[werner.stangl]s arbeitsblätter 

Anatomische Einteilung des Gehirns

Anatomisch wird das Gehirn meist eingeteilt in Endhirn, Zwischenhirn, Mittelhirn und Rautenhirn. Das Endhirn (Telenzephalon) umfasst das Großhirn, die Hirnventrikel, Basalganglien, das Riechhirn und den Balken. Das Zwischenhirn (Dienzephalon) liegt zwischen End- und Mittelhirn; es enthält die Zirbeldrüse, den Thalamus, den Hypothalamus und Teile der Hypophyse (Hirnanhangsdrüse). Endhirn und Zwischenhirn werden unter dem Begriff Vorderhirn zusammengefasst. Das Mittelhirn (Mesenzephalon) ist Teil des Hirnstamms, es liegt zwischen der Brücke und dem Zwischenhirn. Das Rautenhirn (Rhombenzephalon) wird unterteilt in das Hinterhirn (Metenzephalon), das von der Brücke und dem Kleinhirn gebildet wird, und dem Nachhirn (Myelenzephalon, verlängertes Mark), das fließend in das Rückenmark übergeht. Drei Hirnhäute (harte Hirnhaut - Dura mater, Spinngewebshaut - Arachnoidea, weiche Hirnhaut - Pia mater) schützen dabei das Gehirn, wobei der Spalt zwischen der Spinngewebshaut und der weichen Hirnhaut mit Hirnflüssigkeit (Liquor) gefüllt ist und dadurch das Gehirn vor Erschütterungen schützt. In der Spinngewebshaut verlaufen zahlreiche Blutgefäße, während die weiche Hirnhaut das Gehirn mit Nährstoffen aus dem Liquor versorgt. Nach entwicklungsgeschichtlichen Kriterien erfolgt häufig eine andere Einteilung. Dabei werden die jüngeren Hirnteile wie das Großhirn und das Kleinhirn den älteren Teilen wie dem Hirnstamm mit Mittelhirn, Brücke und verlängertem Mark (nach einigen Autoren auch Zwischenhirn und Rautenhirn) sowie den Basalganglien gegenübergestellt. Für die Verarbeitung von Informationen sind einzelne Gehirnteile eng miteinander verbunden und bilden funktionelle Einheiten (z. B. limbisches System).

Anmerkung: Die Analyse der Schädel von frühen Primaten zeigte, dass das Gehirn noch relativ klein aber schon erstaunlich komplex war. So verfügte etwa der Primat Chilecebus bereits über die für moderne Affen typischen gefalteten Hirnwindungen, wobei sein Gehirn eine überraschend entwickelte Oberflächenstruktur besaß und über mindestens sieben Hirnfurchen-Paare verfügte. Der Primat Chilecebus carrascoensis lebte vor rund zwanzig Millionen Jahren im heutigen Chile und gehört zu den frühesten bekannten Vertretern der Neuweltaffen. Bei heutigen Primaten sind die Größe des visuellen und des olfaktorischen Zentrums im Gehirn oft negativ korreliert, was bedeutet, dass Affen, die sich besonders stark auf ihre Augen verlassen, dafür schlechter riechen können. Offenbar wurden die Kapazitäten für den Geruchssinn im Laufe der Evolution zugunsten eines besseren Sehsinns eingetauscht. Vermutlich waren das olfaktorische und das visuelle System während der Evolution des Gehirns weniger stark aneinander gekoppelt und hatten sich vielmehr unabhängig voneinander entwickelt. Auf eine voneinander unabhängige Entwicklung einzelner Hirnbereiche deuten auch die Vergleiche mit Schädeln anderer früher Affen hin, denn einzelne Gehirnregionen wuchsen mit dem größer werdenden Gehirn nicht gleichmäßig mit sondern haben sich mosaikartig verändert, wobei es mehrmals und unabhängig voneinander zu Vergrößerungen einzelner Strukturen und manchmal auch zu erneuten Verkleinerungen kam.

