Gehirn

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Energiebedarf des Gehirns

Das Gehirn ist ein höchst aktives Organ mit sehr hohen Energiebedarf. Bei Erwachsenen ist das Gehirn zwar 2% der Körpermasse, aber es benötigt in körperlicher Ruhe ca. 20% der Glukose (Nährstoff)[Anm. 1] und 25% des Sauerstoffs. - Bei plötzlichem Ausfall der Durchblutung (z.B. Herzstillstand) steht dem Gehirn rund 20% des zirkulierenden Blutes als Energieversorgung zur Verfügung. Damit kann es noch ca. 10 sec normal weiterarbeiten. Danach wird der Mensch bewusstlos (Synkope). Nach ca. 30 sec ist kein EEG ableitbar.[Anm. 2] Nach etwa 3 min ist das Absterben erster Gehirnzellen beobachtbar. Nach ca. 10 min ohne Sauerstoff ist das Gehirn irreparabel schwerst geschädigt mit der Gefahr auf Hirntod. Jede weitere Minute ohne Sauerstoff erhöht die Wahrscheinlichkeit des Hirntods. [1]

Mit dem Tod von Großhirn, Kleinhirn und Hirnstamm sind Wahrnehmung und Bewusstsein sowie lebenswichtige Reflexe erloschen. Dies kennzeichnet den Tod des Hirntoten und damit des Menschen.

Eigenschaften des Gehirns

Das Gehirn empfängt massenweise Informationen, doch nur ein kleiner Teil davon wird tatsächlich so weit verarbeitet, dass er in unser Bewusstsein gelangt. Erlebtes, über das wir nicht berichten können, ist unbewusst. Dennoch lenkt die unbewusste Verarbeitung im Gehirn Handlungen und löst sie manchmal auch aus.[2]

Das Gehirn umfasst rund 100 Mrd. Zellen. Etwa 10% davon sind spezialisierte, elektrisch aktive Nervenzellen (Neuronen), die untereinander mit Signalen kommunizieren. Das unterscheidet das Gehirn von allen anderen Organen. Die Signale sind zwar elektrisch, aber die Signalübertragung zwischen den Zellen erfolgt chemisch mithilfe sogenannter Neurotransmitter.[2]

Das Gehirn besteht aus Modulen. Verschiedene Teile erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Die Module stehen untereinander in enger Verbindung und arbeiten stets im Wechselspiel miteinander und dem übrigen Körper. Funktionen unterer Ebenen (wie Sinnesempfingungen) sind meist strikt lokalisiert, während bei übergeordneten Funktionen (wie Gedächtnis und Sprache) die Hirnareale zusammenarbeiten.[2]

Der Grundbauplan des Gehirns ist genetisch festgelegt. Wie beim ganzen Körper liegt allen Gehirnen dieselbe Anatomie zugrunde, und doch ist jedes einzigartig. "Selbst eineiige Zwillinge haben von Geburt an sichtbar unterschiedliche Gehirne, denn das Gehirn ist sehr sensibel für seine Umwelt. Die Unterschiede bewirken, dass jeder Mensch eine einzigartige Persönlichkeit hat."[2]

Hirngewebe lässt sich wie ein Muskel trainieren, je nachdem, wie vie man es benutzt. Lernt jemand eine Fertigkeit wie Klavierspielen oder Mathematik und übt sie aus, vergrößert sich der damit befasste Teil des Gehirns. Zudem arbeitet er effizienter, sodass die Ausübung ver Fertigkeit immer besser gelingt.[2]

