Gehirn

1

Einleitung

Gehirn, Teil des Zentralnervensystems, der bei Wirbeltieren im Schädel liegt.

Das Gehirn ist das übergeordnete Zentrum für die Koordination aller Lebensfunktionen des Organismus. Herzschlag, Atmung, Verdauung, Stoffwechsel, Ausscheidung u. a. werden vom Gehirn gesteuert oder maßgeblich beeinflusst. Es empfängt und verrechnet die überwiegende Mehrheit der zahlreichen Signale (Ausnahme: manche Reflexe), die der Organismus als Reize aus der Umgebung bzw. dem eigenen Körper aufnimmt und über das Nervensystem zwischen den Organen überträgt. Das Gehirn koordiniert einfache Bewegungen ebenso wie komplexe Verhaltensweisen und ermöglicht Denken und Lernen sowie die Speicherung von Erfahrungen im Gedächtnis. Beim Menschen entstehen im Gehirn auch Bewusstsein und Gefühle.

Das Gehirn des Menschen ist aus rosa-grauem Gewebe aufgebaut und wiegt durchschnittlich 1,3 Kilogramm. Es besteht aus mehr als 100 Milliarden, untereinander verknüpften Nervenzellen (Neuronen). Eine Nervenzelle kann bis zu 100 000 Synapsen mit anderen Nervenzellen haben; die durchschnittliche Zahl der Synapsen ist wesentlich höher als im übrigen Nervensystem. Die Nervenzellen im Gehirn sind von Gliazellen umgeben, speziellen Bindegewebszellen. Sie produzieren Myelin, tragen zur Isolation und Nährstoffversorgung der Nervenfasern bei, nehmen verbrauchte Stoffe auf und dienen als Immunzellen (Makrophagen). Ihre Rolle bei der Verarbeitung der Nervensignale erforscht die moderne Neurowissenschaft. Im menschlichen Gehirn sind Gliazellen 10 bis 50 Mal häufiger als Nervenzellen. Daneben enthält das Gehirn auch Blutgefäße und Hohlräume mit Gehirnflüssigkeit (Liquor).

2

Anatomischer Aufbau des menschlichen Gehirns

Das Gehirn besteht aus eng miteinander verbundenen, aber deutlich abgrenzbaren Teilen: dem Großhirn, dem Kleinhirn und dem Hirnstamm (oder Stammhirn). Als Hirnstamm bezeichnet man in der Regel alle Strukturen zwischen Großhirn und Rückenmark, das mit dem Gehirn zum zentralen Nervensystem zusammengefasst wird. Innerhalb des Hirnstamms unterscheidet man Zwischenhirn, Mittelhirn, Hinterhirn (zu dem auch das Kleinhirn gezählt wird) und Nachhirn. Bei der Embryonalentwicklung entstehen diese Teile aus blasenartigen Ausstülpungen des Neuralrohrs.

Die Schädelknochen schützen das Gehirn vor Verletzungen. Außerdem wird es von drei Membranschichten umgeben, der Hirnhäute oder Meningen. Die äußere Schutzhülle (Dura mater oder harte Hirnhaut) ist glänzend und durch eingelagertes Kollagen sehr widerstandsfähig. Die mittlere (Arachnoidea oder Spinngewebshaut) umschließt das Gehirn lose, die innere Membran (Pia mater oder weiche Hirnhaut) erstreckt sich dagegen bis in die Furchen der Gehirnoberfläche. In das Gehirngewebe führen viele kleine Blutgefäße und Kapillaren der Pia mater. Zwischen Arachnoidea und Pia mater befindet sich die Gehirnflüssigkeit.