Das Stammhirn ist der entwicklungsgeschichtlich älteste Teil des Gehirns. Es ist für die essenziellen Lebensfunktionen zuständig und steuert Herzfrequenz, Blutdruck und Atmung. Zudem ist es für einige wichtige Reflexe wie den Lidschluss-, Schluck- oder Husten-Reflex verantwortlich. Das Stammhirn bildet die Schnittstelle zwischen dem übrigen Gehirn und dem Rückenmark. Eintreffende Informationen leitet es überkreuz weiter, daher wird die linke Körperhälfte von der rechten Gehirnhälfte gesteuert und umgekehrt.

Ruder et al. (2021) haben am Mausmodell gezeigt, dass die räumliche Trennung der Nervenzellpopulationen nach Aufgaben und ihre Verknüpfungen Aufschluss über die Organisation des Hirnstamms und die Steuerung von Körperbewegungen geben, etwa im Fall der Feinmotorik. Viele neuronale Schaltkreise des Hirnstamms sind bei Mensch und Tier ähnlich, sodass sich wohl auch Rückschlüsse darauf ziehen lassen, welche Nervenzell-Populationen welche Bewegungen steuern oder wie Krankheiten und Verletzungen zu Einschränkungen der feinmotorischen Fähigkeiten führen. In der Studie hatte man die räumliche Anordnung der Nervenverbindungen in einer dieser Regionen des Hirnstamms (lateral rostral medulla - latRM) bestimmt und die Kommunikationswege nachgezeichnet, wobei man unterschiedliche Tätigkeiten einzelnen Gruppen von Nervenzellen zuordnen konnte. Einfachere Handlungen, wie etwa das Ausstrecken der Vorderpfote zum Futter, erfolgen über spezifische latRM-Nervennetzwerke, die direkt das Rückenmark ansteuern, während das Ausführen komplexerer Bewegungen, die auch die Finger mit einschliessen, also wie Greifen oder das Zum-Mund-Führen eines Futterstückchens, insbesondere solche latRM-Neuronen steuern, die mit Nervenzellen in anderen Arealen des Hirnstamms verknüpft sind. Für die Fingerfertigkeit sind diese internen Verbindungen und Netzwerke unentbehrlich, wobei die Nervenzellpopulationen im latRM-Bereich ganz spezifisch die Feinmotorik der vorderen Gliedmassen kontrollieren. Aber nur wenn die Nervenzellen der verschiedener Regionen des Hirnstamms erfolgreich miteinander kommunizieren, gelingen bei Menschen offenbar so komplexe und präzise Bewegungsabläufe wie das Werfen eines Balls, das Greifen nach einem Objekt oder das Schreiben.

Das Zwischenhirn schließt sich an das Stammhirn an, wobei hier hat der Thalamus seinen Sitz hat, das Tor zum Bewusstsein. Er fungiert als Filter und Verteiler, entscheidet, welche Sinneseindrücke ins Bewusstsein dringen sollen und leitet sie an die entsprechenden Verarbeitungszentren weiter. Ein weiterer wichtiger Bereich des Zwischenhirns ist der Hypothalamus. Er dient als Vermittler zwischen Hormon- und Nervensystem. Dabei steuert er zum Beispiel den Schlaf-Wach-Rhythmus, Hunger und Durst, aber auch den Sexualtrieb und verarbeitet Schmerz- und Temperaturempfinden. Übrigens sind Menschen deshalb nach einer Narkose oft verwirrt und kommen erst langsam zu sich, da der älteste Teil des Gehirns, also der Hirnstamm, der Thalamus und Teile des limbischen Systems, zuerst aufwacht, und erst danach auch die Großhirnrinde aktiv wird. Deshalb merken auch Anästhesisten manchmal nicht, dass Patienten während einer Operation wach werden, denn deren Messgeräte zeigen nur die Aktivität der Großhirnrinde und reagieren daher zu spät oder gar nicht auf solche nur halbbewussten Wachzustände.

