Körper: Gehirn

Als Gehirn (Hirn, lat. Cerebrum, grch. Ενκεφαλον Encephalon) bezeichnet man den im Kopf gelegenen Teil des Zentralnervensystems (ZNS) der Wirbeltiere. Es liegt geschützt in der Schädelhöhle und wird umhüllt von der Hirnhaut.

Funktion

Das Wirbeltier-Gehirn verarbeitet hochzentralisiert Sinneseindrücke und koordiniert komplexe Verhaltensweisen. Es ist somit der Hauptintegrationsort für alle überlebenswichtigen Informationen, die in einem Organismus verarbeitet werden.

Allerdings gelangt nicht jede Information bis zur Hirnrinde und damit zum Bewusstsein. Peripher liegende Nervengeflechte (Plexus) und vor allem Zentren im Hirnstamm dienen der unbewussten Vorverarbeitung von Signalen. Reflexbögen übernehmen Aufgaben, die mit höchster Geschwindigkeit und ohne bewusste Verarbeitung und verzögernde Einflussnahme ablaufen müssen. Auch beim Menschen findet sich ein solches autonomes Nervensystem. Es dient der Koordination vegetativer Funktionen wie Atmung, Kreislauf (Herzfunktion), Nahrungsaufnahme, -verdauung und -abgabe, Flüssigkeitsaufnahme und -ausscheidung, sowie der Fortpflanzung. Die Regulation dieser Prozesse würde diejenigen Strukturen des Gehirns, die mit der bewussten Wahrnehmung beschäftigt sind, vollständig überfordern und damit blockieren.

Die Funktion des Gehirns basiert hauptsächlich auf der Interaktion von stark vernetzten Neuronen über elektrische Impulse (siehe Neuronales Netz). Ein Mittel zur Analyse von Gehirnaktivitäten stellt daher die Messung der Gehirnströme mittels eines EEG dar. Eine andere Methode der Messung ist das MEG.

Im Lauf der Evolution hat das Gehirn höherer Tiere ein beachtliches Mass an Differenzierung und innerer Organisation erreicht (Zerebration). Die Struktur und – in geringerem Mass – die Grösse des Gehirns können als Anhaltspunkt für die Lernfähigkeit und Intelligenz eines Tieres herangezogen werden. Wiederum ist nicht das Gehirn allein zu Lernleistungen in der Lage, neuronale Plastizität findet sich auf so gut wie allen Hierarchiestufen des Nervensystems.

Neben den Wirbeltieren besitzen auch Tintenfische hochkomplexe Gehirne, die sie zu gezielten Tätigkeiten befähigen. Im weiteren Sinne bezeichnet man daher auch die Zentralstelle des Nervensystems verschiedener wirbelloser Tiere, etwa der Ringelwürmer oder Insekten, als Gehirn. Je nach Gehirn-Typ spricht man hier von Cerebralganglion, Oberschlundganglion etc..

Aufbau des Wirbeltiergehirns

• Prosencephalon (Vorderhirn)
  • Telencephalon (Endhirn)
    • Cortex
    • Basalganglien
    • Limbisches System
  • Diencephalon (Zwischenhirn)
    • Thalamus
    • Epithalamus
    • Subthalamus
    • Hypothalamus (mit dem Hypothalamus verbunden ist die Hypophyse)
    • Metathalamus

• Mesencephalon (Mittelhirn)
  • Tectum
  • Tegmentum
  • Crura cerebri
• Rhombencephalon (Rautenhirn)
  • Metencephalon (Hinterhirn)
    • Cerebellum (Kleinhirn)
    • Pons
  • Myelencephalon
    • Medulla oblongata(Nachhirn)
• (Rückenmark)

Die Einteilung des Gehirns ist je nach Lehrbuch und Institution verschieden. Das Rhombencephalon und Mesencephalon werden oft zum truncus cerebri zusammengefasst.

Das menschliche Gehirn

Das menschliche Gehirn ist neben einfachen Nervensystemen einiger Würmer sowie den Gehirnen von Mäusen, Ratten, Katzen und Primaten das am besten untersuchte Gehirn im Tierreich.

