Gehirn

Das Wirbeltier-Gehirn verarbeitet hochzentralisiert Sinneswahrnehmungen und koordiniert komplexe Verhaltensweisen. Es ist der Hauptintegrationsort für alle überlebenswichtigen Informationen, die in einem Organismus verarbeitet werden und bildet zusammen mit dem Rückenmark das zentrale Nervensystem.

Neben den Wirbeltieren besitzen beispielsweise 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 z.B. vom Cerebralganglion oder Oberschlundganglion.

Das menschliche Gehirn ist (neben einfachen Nervensystemen einiger Modellorganismen) das am besten untersuchte Gehirn im Tierreich.

Allgemeine Prinzipien

Die Entwicklung des Gehirns beginnt mit der Schließung des Neuralrohrs. Am kranialen Ende des Neuralrohres kommt es zur Ausbildung von drei Hirnbläschen.

Die Wand des Neuralrohrs besteht aus Neuralepithel, dessen Zellen sich zu Neuroblasten und Glioblasten differenzieren.

Aus den Neuroblasten entstehen die Neurone des ZNS. Sie treten fortlaufend in die Mantelschicht ein und bilden eine ventrale und eine dorsale Verdickung – die motorischen Grundplatte und die sensible Flügelplatte. Dabei entwickeln sich aus der Grundplatte vorwiegend motorische Neurone (z.B. im Vorderhorn), während aus der Flügelplatte vorwiegend Interneurone der sensorischen Verarbeitung hervorgehen (z.B. im Hinterhorn). Primäre sensible Neurone entstehen hingegen aus der Neuralleiste und liegen in den Spinalganglien.

Zwischen Grund- und Flügelplatte verläuft der Sulcus limitans, der die funktionelle Grenze zwischen motorischen und sensorischen Arealen markiert. Zwischen den beiden Flügelplatten findet sich die Deckplatte, zwischen den beiden Grundplatten die Bodenplatte. Um die Grund- und Flügelplatte herum befindet sich die Marginalzone.

Nach Abschluss der Neurogenese differenzieren sich Glioblasten u.a. zu Astrozyten. Aus verbleibenden Neuralepithelzellen entstehen Ependymzellen.

Spezielle Embryologie

Das Neuralrohr besteht aus dem kranialen Bestandteil mit den Gehirnbläschen und dem kaudalen Anteil. Aus den Gehirnbläschen entwickeln sich die drei Gehirnanteile: Prosencephalon, Mesencephalon und Rhombencephalon. Aus dem kaudalen Anteil des Neuralrohres entsteht das Rückenmark. Die Entwicklung der einzelnen Gehirnteile geht immer von Grund- und Flügelplatte, Deckplatte, Bodenplatte und Marginalzone aus. In jedem Abschnitt entlang des Neuralrohres differenzieren sich diese unterschiedlich.

Im Bereich des kaudalen Neuralrohres (Rückenmark) kleidet das Ependym den sich dort bildenden Zentralkanal aus. Im Bereich des kranialen Neuralrohrs entsteht aus dem Zentralkanal das Ventrikelsystem, das von Ependymzellen ausgekleidet wird. Die Produktion des Liquors erfolgt überwiegend im Plexus choroideus, nicht durch das Ependym selbst.

Prosencephalon

Aus dem Prosencephalon bildet sich das Diencephalon und das Telencephalon. Dies geschieht durch zahlreiche Differenzierungsvorgänge sowie durch die Rotation der Hemisphären. Während der Entwicklung dehnt sich die Hemisphärenblase (Gehirnbläschen sind jeweils beidseits angelegt) nicht gleichmäßig nach allen Richtungen aus, sondern erweitert sich vorwiegend in kaudaler und basaler Richtung. So entsteht der Temporallappen. Es kommt zu einer Bewegung nach vorne-oben und hinten-unten.

Mesencephalon

Das Mesencephalon bildet die späteren Crurae cerebri sowie das Tegmentum und das Tectum.

Rhombencephalon

Aus dem Rhombencephalon entstehen das spätere Metencephalon (mit Cerebellum und Pons) und das Myelencephalon (= Medulla oblongata).

Makroanatomie

Das Gehirn des Menschen besitzt von oben betrachtet eine annähernd ovale Grundform. Der Aspekt des Gehirngewebes ist grau-gelblich. Makroskopisch lassen sich drei Hauptabschnitte unterscheiden:

• Großhirn (Telencephalon)
• Kleinhirn (Cerebellum)
• Hirnstamm (Truncus encephali) mit Mesencephalon, Pons und Medulla oblongata

Das Großhirn wird durch eine zentrale Furche (Fissura longitudinalis) in zwei gleich große Hälften, die Hemisphären geteilt. Auf der Oberfläche des Großhirns befinden sich die Hirnwindungen (Gyri cerebri) und die dazwischen liegenden Hirnfurchen (Sulci cerebri). Sie bilden ein charakteristisches Relief. In den Gyri und Sulci liegen die verschiedenen Zentren des Gehirns, wie z.B. die Hörrinde im Temporallappen oder die Sehrinde im Okzipitallappen.

Das durchschnittliche Organgewicht liegt zwischen 1.200 und 1.500 Gramm und ist abhängig von Körpergröße, Geschlecht und Alter.