Das Kleinhirn (Cerebellum) koordiniert Bewegungen und sorgt dafür, dass sie flüssig ablaufen. Es ist also zum Beispiel für Gleichgewicht, Bewegungen und deren Koordination verantwortlich. Störungen in diesem Bereich können dazu führen, dass der Betroffene unter Bewegungsstörungen leidet oder das Gleichgewicht verliert. Er kann dann beispielsweise kaum auf einem Bein stehen.

Das Großhirn schließlich ist zerfurcht wie eine Walnuss und wie diese in zwei Hälften (Hemisphären) geteilt, die durch ein dickes Nervenbündel (Balken) miteinander verbunden sind und eng zusammenarbeiten. Jede Gehirnhälfte ist auf bestimmte Aufgaben spezialisiert: links sitzen in der Regel die Sprache und Logik, rechts die Kreativität und der Orientierungssinn. Die vielfach gefaltete Großhirnrinde (Neocortex) bildet die äußerste Schicht des Großhirns und ist zwischen zwei und fünf Millimetern dick und beherbergt unter anderem die Lern-, Sprech- und Denkfähigkeit sowie das Bewusstsein und Gedächtnis. In der Hirnrinde laufen die Informationen aus den Sinnesorganen ein, werden verarbeitet und schließlich im Gedächtnis gespeichert. Untersuchungen haben gezeigt, dass Menschen, die jahrelang regelmäßig Schlagzeug spielen, sich in ihrer Gehirnstruktur und -aktivität von unmusikalischen Menschen unterscheiden. Schlagzeuger besitzen zwar weniger aber dafür dickere Fasern im Corpus Callosum, also der Verbindung zwischen den beiden Gehirnhälften. Darüber hinaus sind die motorischen Areale der Schlagzeuger effizienter organisiert, was daran liegt, dass die meisten Menschen vor allem feinmotorische Aufgaben nur mit einer Hand ausführen können und Probleme haben, mit beiden Händen unterschiedliche Bewegungen auszuführen bzw. im Fall der Schlagzeuger sogar gleichzeitig unterschiedliche Rhythmen zu spielen. Durch dieses stärker ausgebildete Corpus Callosum können die Schlagzeuger Informationen daher schneller zwischen den Gehirnhälften austauschen, wobei auch das Gehirn von Schlagzeugern bei motorischen Aufgaben viel weniger aktiv ist als bei anderen Menschen, denn Schlagzeuger haben für komplexe Abläufe eben effektive Routinen entwickelt (Sparse Sampling), die ihr Gehirn beim Musizieren in dieser Hinsicht entlasten (Schlaffke et a., 2019).

Anmerkung: Die Ähnlichkeit des Gehirns mit einer Walnuss gilt heute in esoterischen Kreisen nach wie vor als Beleg dafür, dass in einer Nuss wesentliche Inhaltsstoffe zu finden sind, die die Funktion des Gehirns fördern. Dieses längst widerlegte Dogma basiert auf der Signaturenlehre von Paracelsus, nach der vor allem die Form einer Pflanze oder Frucht bei ihrer Heilkraft entscheidend ist. Da nun die Oberfläche einer Walnuss den Windungen des Gehirns sehr ähnlich ist, hat sie der Signaturenlehre zufolge auch etwas mit dem Gehirn zu tun. In der Weltsicht von Paracelsus und seiner Zeitgenossen ist der Mikrokosmos Mensch eingebettet in den Makrokosmos des Universums und spiegelt sich demzufolge darin, sodass etwa auf Grund der Form eine Bohne bei Nierenleiden wirksam sein muss, woraus sich gemäß der Signaturenlehre eine Therapie ableiten lässt. Dass sich die Form auf eine Funktion übertragen lässt, war aber bereits im späten Mittelalter verbreitet, doch konkret formuliert hat sie erst Paracelsus. Mit dem Aufkommen des naturwissenschaftlichen Denkens wurde dieser Zusammenhang von Ursache und Wirkung allerdings eindeutig widerlegt. Dennoch ist die Signaturenlehre auch heute in der Alternativmedizin und Esoterik noch verbreitet.