Zusammenfassung des Aufbaus des menschlichen Gehirns

Man unterscheidet vereinfacht vier Hauptbereiche:

a) Das Grosshirn ist in der Mitte durch einen Einschnitt in zwei Halbkugeln (=Hemisphären) geteilt. Diese sind stark gefaltet oder auch gefurcht. Es besteht eine breite Verbindung zwischen den Hemisphären, welche auch Balken genannt wird - es handelt sich dabei um einen dicken Nervenstrang. Ausserdem existieren noch weitere kleinere Verbindungen.

Die 2-4mm dicke Oberfläche wird Grosshirnrinde genannt. Sie enthält ca. 14 Mrd. Somata von Nervenzellen. Dadurch erscheint sie grau und wird demzufolge auch graue Substanz genannt.

Auf ihr lassen sich die so genannten Rindenfelder lokalisieren. Man unterscheidet zwischen primären Feldern und Assoziationsfeldern. Erstere verarbeiten ausschliesslich Informationen einer Qualität. Diese sind entweder Information über Wahrnehmungen (Empfindung, z. B. Sehen, Riechen, Berührung, etc.) oder über Bewegungen (einfache Bewegungen). Letztere stimmen verschiedene Funktionen aufeinander ab. Wichtig zu beachten ist, dass ein einzelnes Rindenfeld nicht alleine für eine Funktion zuständig ist, sondern dass das korrekte Zusammenspiel in einem Netzwerk aus verschiedenen Nerven, die aus verschiedenen Feldern stammen, erst eine vollständige Funktion ermöglicht.

Zu den primären Feldern rechnet man beispielsweise den visuellen Cortex, auf dem die Projektionen der Sehbahn münden. Er liegt am hinteren Pol des Gehirns. Ein anderes Beispiel ist der auditorische Cortex, der der Verarbeitung von akustischen Reizen dient und sich seitlich im Schläfenlappen befindet.

Assoziative Felder findet man zum Beispiel im vorderen Teil des Gehirns. Diesen kommen Aufgaben wie Gedächtnis und höhere Denkvorgänge zu.

Die Position der Rindenfelder wurde durch Ausfälle (wie z.B. nach Schlaganfällen), Untersuchungen mit elektrischer Stimulation, mikroskopische und andere Techniken bestimmt.

Im inneren des Grosshirns befindet sich die weisse Substanz. In dieser verlaufen Axone, welche die einzelnen Teile des Grosshirns mit anderen Teilen des Nervensystems verbindet.

b) Am Kleinhirn lassen sich ebenfalls zwei Hemisphären unterscheiden. Zusätzlich grenzt man noch weitere Teile ab. Es ist z.B. für Gleichgewicht, Bewegungen und deren Koordination verantwortlich. Bei Tieren ist das Kleinhirn oft relativ zum Grosshirn stärker ausgeprägt als beim Menschen, insbesondere bei Tieren mit Flugvermögen oder bei schnellen Räubern.

Neben den automatisierten Bewegungsabläufen wird dem Kleinhirn auch eine Funktion beim unbewussten Lernen zugeschrieben. Neuere Forschungen (2005) lassen darauf schliessen, dass es auch einen Anteil am Spracherwerb und dem sozialen Lernen hat.

c) Zum Zwischenhirn rechnet man 4 Teile:

1. Thalamus (oberer Teil)
2. Hypothalamus, der mit der Hypophyse (Hirnanhangdrüse) verbunden ist.
3. Subthalamus
4. Epithalamus

Der Thalamus ist der Mittler von sensiblen und motorischen Signalen zum und vom Grosshirn. Bei ihm laufen alle Informationen der Sinnesorgane zusammen, und werden weiter vermittelt. Hauptsächlich besteht der Thalamus aus grauer Substanz. Der Hypothalamus steuert zahlreiche körperliche und psychische Lebensvorgänge und wird selbst teils nerval über das vegetative Nervensystem und teils hormonell über den Blutweg gesteuert. Hypothalamus und Hypophyse (wichtige Hormondrüse des Körpers, die über den Hypophysenstiel mit dem Hypothalamus verbunden ist) sind das zentrale Bindeglied zwischen dem Hormonsystem und dem Nervensystem. Das Zwischenhirn ist unter anderem verantwortlich für die Schlaf-Wach-Steuerung, Schmerzempfindung und Temperaturregulation.

