Gehirn: Aufbau und Funktion

Allgemeines

Das Gehirn verarbeitet Sinneseindrücke, koordiniert die Funktionen des Körpers und hält sie aufrecht. Voraussetzung dafür: Milliarden von Gehirnnervenzellen (Neuronen, reizleitende Zellen) müssen ständig miteinander kommunizieren und Informationen austauschen. Dies geschieht über elektrische Impulse.

Das Gehirn besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den sogenannten Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. 80 Prozent der Hirnmasse entfallen auf das Großhirn.

Das Gehirn muss in besonderem Maße vor Verletzungen geschützt werden. Dies gewährleistet der Schädelknochen sowie Hüll- und Pufferstrukturen, die wie ein Stoßdämpfer wirken.

Die verschiedenen Leistungen erbringt das Gehirn in jeweils speziell dafür zuständigen Hirnregionen. Diese Regionen entsprechen bestimmten Gebieten des Gehirns, die sich auch anhand der Anatomie nachvollziehen lassen. Bestimmte Zellgruppen und Areale sind für die unterschiedlichen Aufgaben zuständig.

Vereinfachend lässt sich das Gehirn in

• Großhirn (Telencephalon) mit Hirnrinde (Kortex oder Cortex)
• Kleinhirn (Cerebellum, Metencephalon)
• Zwischenhirn (Diencephalon); beinhaltet unter anderem die Hypophyse und den Thalamus
• Hirnstamm (Truncus cerebri) mit Mittelhirn (Mesencephalon) und Nachhirn (Myelencephalon)

Die Hirntätigkeit können Wissenschaftler teilweise anhand der begleitenden Stoffwechselvorgänge sichtbar machen. Dies ist zum Beispiel möglich, indem sie den Sauerstoff- oder Zuckerverbrauch des Gehirns beobachten. Hierbei handelt es sich um funktionelle Untersuchungen des zerebralen (von: Cerebrum) Stoffwechsels. Das Gehirn lässt sich zum Beispiel mithilfe der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder der funktionellen Magnetresonanztomographie (MRT) derart untersuchen.

Außerdem lassen sich die Gehirnströme von außen über die Haut in Form eines EEG (Elektroenzephalogramm) ableiten.

Aufbau des Gehirns

Das Zentralnervensystem (ZNS) besteht aus zwei großen Teilen: dem im Kopf gelegenen Gehirn und dem Rückenmark. Das Gehirn wird von den Schädelknochen und innerhalb des Schädels von drei Hirnhäuten (Meningen) umgeben. In dieser festen Hülle schwimmt es gewissermaßen im Hirnwasser, dem Liquor. Er schützt das Gehirn vor Verletzungen und Erschütterungen.

Das Gehirn setzt sich aus Nervenzellen, sogenannten Gliazellen (Stütz- und Versorgungsgewebe) und Blutgefäßen zusammen. Im Inneren des Gehirns liegen ebenfalls mit Hirnwasser gefüllte Hohlräume: die sogenannten Hirnkammern oder Ventrikel.

Die Ventrikel stehen mit den äußeren Liquorräumen in Verbindung. Auch das Rückenmark ist von Liquor umgeben. Da alle Liquorräume miteinander verbunden sind und der Liquor darin zirkuliert, kann der Arzt durch Einstechen einer Kanüle (Punktion) in Höhe der Lendenwirbelsäule Liquor des Gehirns zur Untersuchung gewinnen.

Großhirn

Das Großhirn (Telencephalon) ist der größte und am höchsten entwickelte Teil des Gehirns. Seine zwei bis vier Millimeter dicke Rinde (Kortex) ist stark aufgefaltet – dies vergrößert die Oberfläche um ein Vielfaches.

Die Großhirnrinde besteht aus den Zellkörpern von 19 bis 23 Milliarden Nervenzellen, die aufgrund ihrer grauen Farbe auch graue Substanz (Substantia grisea) genannt werden.