So heißt es etwa auf einer Webseite: Eine Botschaft fürs Gehirn
"Dass Baumnüsse optisch an ein menschliches Gehirn erinnern, kann man übrigens durchaus als Botschaft aus der Natur verstehen: Von allen Nüssen enthält die Baumnuss mit 8 Gramm pro 100 Gramm nicht nur am meisten Alpha-Linolensäure (eine Omega-3-Fettsäure), sondern verfügt auch über die Aminosäure Arginin sowie über die Vitamine B1, B2, B3 und Vitamin E. Zudem versorgt sie unseren Körper mit Zink, Magnesium und Kalium. Dieses ganze Paket an Vitaminen und Mineralstoffen kann sich positiv auf die Gehirnleistung auswirken. Nüsse sind daher ein idealer Pausensnack, insbesondere für Schüler und Studenten."

Übrigens ist das das menschliche Gehirn bei genauer Betrachtung asymmetrisch, denn von oben gesehen erscheint es gegen den Uhrzeigersinn gedreht, wobei die vorderen Strukturen der rechten Gehirnhälfte vergrößert sind und die hinteren der linken Hälfte. Zudem unterscheiden sich die Hälften in ihrer zellulären Architektur und in der Konzentration der chemischen Botenstoffe, die sie steuern.

Nach einem interessanten und preisgekrönten Unterrichtskonzept lernen übrigens BiologiestudenInnen in Freiburg bei der Hochschullehrerin Janina Kirsch die Struktur und den Aufbau des Gehirns, in dem die Studierenden mit Knetmasse das menschliche Denkorgan in seinen einzelnen Teilen nachbauen müssen. Dadurch machen sie sich einerseits dessen Struktur im wahrsten Sinne des Wortes begreifbar, andererseits regen sie damit nachhaltig das eigene Gehirn an.

Siehe dazu im Detail "Den Aufbau des Gehirns lernen".

Anmerkung: Neuere Kartierungen der Gehirnareale zeigen, dass das Gehirn noch komplexer ist als angenommen, denn man hat jüngst 180 klar voneinander trennbare Bereiche im äußeren Mantel des Gehirns ausfindig machen können, das sind mehr als doppelt so viele wie bisher angenommen.

Die Grenzfläche zwischen der weißen und der grauen Substanz des Gehirns wird als oberflächliche weiße Substanz bezeichnet, wobei frühere Untersuchungen darauf hindeuten, dass schwerwiegende Erkrankungen wie Alzheimer und Autismus mit dieser Region verknüpft sind. Kirilina et al. (2020) ist es jüngst mit einer innovativen bildgebenden Methode gelungen, die oberflächliche weiße Substanz im lebenden menschlichen Gehirn sichtbar zu machen. So konnte man hochauflösende Karten der Grenze zwischen weißer und grauer Substanz über das gesamte lebende Gehirn hinweg erstellen, wobei die Genauigkeit dieser Submillimeterkarten im Vergleich zu traditionellen und fortgeschrittenen histologischen Methoden beurteilt wurde, die eine physische Untersuchung und Analyse von postmortalen Gehirnen beinhalten. Der Einblick in die Organisation der Grenzfläche zwischen weißer und grauer Substanz wirft ein neues Licht auf die Entwicklung des Gehirns. Sie wiesen auch nach, dass die oberflächliche weiße Substanz sehr viel Eisen enthält, das für den Prozess der Myelinisierung notwendig ist. Myelin macht die weiße Substanz weiß und bildet die Fettschicht der Axone der Nervenzellen, die die Informationsübertragung durch das Gehirn beschleunigt. Dieser Prozess kann während der gesamten Lebensspanne auftreten, ist aber in der frühen Entwicklung des Gehirns vorherrschend. Tatsächlich fand sich die größte Eisenkonzentration in der oberflächlichen weißen Substanz in Regionen des frontalen Cortex, der sich im gesamten Prozess der Hirnreifung am langsamsten entwickelt. So ist der frontale Cortex erstaunlicherweise erst im vierten Lebensjahrzehnt eines Menschen vollständig myelinisiert.