d) Der Hirnstamm ist der stammesgeschichtlich älteste Bereich des Gehirns. Er bildet den untersten Gehirnabschnitt und besteht aus auf- und absteigenden Nervenfasern (Weisse Substanz) und aus Ansammlungen von Neuronen bzw. von Somata (Graue Substanz). Es besteht aus dem Mittelhirn, der Brücke (Pons) sowie dem Nachhirn (auch verlängertes Mark = Medulla oblongata genannt, da es sich zwischen Brücke (Pons) und Rückenmark befindet). Der Hirnstamm verschaltet und verarbeitet eingehende Sinneseindrücke und ausgehende motorische Informationen und ist zudem für elementare und reflexartige Steuermechanismen zuständig.

Im Nachhirn kreuzen sich die Nervenbahnen der beiden Körperhälften. Ausserdem werden hier viele automatisch ablaufende Vorgänge wie Herzschlag, Atmung oder Stoffwechsel gesteuert. Ebenso befinden sich hier wichtige Reflexzentren, so dass z.B. Lidschluss-, Schluck-, Husten- und andere Reflexe ausgelöst werden. Das untere Ende des Nachhirns schliesst an das Rückenmark an.

Gehirne von Männern und Frauen

Durchschnittlich wiegt das Gehirn einer erwachsenen Frau 1245 g und das eines erwachsenen Mannes 1375 g. Man nimmt an, dass dieser Gewichtsunterschied durch eine höhere Zahl von Windungen und Furchen im Gehirn von Frauen ausgeglichen wird, wodurch sich die Gesamtoberfläche des Hirns erhöht. Zudem liegen die Nervenzellen im Hirn bei Frauen dichter zusammen. Hinsichtlich der Intelligenz sind zwischen Mann und Frau keine signifikanten Unterschiede festzustellen.

Grundsätzlich gibt es viele Unterschiede im Aufbau und Funktionsweise des Gehirns zwischen Männern und Frauen. Geschlechtshormone wie die Östrogene und Testosteron wirken nicht nur auf die Keimdrüsen, sondern auf vielfältige Weise auf das Nervensystem als ganzes und Nervenzellen, Synapsen, Genexpression etc. im einzelnen sowohl während der Embryonalentwicklung, als auch während Kindheit und Pubertät sowie im Erwachsenenalter. Beispiele dafür sind die im Vergleich zu Frauen bei jungen Männern vergrösserte Regio praeoptica im Hypothalamus. Vor kurzem wurde mit modernen bildgebenden Verfahren gemessen, dass beim vorgestellten Drehen von dreidimensionalen Objekten bei Männern eine Gehirnregion erhöhte Aktivität zeigt, bei Frauen zwei.

Leistung des Gehirns

Das Gehirn ist ein sehr aktives Organ und hat einen enormen Sauerstoff- und Energiebedarf. Es macht etwa 2 % der Körpermasse aus, aber dennoch müssen etwa 20 % des Bluts (Herzminutenvolumen) vom Herzen ins Gehirn gepumpt werden. Da das Gehirn nur äusserst geringe Speicherkapazitäten für Sauerstoff und Energie besitzt, führt bereits ein kurzzeitiger Ausfall der Blutversorgung zu Hirnschäden.

Der historische Irrglaube, Genialität müsse am (nach dem Tode entnommenen) Gehirn ablesbar sein, ist so alt wie die Hirnerforschung und wird selbst heute noch gelegentlich fortgeführt. Der Sachbuchautor Michael Hagner lieferte u. a. anhand der Hirnbesonderheiten vieler Persönlichkeiten wie Immanuel Kant, Vladimir Iljitsch Lenin oder Albert Einstein nebenher eine Geschichte der Hirnforschung sowie themenbezogene Einblicke in die Kultur- und Sozialgeschichte der vergangenen drei Jahrhunderte. Nicht wenige Hirnforscher gerieten dabei auch ins Fahrwasser nationalistischen und völkisch-rassistischen Denkens.