Der Kortex lässt sich aufgrund seiner Funktionen in verschiedene sogenannte Rindenfelder einteilen:

• In den sensorischen Feldern verarbeitet das Gehirn Sinneseindrücke.
• Mit den motorischen Feldern koordiniert es Bewegungen.
• Gedanken- und Antriebsfelder dienen dem Denken und Erinnern.

Der sogenannte Homunculus stellt schematisch dar, wo in der Hirnrinde die für die Motorik und die für die Sinneseindrücke zuständigen Nervenzellen liegen. Dabei zeigt sich, dass die Beine im oberen, die Arme im mittleren und die Zungen- und Gesichtsmuskeln im unteren Drittel der Rinde repräsentiert werden. Auffällig: Im Verhältnis zu ihrer tatsächlichen Größe nehmen die Nervenzellen der Hände, des Kopfes und des Schlundes sehr große Areale ein. Dies entspricht der großen Bedeutung und den komplexen Aufgaben dieser Körperteile.

Die Nervenzellfortsätze ziehen aus der Hirnrinde in das Innere des Großhirns. Sie sind von einer sogenannten Myelinscheide umgeben, die weiß erscheint und dem Inneren des Großhirns den Namen weiße Substanz (Substantia alba) verleiht.

Das Großhirn unterteilt sich in zwei weitgehend symmetrische Hälften (Hemisphären), die durch den sogenannten Balken (Corpus callosum) und weitere Nervenfasern miteinander in Verbindung stehen. Die meisten Funktionszentren kommen gleichermaßen in beiden Hirnhälften vor. Einige Zentren jedoch gibt es nur einmal – wie etwa das Sprachzentrum. Ob sie in der linken oder rechten Hirnhälfte liegen, ist von Mensch zu Mensch unterschiedlich.

Jede Hirnhälfte lässt sich einteilen in:

• Stirnlappen (Frontallappen), liegt im vorderen Hirnbereich; Bewegung, Verhalten
• Scheitellappen (Parietallappen), hinten oben; Empfindungen
• Schläfenlappen (Temporallappen), in Nähe der Schläfen gelegen; Wiedererkennen von Personen, Hören
• Hinterhauptlappen (Okzipitallappen), am Hinterkopf; Sehen

Kleinhirn

Das Kleinhirn (Cerebellum) wiegt mit circa 130 bis 140 Gramm zehnmal weniger als das Großhirn. Das Kleinhirn liegt an der Basis des Schädels unter dem Hinterhauptlappen des Großhirns. Das Kleinhirn koordiniert

• Bewegungen,
• das Gleichgewicht
• und den Spracherwerb.

Es stimmt Bewegungen aufeinander ab und speichert Abläufe, sodass nach einiger Übung bestimmte Bewegungen automatisch erfolgen. Aufgrund dieser Funktionen gehört das Kleinhirn zum sogenannten motorischen System.

Verbindungen zur Großhirnrinde, zum Hirnstamm, zum Rückenmark und zum Gleichgewichtsorgan ermöglichen es dem Kleinhirn, seine wichtigen Funktionen zu erfüllen. Das Cerebellum gibt keine Bewegungsimpulse, vielmehr stimmt es Bewegungen fein ab, erhält die Muskelspannung und das Gleichgewicht. Aus diesem Grund fallen bei Verletzungen des Kleinhirns oder bei gut- oder bösartigen Tumoren Bewegungen nicht aus, sondern laufen nur noch gestört ab.

Das Kleinhirn gliedert sich in drei Abschnitte:

• Kleinhirnwurm (Vermis cerebelli)
• zwei Kleinhirnhälften (Hemisphären)

Wie das Großhirn hat auch das Cerebellum eine Rinde; in ihr liegt die graue Substanz des Kleinhirns: die Zellkörper der Nervenzellen. Die weiße Substanz – die Nervenbahnen – konzentriert sich im Inneren des Kleinhirns (im sogenannten Marklager).