3

Großhirn

3.1

Aufbau

Das Großhirn (Cerebrum) macht etwa 85 Prozent der Gehirnmasse aus. Seine äußere Schicht (Großhirnrinde oder Cortex) hat zahlreiche Windungen und daher eine sehr große Oberfläche. In der Großhirnrinde liegt die Ursache dafür, dass der Mensch den Tieren an Intelligenz überlegen ist. In Längsrichtung ist das Großhirn durch eine Furche in eine rechte und eine linke Hälfte (Hemisphäre) geteilt. Verbunden sind beide durch einen breiten, leicht gewölbten Strang aus Nervenfasern, den Balken (Corpus callosum), über den wichtige Informationen ausgetauscht werden.

In jeder Großhirnhälfte befindet sich ein hufeisenförmiger, flüssigkeitsgefüllter Hohlraum (Seitenventrikel), der über kleine Öffnungen (Monroe-Foramen) mit einem dritten Ventrikel im Zwischenhirn in Verbindung steht. Dieser wiederum ist über einen Kanal (Aquaeductus cerebri oder Aquaeductus Sylvii) mit einem vierten Ventrikel zwischen Brücke (siehe unten) und Kleinhirn verbunden. Das Ventrikelsystem geht vom Hirnstamm in den Zentralkanal des Rückenmarks über.

Die Gehirnventrikel sind wie der Zentralkanal im Rückenmark und der Subarachnoidalraum (der Raum zwischen Pia mater und Arachnoidea) mit Liquor gefüllt. Die Gehirnflüssigkeit hat die Aufgabe, das Gehirn in der Schädelhöhle „schwebend” zu lagern, den inneren Gehirnteil vor Druckschwankungen zu schützen und chemische Substanzen zu transportieren. Gebildet wird der Liquor zum größten Teil in den Seitenventrikeln von den Plexus chorioidei, dicht verwobenen Knäueln aus winzigen Blutgefäßen.

Die Außenschicht der Großhirnrinde ist wenige Millimeter dick und besteht aus grauer Gehirnsubstanz. Sie setzt sich aus Schichten nicht myelinisierter (und deshalb relativ langsam leitender) Nervenzellen zusammen und umhüllt die weiße Gehirnsubstanz, deren Nervenzellen myelinisiert sind. Weiße Nervenfasern verbinden das Großhirn mit den anderen Gehirnteilen (Projektionsfasern), den vorderen und hinteren Teil des Großhirns, Teile derselben Großhirnhälfte (Assoziationsfasern) sowie die rechte und linke Hirnhälfte (Kommissuren).

In jeder Großhirnhälfte gibt es fünf durch Furchen getrennte Lappen. Vier davon sind nach den darüberliegenden Schädelknochen benannt: Stirn-(Frontal-), Scheitel-(Temporal-), Schläfen-(Parietal-) und Hinterhaupts-(Okzipital-)Lappen. Stirn- und Scheitellappen sind in der Mitte durch die Rolando-Furche getrennt, der Schläfenlappen liegt unter der Fissura Sylvii, eine weitere Furche trennt Scheitel- und Hinterhauptslappen. Der fünfte Lappen, die Insel oder Inselrinde (Insula), befindet sich im Gehirninneren.

Einige Großhirnbereiche sind bei Mann und Frau unterschiedlich stark ausgeprägt: Frauen haben beispielsweise – im Verhältnis zur Gesamtgröße des Gehirns – einen etwas größeren Stirnlappen und limbischen Cortex, bei Männern sind Teile des Schläfenlappens sowie der Mandelkern größer. Das Großhirn des Mannes ist nicht nur absolut, sondern auch im Verhältnis zur Körpergröße etwas größer als das weibliche, außerdem enthält die männliche Großhirnrinde mehr Nervenzellen. Dagegen hat das Gehirn der Frau mehr Furchen in der Großhirnrinde als das des Mannes.

