Das Gehirn ist das zentrale Steuerorgan in unserem Kopf und seine Aufgaben sind mannigfaltig. Die Masse des Gehirns beträgt beim Mann bis zu $1\,375\,\text{g}$, bei Frauen ist es mit $1\,245\,\text{g}$ durchschnittlich etwas leichter. Doch begehe jetzt nicht den Fehler, den schon Paul Julius Möbius in seinem Essay „Über den physiologischen Schwachsinn des Weibes“ $1900$ gemacht hat, und glaube, dass Männer intelligenter wären als Frauen. Der Neandertaler, der als geistig weniger begabt als viele moderne Menschen gilt, hatte ein Gehirn, das mit ca. $1\,500\,\text{g}$ noch einmal schwerer war als ein männliches Gehirn von heute. Die bloße Masse hat nicht zu viel über das Denkvermögen des Besitzers zu sagen. Das wirst du auch noch später im Kaptiel über Fehlfunktionen im Gehirn sehen.
In diesem Abschnitt wollen wir von oben in unser Gehirn eintauchen und uns die verschiedenen Bestandteile unseres Gehirns mit ihren Funktionen anschauen.

Der Schädel

Der Schädel ist jener Knochen, der das Gehirn als solches umgibt. Er gehört nicht direkt zum Gehirn dazu, übernimmt jedoch die wichtige Funktion dieses zu schützen. Er setzt sich aus mehreren Teilen zusammen:
  • Der Frontalplatte
  • Der Parientalplatte
  • Der Ocipitalplatte
  • Der Temporalplatte
Abb. 2: Die Seitenansicht und der Aufbau des Schädels.
Abb. 2: Die Seitenansicht und der Aufbau des Schädels.
Wir wollen hierfür nur die Teilbereiche des Schädels betrachten, die für den Schutz des Gehirns zuständig sind. Es gibt noch weitere Teile, die jedoch nicht in erster Linie unsere grauen Zellen abschirmen.
Dass sich der Schädel in mehrere Teilbereiche gliedert, haben wir unserer Entwicklung zu verdanken. Bei unserer Geburt ist unser Schädel nämlich noch kein miteinander verschmolzener Knochen, sondern besteht aus vielen kleineren Knochenplatten. Dies macht das Gehirn zwar verwundbarer, ermöglicht dem Baby aber unbeschadet aus dem Geburtskanal seiner Mutter zu kommen. Wäre der Schädel bereits hier massiv, dann könnte das Baby nur schwer geboren werden. Erst im Verlauf seiner Entwicklung wächst der Schädel eines Kleinkindes zusammen.

Die Hirnhäute

Die Hirnhäute, insgesamt drei, bedecken unser Gehirn. Man kann sie unterteilen in:
  • Die harte Hirnhaut (Dura mater): Welche sich noch einmal in ein äußeres und ein inneres Blatt aufteilt. Sie ähnelt der Knochenhaut und dient hauptsächlich der mechanischen Stabilität und der Abgrenzung des Gehirns bzw. der einzelnen Gehirnareale. Sie ist von mehreren Venen durchzogen.
  • Die Spinnwebenhaut (Arachnoidea): Liegt auf der inneren Seite der harten Hirnhaut und ist für die Sauerstoffversorgung des Gehirns zuständig. Sie zapft die Venen der harten Hiernhaut an mehreren Stellen an.
  • Die weiche Hirnhaut (Pia mater): Besteht aus weichem Bindegewebe und ist wahrscheinlich für die Nährstoffversorgung aus der Gehirnflüssigkeit verantwortlich. Sie hat auch stützende Funktion.

Die Gehirnflüssigkeit

Die Gehirnflüssigkeit ist ein weiterer mechanischer Schutz unseres Gehirns. Sie polstert das Gehirn ab. Ob sie ebenfalls zuständig ist, das Gehirn mit Nährstoffen zu versorgen, wird noch untersucht. Die Gehirnflüssigkeit wird aus dem Blut gewonnen. Sie enthält kaum Zellen oder Eiweiße.