Die Temperatur des Gehirns

Da die neuronale Funktion sehr empfindlich auf Temperatur reagiert, sollte das Gehirn isotherm sein, doch Beobachtungen bei Patienten und nichtmenschlichen Primaten deuten auf erhebliche räumlich-zeitliche Schwankungen hin. Rzechorzek et al. (2022) konnten die klinische Relevanz der Hirntemperatur bei Menschen mit Hilfe der Magnetresonanzspektroskopie ermitteln, indem sie feststellten, wie stark sie bei gesunden Erwachsenen im Verlauf des Tages schwankt. Es ging dabei um die Frage, welche Temperatur für das Gehirn eigentlich normal ist. An der Oberfläche waren die Gehirne der Probanden generell etwas kühler als tief drinnen, denn in den innersten Regionen wie etwa im Thalamus wurden mitunter sogar mehr als 40 Grad gemessen, die höchste Temperatur lag sogar bei 40,9 Grad. Bei allen variierte die Temperatur im Lauf des Tages um etwa ein Grad, am Nachmittag war das Gehirn am wärmsten, am kühlsten in der Nacht. Das gesunde Gehirn kann offenbar Temperaturen erreichen, die in anderen Körperteilen als Fieber gelten. Im Schnitt war es in den Gehirnen der Frauen um 0,4 Grad wärmer als in jenen der Männer, was vermutlich mit dem Menstruationszyklus zu tun haben dürfte. Auch mit dem Alter wird das Gehirn anscheinend wärmer, besonders im tiefen Inneren, wo der Anstieg zwischen 20- und 40-Jährigen im Schnitt 0,6 Grad betrug, wobei sich die Fähigkeit zur Kühlung im Lauf der Lebensjahre verschlechtert. Beim Vergleich mit Menschen mit Gehirnverletzungen zeigte sich, dass auch bei ihnen die Durchschnittstemperatur bei 38,5 Grad lag, jedoch waren die Schwankungen aber viel größer, zwischen 32,6 und 42,3 Grad. Ein täglicher Rhythmus dürfte für die Gesundheit des Gehirns wichtig sein.

Nanopartikel im Gehirn?

Nanopartikel, Feinstaub vorwiegend aus Abgasen und Industrieprozessen, also Objekte mit einer Größe zwischen 1 und 100 Nanometer, sind so klein, dass sie nur mit speziellen Mikroskopen zu erkennen sind und können, wenn sie in den menschlichen Körper gelangen, sowohl positive als auch negative Wirkungen entfalten. Positive können sie im Organismus etwa als Medikamententransporter genutzt werden, negativ können sie Lungen- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen mit verursachen oder verstärken. Seit neuestem weiß man, dass manche Nanopartikel auch das Nervengewebe schädigen können. So vermutet man, dass Nanopartikel aus Dieselruß Effekte auf das zentrale Nervensystem haben könnten. In den Körper gelangen können Nanopartikel entweder direkt über die Nase, über die Lunge oder den Magen-Darm-Trakt ins Blut, wobei sie etwa aus der Nasenschleimhaut über die Nerven oder durch die Lunge über das Blutund durch die Blut-Hirn-Schranke ins Gehirn transportiert werden können. Viren sind von der Größe her übrigens eine Art biologische Nanopartikel. Allerdings weiß man auf Grund fehlender Untersuchungen nicht, ob dabei Konzentrationen im Gehirn erreicht werden können, die für den Menschen relevant sind.

Praktische Hinweis: Nanopartikel finden sich auch beim Betrieb von Kopierern und Laserdruckern!