3.2

Funktionen der Großhirnrinde

In der Großhirnrinde unterscheiden Physiologen und Neurologen mehrere Funktionsfelder: Unmittelbar vor der Rolando-Furche etwa liegt das somatomotorische Feld, das für fast alle willkürlichen Bewegungen der Muskulatur verantwortlich ist. Die Nervenzellen im oberen Teil dieses Feldes steuern Körperbewegungen, die im unteren Teil den Gesichtsausdruck (Mimik). Das somatosensorische Feld direkt hinter der Rolando-Furche erhält Impulse von den Sinnesrezeptoren in der Haut und der Zunge; hier werden Empfindungen wie Berührungen und Geschmack weiterverarbeitet. Die Nervenzellen für Empfindungseindrücke der Fußzehen liegen auf der oberen Seite des somatosensorischen Feldes, die für das Gesicht unten in der Windung.

Das Hörfeld der Großhirnrinde, verantwortlich für die akustische Wahrnehmung, liegt in der oberen Windung des Schläfenlappens, die Sehrinde im Hinterhauptslappen. Der olfaktorische Bereich, der Geruchswahrnehmungen verarbeitet, befindet sich im vorderen inneren Abschnitt des Schläfenlappens. Zwei besondere Felder, das Broca-Zentrum und das Wernicke-Zentrum, sind für die Sprache zuständig: Das Broca-Zentrum unmittelbar unter dem motorischen Feld steuert die Muskelbewegungen beim Sprechen, das Wernicke-Zentrum im oberen Schläfenlappen hinter dem Hörfeld ist für das Verständnis von Sprache und Schrift zuständig. Im Bereich des Broca-Zentrums wurden auch Spiegelneuronen gefunden, d. h. Nervenzellen, die für die Empfindung von Empathie und die Fähigkeit, sich in andere Situationen hineinzuversetzen, verantwortlich sind.

Zentren für Bewusstsein, Intelligenz und Gedächtnis befinden sich im ausgedehnten Rindenbereich hinter der Stirn. Die Großhirnrinde grenzt dort an den weiter innen liegenden Hippocampus, der entscheidend zu diesen Funktionen beiträgt. Entsteht ein Sinneseindruck, beispielsweise beim Erblicken eines unbekannten Gegenstands, wird er als Erinnerung in den Nervenzellen dieses Gehirnteils gespeichert. Sieht man den Gegenstand ein zweites Mal, wird die Erinnerung abgerufen, und man erkennt den Gegenstand wieder. Der Hippocampus ist auch maßgeblich an Lernvorgängen beteiligt.

Die Funktion der verschiedenen Felder der Großhirnrinde konnte geklärt werden, indem man die Nervenzellen in einem bestimmten Bereich mit schwachen Stromstößen von Elektroden elektrisch anregte. Solche Experimente zeigten, dass in den sensorischen Bereichen der Großhirnrinde ein sehr genaues, repräsentatives Abbild der Umwelt erzeugt wird. Ebenso kann man auch viele Stellen, die einen bestimmten Muskel zur Kontraktion veranlassen, präzise bestimmen. Diese genau definierten Felder der Großhirnrinde machen beim Menschen jedoch nur etwa ein Fünftel der gesamten Oberfläche aus. Der Rest enthält weniger klar umrissene, für Assoziationen und Erinnerungen zuständige Felder.

Die Gehirnforschung beschäftigt sich heute eingehend mit der Frage, wie Nervenzellen Erinnerungen speichern. Nach den Erkenntnissen des US-amerikanischen Gehirnforschers Eric Kandel, 2000 ausgezeichnet mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, werden Gedächtnisinhalte auf zellulärer Ebene im Bereich der Synapsen gespeichert. An Meeresschnecken und Mäusen beobachtete Kandel, dass langfristige Erinnerungen mit anatomischen Veränderungen im Bereich dieser Nervenschaltstellen einhergehen. Dabei werden Proteine neu gebildet, welche die Form und Funktion der Synapsen verändern. Zur Langzeitspeicherung einer Information wächst der so genannte postsynaptische Dorn von Dendriten (siehe Nervenzelle) im Hippocampus innerhalb einer halben Stunde messbar an.