Substanzen im Gehirn

Vielleicht hast du schon Begriffe wie „graue Substanz“ oder „weiße Zellen“ gehört und dich gefragt, wo der Unterschied liegt.
Die graue Substanz besteht hauptsächlich aus Zellkörpern der Nervenzellen, Gliazellen, Kapillaren und enthält weniger Axone. Ihren Namen hat sie daher, dass sie bei der Präparation nach dem Tod des Gehirns grau wird. In lebendigem Zustand ist sie eher rosa. Im Alltag bezeichnet man die graue Substanz daher oft auch fälschlicherweise als graue Zellen.
Die weiße Substanz hingegen enthält hauptsächlich Axonbündel und erhält ihre Färbung durch die Myelinscheiden der Nervenzellen. Sie liegt im Gehirn eher innen und ist von der grauen Substanz umgeben.

Die Hirnmasse

Auf unserem Weg durch all die stützenden und schützenden Funktionen unseres Gehirns wird uns klar, dass unser Körper sehr viel unternimmt, um das Gehirn zu beschützen. Was darunter liegt muss also extrem wichtig sein. Diese wichtigen Bereiche haben wir nun mit der Hirnmasse erreicht. Die eigentliche Gehirnmasse setzt sich aus vier Teilen zusammen:
  • Das Großhirn
  • Das Zwischenhirn
  • Das Kleinhirn
  • Der Hirnstamm
Welche Funktionen diese Bereiche übernehmen und wo sie sitzen, wollen wir uns hier einmal näher anschauen.
Abb. 3: Die Hirnareale eingeteilt. Das Zwischenhirn sitzt
zwischen den Großhirnhälften.
Abb. 3: Die Hirnareale eingeteilt. Das Zwischenhirn sitzt zwischen den Großhirnhälften.

Großhirn

Das Großhirn ist mit ca. $80\,\%$ der größte und am weitesten entwickelte Teil unseres Gehirns. Es besteht aus zwei Hemisphären, die weitestgehend voneinander getrennt sind. Sie sind lediglich über einen Balken aus Axonen, den Corpus callosum miteinander verbunden. Die äußere Schicht besteht aus grauer Substanz, welche die Großhirnrinde bildet. Dieser Bereich ist für die Wahrnehmung, das Lernen und Willkürbewegungen zuständig. Darunter liegt die weiße Substanz, in deren Inneren sich Ansammlungen von Neuronen, die Basalganglien, befinden. Diese sind wichtig für die Planung und Erlernung von Bewegungsabfolgen.
Die beiden Hemisphären sind jeweils für die gegenüberliegenden Körperhälften verantwortlich. Deine rechte Gehirnhälfte steuert also deine linke Körperhälfte und anders herum. Das Großhirn lässt sich in verschiedene Areale einteilen, die direkt unter den jeweiligen Schädelplatten liegen. Genau wie im Schädel gibt es einen Frontallappen, einen Parentiallappen, einen Ocipitallappen und einen Temporallappen.

Das Zwischenhirn

Das Zwischenhirn teilt sich in drei wichtige Bereiche auf:
  • Der Thalamus
  • Der Hypothalamus
  • Der Epithalamus
Der Thalamus ist die Informationszentrale unseres Gehirns. Alle eintreffenden Informationen werden hier sortiert und an die entsprechenden Gehirnregionen weitergeleitet. Auch empfängt der Thalamus Informationen des Großhirns z.B. über Emotionen und Wachheit.
Der Epithalamus enthält unter anderem die Epiphyse, welche das Melatonin produziert, das für unsere innere Uhr verantwortlich ist. Auch wird hier aus dem Blut die Gehirnflüssigkeit gewonnen.
Der Hypothalamus ist der wichtigste Ort für die Homöostase, also das Aufrechterhalten unseres inneren Gleichgewichts. Auch sonst spielt der Hypothalamus eine wichtige regulatorische Rolle. Er kontrolliert die Körpertemperatur, die innere Uhr, Hunger, Durst, Sexualverhalten, Kampf-oder-Flucht-Reaktionen und viele andere Überlebensmechanismen. Im Hypothalamus werden auch viele wichtige Signalhormone gebildet.
Unsere innere Uhr wird normalerweise mit dem Licht-Dunkelheit-Zyklus angeglichen. Wenn wir jedoch über längere Zeit in einem Raum abgeschnitten von der Außenwelt zubringen würden, dann könnte unser Körper einen Zyklus von ungefähr $24,2$ Stunden aufrecht erhalten.