Video: 5 erstaunliche Fakten über das Gehirn

Das Kleinhirn arbeitet unbewusst, es lässt sich nicht willentlich beeinflussen.

feinere Gliederung

Zwischenhirn (Diencephalon)

Das Zwischenhirn (Diencephalon) liegt zwischen Großhirn und Hirnstamm. Es erfüllt wichtige vegetative Aufgaben – dazu zählt unter anderem, dass das Zwischenhirn die Balance zwischen den beiden Gegenpolen des vegetativen Nervensystems, dem Sympathikus und Parasympathikus, hält und den Biorhythmus steuert.

Dabei arbeitet das Diencephalon eng mit dem Großhirn zusammen.

Das Zwischenhirn besteht aus verschiedenen Teilen, dem:

• Thalamus,
• Hypothalamus,
• Subthalamus,
• Metathalamus und
• Epithalamus.

Das Zwischenhirn verarbeitet zum Beispiel Gefühle wie Trauer und Freude.

Im Thalamus treffen Informationen aus dem Körper und den verschiedenen Sinnesorganen ein. Der Thalamus leitet die Signale an das Großhirn weiter, nachdem er die Informationen im Vorfeld gefiltert hat. Dies vermeidet, dass das Hirn überlastet wird. Andere Bezeichnungen für den Thalamus sind deshalb zum Beispiel:

• "Tor zum Bewusstsein" oder
• "Tor zur Großhirnrinde".

Beim Thalamus handelt es sich um einen Komplex aus verschiedenen sogenannten Kerngruppen.

Der Hypothalamus steuert als übergeordnetes Schaltzentrum zum Beispiel den Schlaf-Wach-Rhythmus, den Wasserhaushalt, die Schweißsekretion sowie Schmerz- und Temperaturempfinden. Der Hypothalamus hält – ebenso wie das hormonelle System – die Körperfunktionen im Gleichgewicht.

Er lässt sich sowohl über Nerven als auch durch Hormone beeinflussen. Der Hypothalamus steht in direktem Kontakt mit der Hirnanhangsdrüse (Hypophyse) und verbindet das Hormon- mit dem Nervensystem. Auch der Hypothalamus besteht aus verschiedenen Kerngruppen.

Hirnstamm

Der Hirnstamm (Truncus cerebri) ist der älteste Teil des Gehirns. Er befindet sich unter den anderen Abschnitten nahe dem Rückenmark und wird fast vollständig von beiden Hirnhälften, den Hemisphären, umschlossen. Der Hirnstamm kann unterteilt werden in:

• Mittelhirn (Mesencephalon)
• Nachhirn (Myelencephalon)
  • Brücke (Pons)
  • verlängertes Rückenmark (Medulla oblongata)

Das Mittelhirn leitet Informationen vom Rückenmark zum Großhirn weiter beziehungsweise vom Großhirn zu den motorischen Nerven und koordiniert unter anderem die Bewegung der Augen.

Im Nachhirn kreuzen die aus dem Rückenmark kommenden Nervenbahnen. Das führt dazu, dass Informationen einer Körperseite in der gegenüberliegenden Hirnhälfte verarbeitet werden. Das Nachhirn steuert lebenswichtiger Funktionen wie Herzschlag, Atmung und Stoffwechsel, ebenso Reflexe wie Erbrechen und Husten.

Gehirnzellen

Das Gehirn besteht aus einer Reihe unterschiedlicher Gehirnzellen. Die wichtigsten und häufigsten Gehirnzellen sind die Nervenzellen (Neurone): Von ihnen gibt es im menschlichen Gehirn ungefähr 200 Milliarden. Eine Nervenzelle besteht aus:

• einem Zellkörper (Soma) mit den Nervenzellfortsätzen (Dendriten) und
• dem Achsenzylinder (Axon).

Der Körper der Nervenzelle misst etwa 5 bis 100 Mikrometer (1 Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter). Die Nervenzellfortsätze verjüngen sich auf einen Durchmesser von etwa einem Mikrometer. Ein Nervenzellfortsatz kann bis zu einem Meter lang sein und eine einzige Nervenzelle kann bis zu 10.000 Fortsätze haben.