Infusion von Liquor verbessert das Gedächtnis bei alten Mäusen

Studien zum Plasmatransfer zwischen jungen und gealterten Mäusen haben gezeigt, dass sich viele Aspekte des Alterns bei gealterten Mäusen umkehren lassen, darunter die Wiederherstellung der neuronalen Plastizität und die Verringerung der Neuroinflammation. Da die Liquorflüssigkeit die unmittelbare Umgebung der Gehirnzellen ist und sich ihre Zusammensetzung mit zunehmendem Alter bekanntermaßen erheblich verändert, wurden in weiteren Studien Liquor-Transfers von jungen auf alte Mäuse durchgeführt. Der Liquor junger Mäuse wurde sechs Tage lang in die Ventrikel gealterter Mäuse infundiert, bevor Gedächtnistests und Bewertungen der Transkriptomsignatur des Hippocampus durchgeführt wurden. Es zeigte sich, dass der junge Liquor die Gedächtnisfunktion der gealterten Mäuse verbesserte. Die Zellen vermehrten sich daraufhin und steigerten die Produktion ihrer Isolierschicht, des Myelins. Die gut isolierten Nervenzellen konnten Signale besser weiterleiten als zuvor; die Gedächtnisleistung der Seniormäuse nahm zu. Oligodendrozyten erwiesen sich als die Zellen, die am deutlichsten auf den jungen Liquor reagierten. Nun werden Studien durchgeführt, um die Liquorfaktoren zu identifizieren, die diese positiven Wirkungen hervorrufen (Stangl, 2022)



[Quelle: https://www.youtube.com/embed/UHDfvfYCY0U]

Literatur

Kirilina, Evgeniya, Helbling, Saskia, Morawski, Markus, Pine, Kerrin, Reimann, Katja, Jankuhn, Steffen, Dinse, Juliane, Deistung, Andreas, Reichenbach, Jürgen R., Trampel, Robert, Geyer, Stefan, Müller, Larissa, Jakubowski, Norbert, Arendt, Thomas, Bazin, Pierre-Louis & Weiskopf, Nikolaus (2020). Superficial white matter imaging: Contrast mechanisms and whole-brain in vivo mapping. Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaz9281.

Rzechorzek, Nina M., Thrippleton, Michael J., Chappell, Francesca M., Mair, Grant, Ercole, Ari & Cabeleira, Manuel (2022). A daily temperature rhythm in the human brain predicts survival after brain injury. Brain, doi:10.1093/brain/awab466.

Ruder, Ludwig, Schina, Riccardo, Kanodia, Harsh, Valencia-Garcia, Sara, Pivetta, Chiara & Arber, Silvia (2021). A functional map for diverse forelimb actions within brainstem circuitry. Nature, doi:10.1038/s41586-020-03080-z.

Lara Schlaffke, Sarah Friedrich, Martin Tegenthoff, Onur Güntürkün, Erhan Genç, Sebastian Ocklenburg (2019). Boom Chack Boom – A multimethod investigation of motor inhibition in professional drummers. Brain and Behavior, doi:10.1002/brb3.1490.

Stangl, W. (2022, 12. Mai). Infusion von jungem Liquor verbessert das Gedächtnis bei alten Mäusen. Psychologie-News.
https://psychologie-news.stangl.eu/4175/infusion-von-jungem-liquor-verbessert-das-gedaechtnis-bei-alten-maeusen

Stangl, W. (2022, 13. Juni). Wie heiß ist es im menschlichen Gehirn? arbeitsblätter news.
https://arbeitsblaetter-news.stangl-taller.at/wie-heiss-ist-es-im-menschlichen-gehirn/.

Tortora G.J. & Derrickson B.H. (2006). Anatomie und Physiologie. Wiley-Blackwell. Speckmann E.-J. (2008). Physiologie. Urban & Fischer.

http://www.seniorenpro.de/extern/xipolis/article?werkId=bgesundheit&artikelId=70019500

https://www.wissenschaft.de/erde-klima/der-evolution-des-gehirns-auf-der-spur/ (19-08-22)