Das Kleinhirn

Das Kleinhirn ist der Kontrollmechanismus unseres Kopfes. Es koordiniert Bewegungen und das Gleichgewicht. Hier laufen verschiedenste Informationen über Muskeln, Gelenke, Sehen und Hören zusammen, werden korregiert und an das Großhirn zurück geschickt. Eine bekannte Funktion des Kleinhirns ist z.B. die Hand-Augen-Koordination oder das Erlernen von motorischen Fertigkeiten.

Der Hirnstamm

Tauchen wir tief in das Gehirn hinab und erreichen die Stelle, an der das Gehirn langsam in das Rückenmark übergeht, dann erreichen wir den Hirnstamm. Dieser unterteilt sich wiederum in drei Regionen: Das Mittelhirn, die Brücke (Pons) und die Medulla Oblongata (das verlängerte Rückenmark).
Im Mittelhirn sind Zentren enthalten, die sensorische Informationen empfangen, verarbeiten und an bestimmte Regionen im Großhirn schicken. Auch koordiniert das Mittelhirn visuelle Reflexe. Wenn du z.B. an einem Fußballplatz vorbei gehst und das Pech hast, dass der Ball in deine Richtung fliegt, dann wendet sich dein Kopf automatisch dem Ball zu, noch bevor dein Großhirn überhaupt ein Bild des Balles empfangen hat.
Die Medulla Oblongata und die Brücke sind die Informationsbrücke zwischen dem Mittelhirn und dem peripheren Nervensystem (= dem Teil des Nervensystems, das jenseits des Gehirns liegt). Sämtliche Axone für sensorische Informationen und motorische Kommandos durchlaufen diesen Teil des Hirnstamms. Medulla und Brücke spielen auch eine wichtige Rolle in der Koordination großräumiger Körperbewegungen wie z.B. Laufen oder Klettern.
Der Hirnstamm nimmt im Gesamten großen Einfluss auf Wachheit, Appetit oder Motivation. Er enthält Zentren zur Kontrolle homöostatischer Funktionen, wie Erbrechen, Atmen oder Schlucken. Signaltransduktionen (= Signalweiterleitung) vom Hirnstamm an andere Hirnregionen funktionieren häufig über Axone, die Neutrotransmitter wie Dopamin oder Serotonin freisetzen.
Abb. 4: In unseren Träumen verarbeiten wir
Erfahrungen, Erinnerungen und Erlerntes.
Abb. 4: In unseren Träumen verarbeiten wir Erfahrungen, Erinnerungen und Erlerntes.
Auch beim Schlaf spielt der Hirnstamm eine große Rolle. Es gibt gewisse Zentren in Brücke und Medulla Oblongata, die bei Stimmulation bewirken, dass wir einschlafen oder aufwachen. Während des Schlafs filtert eine bestimmte Region, die retikuläre Formation, zusammen mit dem Thalamus des Zwischenhirns, welche Informationen die Großhirnrinde überhaupt erreichen. Während der Schlaf für uns selbst eine entspannende Tätigkeit dastellt, ist das Gehirn in diesem Zustand höchst aktiv. Man vermutet, dass Schlaf bei der Festigung von Erlerntem und der Verarbeitung von Erinnernung wichtig ist. Das würde erklären, weshalb wir manchmal bestimmte Personen oder Tätigkeiten in unseren Träumen wieder finden.
Im Schlaf fallen wir in die Schlafparalyse. Ein Zustand, in dem unser Gehirn zwar weiterhin Bewegungsbefehle an unsere Muskeln sendet, diese jedoch abgefangen werden. Es bewegt sich also lediglich unser Traum-Ich. Sämtliche Muskeln, außer die der Augen- und Atmungsmuskulatur sind davon betroffen. Normalerweise endet die Schlafparalyse sobald wir Aufwachen. In seltenen Fällen kann es jedoch dazu kommen, dass wir wach sind, die Schlafparalyse aber noch nicht unterbrochen ist. Man spricht hierbei von einem Wachanfall. In diesem Zusammenhang kommt es oft dazu, dass der Betroffene anfängt zu träumen und die Traumbilder für real empfindet.
Dieser Zustand hält jedoch nicht sonderlich lange an und ist nach maximal zwei Minuten vorrüber. Man kann die Schlafparalyse auch selbst brechen, indem man sich bewusst macht, dass man in diesem Zustand ist und versucht, einzelne Körperteile wie den Zeh oder die Finger zu bewegen. Auch Berührungen von Außen sind in der Lage die Schlafparalyse zu brechen.
Auf zellulärer Ebene ist das menschliche Gehirn eine große Ansammlung von Glia- und Nervenzellen. Über deren konkreten Aufbau und die Erregungsleitung kannst du mehr in unseren Skripten der Neurobiologie erfahren.