Am Ende des Axons befinden sich die Endplatten. Dort, wo sie die benachbarte Zelle berühren, bilden sich Synapsen aus. Diese Synapsen verbinden nicht nur die Nervenzellen miteinander, sondern stellen ebenso Kontakt in weiter entfernte Körperbereiche her.

Die Gehirnzellen tauschen Informationen untereinander durch chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) über die Synapsen aus. Je mehr Synapsen eine Nervenzelle hat, desto mehr Informationen kann sie übertragen. Die Anzahl der Nervenzellen spielt eine untergeordnete Rolle.

Nervenzellen teilen sich nach der Geburt nicht mehr. Dies ist ein Grund dafür, dass sie selber nur selten Ausgangspunkt für Tumorerkrankungen des Gehirns sind.

Die Nervenzellen werden von den sogenannten Gliazellen umhüllt. Gliazellen machen etwa 50 Prozent der gesamten Hirnmasse aus. Die meisten Hirntumoren entstehen aus diesen Gliazellen (sog. Gliome, z. B. Oligodendrogliom oder Glioblastom).

Gliazellen lassen sich weiter in

• Astrozyten,
• Oligodendrozyten,
• Ependymzellen und
• Mikrogliazellen untergliedern.

Astrozyten haben für den Stoffwechsel und die Versorgung des Gehirns eine wichtige Funktion und sind am Aufbau der Blut-Hirn-Schranke beteiligt. Oligodendrozyten bilden die Markscheiden um die Nervenzellfortsätze, die Ependymzellen kleiden die Gehirnkammern (Ventrikel) aus. Die Mikrogliazellen stammen aus dem Knochenmark und helfen als Teil des Immunsystems dabei, Erreger abzuwehren.

Blutgefäße, Hirnhäute

Im Schädel finden sich einige Aussparungen, die sogenannten Foramina (lateinisch für "Löcher"). Hier treten vor allem Blutgefäße in den Schädel ein beziehungsweise aus. Durch die größte Öffnung, das Foramen magnum, steht der Hirnstamm mit dem Rückenmark in Verbindung. Innen am Schädel liegen die drei Hirnhäute (Meningen) an:

• harte Hirnhaut (Dura mater)
• Spinngewebshaut (Arachnoidea): Hier verlaufen zahlreiche Blutgefäße. Außerdem findet hier der Austausch zwischen Hirnflüssigkeit (Liquor) und dem Blut statt.
• weiche Hirnhaut (Pia mater): Sie versorgt das Gehirn mit Nährstoffen aus dem Liquor.

Die Zwischenräume zwischen den Hirnhäuten sind mit Hirnflüssigkeit (Liquor) gefüllt.

Die Hirnflüssigkeit wird in den Hohlräumen des Gehirns (Ventrikel) gebildet und schützt das Gehirn einerseits vor Stößen und Schlägen, andererseits entsorgt das Gehirn Abfallstoffe aus dem Stoffwechsel über den Liquor.

Bedeutsam sind auch die zahlreichen feinen Blutgefäße des Gehirns: die Kapillaren. Die Zellen, die die Kapillaren auskleiden (Endothelzellen), und die sie umgebenden Gliazellen bilden eine funktionelle Einheit – man nennt sie Blut-Hirn-Schranke.

Die Blut-Hirn-Schranke lässt nur wenige Stoffe passieren. Welche Stoffe die Blut-Hirn-Schranke durchlässt, kontrollieren die Endothel- und Gliazellen. Auf diese Weise verhindert die Schranke, dass bestimmte Medikamente, Gifte, Viren und Bakterien in das Gehirn gelangen.