Hirnteile

• Prosencephalon (Vorderhirn)
  • Telencephalon (Endhirn)
    • Cortex
    • Basalganglien
    • Limbisches System
  • Diencephalon (Zwischenhirn)
    • Thalamus
    • Epithalamus
    • Subthalamus
    • Hypothalamus
    • Metathalamus
• Mesencephalon (Mittelhirn)
  • Tectum
  • Tegmentum
  • Crura cerebri
• Rhombencephalon (Rautenhirn)
  • Metencephalon (Hinterhirn)
    • Cerebellum (Kleinhirn)
    • Pons
  • Myelencephalon (Nachhirn)
    • Medulla oblongata
• (Rückenmark)

Medulla oblongata, Pons und Mesencephalon werden als Hirnstamm (Truncus encephali) zusammengefasst.

Mikroanatomie

Jeder der Abschnitte des Gehirns, welcher aus den jeweiligen Hirnbläschen entsteht, besitzt einen eigenständigen Aufbau.

Da jedoch die Großhirnrinde den volumenmäßigen größten Anteil des Gehirns ausmacht, werden hier zwei besondere strukturelle Einteilungen hervorgehoben: der Isocortex und der Allocortex.

Dabei handelt es sich nicht um abgegrenzte Hirnareale, sondern um Einteilungen des Aufbaus innerhalb der Großhirnrinde.

Zerebraler Blutfluss

Der zerebrale Blutfluss ist die Grundlage für die Sauerstoff- und Nährstoffversorgung der Nervenzellen des Gehirns. Beim gesunden Erwachsenen durchströmen ca. 15 % des Herzzeitvolumens das Gehirn und sein umgebendes Gewebe – das entspricht etwa 700 ml Blut pro Minute.

Zerebraler Stoffwechsel

Das Gehirn nutzt unter physiologischen Bedingungen überwiegend Glucose als Energiequelle. Aufgrund des hohen Energiebedarfs und fehlender Energiespeicher ist eine kontinuierliche Substratzufuhr erforderlich.

Unter Bedingungen wie längerem Fasten oder Ketose können auch Ketonkörper (z.B. β-Hydroxybutyrat) einen relevanten Anteil der Energieversorgung übernehmen. Der Anteil ist variabel und kann im prolongierten Fastenzustand deutlich über 50 % liegen.

Hirnfunktionen

Nicht alle sensorischen Informationen erreichen die Großhirnrinde und damit das Bewusstsein. Bereits auf Ebene des Rückenmarks und des Hirnstamms erfolgt eine Verarbeitung, z.B. im Rahmen von Reflexbögen.

Vegetative Funktionen (Atmung, Kreislauf, Nahrungsaufnahme, Verdauung und Abgabe, Flüssigkeitsaufnahme und Ausscheidung, sowie der Fortpflanzung) werden überwiegend durch das autonome Nervensystem sowie durch zentrale Strukturen (insbesondere Hypothalamus und Hirnstammkerne) reguliert.

Neuronale Verarbeitung und Anpassung beruhen auf neuronaler Plastizität, die auf verschiedenen Ebenen des Nervensystems stattfindet.

Die Größe des Gehirns allein ist kein zuverlässiger Indikator für die Intelligenz. Entscheidend sind u.a. neuronale Verschaltung, Organisation und Plastizität.

Erkrankungen des Gehirns führen abhängig von Lokalisation und Ausmaß zu fokalen neurologischen Defiziten oder globalen Funktionsstörungen. Häufige Krankheitsbilder sind:

• Schlaganfall: akute zerebrale Durchblutungsstörung mit plötzlich einsetzenden neurologischen Ausfällen (z.B. Hemiparese, Aphasie)
• Intrakranielle Blutung: Blutung innerhalb des Schädels, z.B. Subarachnoidalblutung oder intrazerebrale Blutung
• Hirntumor: primäre oder sekundäre Neoplasien mit raumfordernder Wirkung und neurologischen Symptomen
• Schädel-Hirn-Trauma: mechanische Schädigung des Gehirns mit variabler klinischer Ausprägung
• Neurodegenerative Erkrankungen: z.B. Morbus Alzheimer oder Morbus Parkinson mit progredientem Funktionsverlust
• Infektion: z.B. Enzephalitis oder Meningitis

Leitsymptome sind u.a. Bewusstseinsstörungen, fokale neurologische Defizite, Krampfanfälle, kognitive Einschränkungen sowie Kopfschmerzen. Die Symptomatik ist stark von der betroffenen Hirnregion abhängig.

• Ägypten: "Lehrbuch der Chirurgie" mit Beschreibung der Gehirnfurchung, Erkennen von Gehirnverletzungen (abweichende Augenstellung, Nachziehen eines Fußes, Sprachverlust)
• Hippokrates: Epilepsie durch Reize auslösbar
• Galen: erste neurophysiologische Experimente (Schnitte, Läsionen)
• Andreas Vesalius: Gehirnanatomie
• Descartes: Zweiteilung von Körper und Seele
• Thomas Willis: graue/weiße Substanz
• Gall: Phrenologie (Schädelkartierung)
• Paul Broca: lokalisiert motorisches Sprachzentrum im linken Frontallappen
• Wernicke: lokalisiert sensorisches Sprachzentrum im linken Temporallappen
• Brodmann: Einteilung der Großhirnrinde in 52 Areale
• Santiago Felipe Ramón y Cajal: Neuronentheorie

• Bildquelle Podcast: © Midjourney
• Präparat freundlicherweise zur Verfügung gestellt durch die Anatomie der Uni Köln