Wenn das Gehirn nicht mehr richtig funktioniert

Abb. 5: Drogen können das Gehirn nachhaltig
schädigen und verändern.
Abb. 5: Drogen können das Gehirn nachhaltig schädigen und verändern.
Durch unterschiedliche Ursachen kann es dazu kommen, dass unser Gehirn einen Schaden erleidet. Krankheiten, Unfälle oder Drogen können unser Gehirn erheblich schädigen. Bei einem Schlaganfall kommt es durch Blutung oder Unterversorgung mit Blut dazu, dass bestimmte Gehirnregionen absterben oder beschädigt werden. Geschieht dies z.B. in der Großhirnrinde, dann können verschiedene Körperregionen gelähmt sein. Das hängt damit zusammen, dass jeder Körperteil seinen eigenen Kontrollbereich auf der Großhirnrinde besitzt. Fällt der Bereich aus, dann kann das Körperteil nicht mehr gesteuert werden.
Zum Glück ist das Großhirn in der Lage, bestimmte Funktionen auszulagern. Man sieht das häufig bei Säuglingen, denen aufgrund von z.B. Epilepsie Teile des Großhirns oder sogar eine ganze Hemisphäre entnommen werden. Mit der Zeit ist das Gehirn in der Lage, die fehlenden Funktionen in anderen Hirnarealen neuzubilden. Bei sehr jungen Patienten kann es sogar soweit gehen, dass beim Kind kaum bis gar keine Nebenwirkungen zu sehen sind. Auch Erwachsene können so verlorene Funktionen wiedererlangen, doch dauert das erheblich länger und der betroffene Körperteil wird nicht immer seine komplette Stärke zurückerlangen.
Bei Drogenkonsum ist stattdessen das Belohnungssystem unseres Gehirns betroffen. Üblicherweise motiviert es uns zu überlebenswichtigen Aktionen, wie Essen bei Hunger oder Trinken bei Durst, über das Glückshormon Dopamin. Suchtmittel führen durch Stimmulation bestimmter Gehirnareale zur vermehrten Ausschüttung von Dopamin. Bei längerfristiger Aufnahme des Suchtmittels stellt sich dann das gesamte Belohnungssystem auf das Suchtmittel um. In jeglichen Situationen wird nur noch das Suchtmittel begehrt. Anstatts bei Hunger zu essen, hungert unser Gehirn stattdessen nach der Droge.
Dies soll dir einen kleinen Einblick in verschiedene Störungen des Gehirns liefern. Mehr über Krankheiten wie z.B. Parkinson oder Alzheimer kannst du in unseren Skripten der Neurobiologie unter Störungen nachlesen.
Unser Gehirn ist also ein extrem wichtiges Organ, das unser Bewusstsein und unseren Körper steuert. Unser Körper unternimmt viel zum Schutz des Gehirns und es liegt an uns, ihn dabei zu unterstützen. Auch haben wir gesehen, dass die Größe des Gehirn nicht unbedingt mit der mentalen Leistungsfähigkeit eines Menschen zusammen steht.
Bildnachweise [nach oben]
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https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Neandertaler_reconst-2.jpg - Stefan Scheer; CC-BY-SA
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