Hirnnerven

Dem Hirnstamm entspringen zwölf paarige Hirnnerven (I-XII). Sie haben motorische (Bewegung), sensible oder sensorische (Empfindungen) sowie vegetative (lebenswichtige Vorgänge) Funktionen. Manche von ihnen erfüllen nur eine dieser Aufgaben, andere wiederum kommen allen drei Funktionen nach

• Nervus olfactorius (I): wichtig für das Riechen, versorgt die Riechschleimhaut
• Nervus opticus (II): Sehen, versorgt die Netzhaut (Retina)
• Nervus oculomotorius (III): steuert die äußeren Augenmuskeln und somit Augenbewegungen
• Nervus trochlearis (IV): steuert einen Augenmuskel
• Nervus trigeminus (V), besteht aus drei Nerven:
  • Nervus ophthalmicus: Empfindungen an Auge, Gesichtshaut, Nasenschleimhaut
  • Nervus maxillaris: Oberkiefer und Zähne, Rachen
  • Nervus mandibularis: Haut und Schleimhaut des Unterkiefers, Unterkieferzähne, Zunge, Kaumuskulatur
• Nervus abducens (VI): versorgt einen Augenmuskel
• Nervus fascialis (VII): Gesichtsmuskulatur (Mimik), Geschmack, Kopfdrüsen
• Nervus vestibulocochlearis (VIII): Hören, Gleichgewicht
• Nervus glossopharyngeus (IX): Geschmack, Schlucken (Schlundmuskeln)
• Nervus vagus (X), sog. Eingeweidenerv: Drüsen und Hormone, "Parasympathikus", Kehlkopfmuskeln
• Nervus accessorius (XI): Bewegungen von Hals und Kopf
• Nervus hypoglossus (XII): Zungenmuskeln

Alle weiteren Nerven, die das Gehirn mit Informationen versorgen beziehungsweise Informationen vom Gehirn in die verschiedenen Körperregionen transportieren, entspringen im Rückenmark. Sie zählen nicht zu den Hirnnerven im engeren Sinn.

Funktionelle Karte

Mit dem heutigen Wissen lässt sich eine sogenannte funktionelle Karte des Gehirns erstellen. So weiß man, dass im Stirnhirn die Funktionen von Intelligenz, Sprache (motorisches Sprachzentrum), die Persönlichkeitsmerkmale sowie die Bewegungssteuerung zu finden sind. Im hinteren Teil des Großhirns, dem Okzipitallappen, befindet sich die Sehrinde, also der Ort, der visuelle Reize wahrnimmt, speichert und sinnvoll zuordnet.

Das Zwischenhirn steuert die Hormonausschüttung.

Zellen des Schläfenlappens sind wichtig für das Gedächtnis, für Gefühle und Emotionen. Der Schläfenlappen beherbergt zudem die Hörrinde und das Sprachverständnis. Mithilfe der Zellen des Scheitellappens erfasst der Mensch abstrakte mathematische Probleme und Musik.

Im Hirnstamm befinden sich Nervenbahnen, die das Gehirn mit dem Rückenmark verbinden. Weiterhin liegt dort das Atemzentrum. Es regelt die Atmung, das Herz-Kreislauf-System und den Blutdruck. Die Hirnanhangsdrüse (Hypophyse) schüttet Hormone oder Vorstufen von Hormonen in die Blutbahn aus. Damit bildet die Hypophyse zusammen mit dem Zwischenhirn gewissermaßen die Schnittstelle zu den hormonabhängigen beziehungsweise hormonaktiven Körperorganen, wie Brustdrüsen (Milchproduktion), Eierstöcken (Zyklus der Frau), Nebennieren (Blutdruck), Schilddrüse und Hoden.

Das Kleinhirn hält Bewegungsprogramme bereit und stimmt Bewegungsabläufe ab. Da sich die meisten Hirnleistungen einer bestimmten anatomischen Hirnregion zuordnen lassen, weisen bestimmte Ausfälle – etwa Bewegungsstörungen, Sprachstörungen oder Sehstörungen – bereits auf krankhafte Veränderungen eines bestimmten Hirnareals hin. Dabei kann es sich zum Beispiel um Durchblutungsstörungen (Schlaganfall) oder gut- oder bösartige Gewebeneubildungen handeln. Zudem kommen jeweils verschiedene andere Ursachen in Frage, die solche Symptome mit sich bringen können.