Oft werden Vergleiche zwischen der Leistungsfähigkeit eines Computers und der des menschlichen Gehirns angestellt. Seit das Gehirn als Sitz kognitiver Leistung erkannt wurde, wurde es in der Literatur immer mit dem komplexesten verfügbaren technischen Apparat verglichen (Dampfmaschine, Telegraph). So versuchte man auch, aus der Funktionsweise von Computern auf die Funktionsweise des Gehirns zu schliessen. Heute dagegen versucht man in der Neuroinformatik, die Funktionsweise des Gehirns teilweise auf Computern nachzubilden bzw. durch diese auf neue Ideen zur "intelligenten" Informationsverarbeitung zu kommen. Als Struktur für Denk- und Wissensproduktion liefert das Gehirn eine Architektur, die sich zur Nachahmung empfiehlt. Künstliche neuronale Netzwerke haben sich bereits bei der Organisation künstlicher Intelligenzprozesse etabliert.

Konnektivität

Das menschliche Gehirn besitzt Schätzungen zu Folge ca. 100 Milliarden (10¹¹) Nervenzellen, welche durch ca. 100 Billionen (10¹⁴) Synapsen eng miteinander verbunden sind. Das heisst, dass jedes Neuron im Schnitt mit 1000 anderen Neuronen verbunden ist und somit im Prinzip jedes beliebige Neuron von jedem Startneuron aus in höchstens 4 Schritten erreichbar ist. Allerdings gibt es lokal deutliche Abweichungen von diesem Mittelwert [1]. Ein Grundprinzip der Organisation des Gehirns ist die topologische Abbildung (z.B. Retinotopie), d.h. was nebeneinander auf dem Körper liegt, wird im Gehirn in den zuständigen Arealen auch nebeneinander verarbeitet.

Die 12 Hauptnervenpaare des Gehirns

1. Nervus olfactorius - ermöglicht das Riechen
2. Nervus opticus - leitet optische Impulse
3. Nervus oculomotorius - versorgt 4 von 6 Muskeln, die das Auge bewegen, u.a. Funktionen
4. Nervus trochlearis - versorgt den oberen schrägen Augenmuskel
5. Nervus trigeminus - leitet u.a. Informationen über Berührungen aus dem Gesichtsbereich
6. Nervus abducens - versorgt den seitliche Augenmuskel
7. Nervus facialis - ermöglicht u.a. mimische Bewegungen und Geschmackswahrnehmung
8. Nervus vestibulocochlearis (N. statoacusticus)- leitet Informationen aus dem Hör- und dem Gleichgewichtsorgan
9. Nervus glossopharyngeus - u.a. leitet er Informationen (auch Geschmack) aus dem Schlundbereich und ermöglicht Bewegungen in diesem Bereich
10. Nervus vagus - Wahrnehmung und Bewegung -inklusive Drüsentätigkeit und Hormonausschüttung- von einem Teil der Eingeweide
11. Nervus accessorius - ermöglicht Bewegung in zwei grossen Muskeln des Halses und Kopfes
12. Nervus hypoglossus - ermöglicht Bewegungen der Zunge

Siehe auch: Hirnnerv

Videos und DVDs

• Manfred Spitzer: Ein halbes Gehirn. RealVideo aus der BR-alpha-Reihe Geist und Gehirn. (ca. 15 Minuten)

• Interessante DVD zu den Themen Gehirn (E-Hirn, S-Hirn), Savant und Autismus
  Arte und Radio Bremen (ARD): Eine Reise in die mysteriöse Welt der Superbegabten in drei Teilen [2],
  1 - Gedächtnis Giganten, 2 - Der Einstein-Effekt, 3 - Der grosse Unterschied, TR-Verlagsunion, 2006, ISBN 3-8058-3772-0

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