Das Gehirn ist sehr kompakt. Würde man alle Windungen glatt streichen, entstünde eine Oberfläche von rund 2.300 cm². Zwischen den rund 100 Mrd. Neuronen des Gehirns gibt es mehr potentielle Verbindungen, als es Atome im Universum gibt. Beim Fötus bilden sich 250.000 Neuronen pro Minute. Ein Mensch wird praktisch mit allen Neuronen geboren, doch die neuronale Netzwerke sind noch unreif. Der präfontrale Cortex ist erst mit Ende 20 ausgereift. Je nach Art des Neurons beträgt die Leitungsgeschwindigkeit 1 bis 100 Meter pro Sekunde. Wir nutzen das Gehirn in seiner Gesamtheit.[Anm. 3] An komplexen Funktionen wie Erinnerung sind viele Areale beteiligt. Man verliert im Alter keine Gehirnzellen, doch lassen manche Funktionen nach. Durch Übung lassen sich bestehende Vernetzungen bewahren und sogar neue bilden. Das Hirngewebe hat keine Schmerzrezeptoren. Es registriert somit Schmerzreize aus dem gesamten Körper, aber nicht aus sich selbst.[3]

Aufbau des Gehirns

Anatomie des Gehirns

Das Gehirn lässt sich morphologisch, entwicklungsgeschichtlich und funktionell in folgende Abschnitte gliedern:[4]

Diese Gehirnregionen werden zusammengefasst:[4]

  • Hirnstamm = Medulla oblongata + Pons + Mesencephalon
  • Rautenhirn (Rhombencephalon) = Medulla oblongata + Pons + Cerebellum
  • Hinterhirn (Metencephalon) = Pons + Cerebellum


Großhirn

Das Großhirn (Telencephalon) ist mit etwa 85% der gesamten Gehirnmasse der größte Teil des menschlichen Gehirns. Mit seinen rund 100 Mrd. Gehirnzellen bildet es etwa 100 Billionen Synapsen zu anderen Nervenzellen, d.h. eine Gehirnzelle (Neuron) ist mit mit 1.000 anderen Neuronen verbunden.
Das Großhirn ist das Zentrum unseres Bewusstseins und unserer Wahrnehmungen (Sinne, auch Schmerzempfinden). Es fühlt und handelt bewusst. In den verschiedenen Bezirken (Rindenfeldern) des Großhirns gibt es Arbeitsteilung:

  • Sensorische Felder
    Sie verarbeiten die von den Sinnesorgane kommenden Informationen.[Anm. 4]
  • Motorische Felder
    Sie aktivieren Muskeln und regeln die willkürlichen Bewegungen.
  • Gedanken- und Antriebsfelder
    Sie sind die Zentren unseres Denkens, Erinnerns und Planens.

Die 2-5 mm dicke Großhirnrinde (Neocortex) besteht aus rund 19 Mrd. Nervenzellen bei der Frau, rund 23 Mrd. Nervenzellen beim Mann. In ihr läuft unser Lernen und Denken ab, sowie das Bewusstsein und das Gedächtnis. Seine elektro-chemische Aktivität kann mit einem EEG nachgewiesen werden.

Rindenfelder

Assozitionsareale

Es wird zwischen unimodalen und multimodalen Assoziationsarealen unterschieden:

  • Unimodale Assoziationsareale
    An die primären Rindenfelder angrenzend liegen die unimodalen Assoziationstren der Hirnrinde (Kortex). Generell erfolgen dort erste Interpretationen der in den primären Rindenfeldern wahrgenommenen Sinnesreize statt. Die aktuellen Informationen werden mit gespeicherten verglichen und daran ihre Bedeutung erkannt. "Innerhalb dieser Areale werden die basalen Sehinformationen in eine umfassende Analyse der visuellen Welt integriert. Der somatosensible Asssoziationskortex liegt direkt hinter dem primären somatosensiblen Kortex ... und der auditorische Assoziationskortex im Bereich des Gyrus temporalis superior ... Die genannten Kortexareale erhalten keine direkten (aber indirekte über das Pulvinar) Eingänge vom Thalamus, sondern sind über über Assoziationsfasern mit den primären Rindenfeldern verbunden.[5]
  • Multimodale Assoziationsareale
    "Die multimodalen Assozitionsareale lassen sich keinem bestimmten Primärfeld zuordnen. Sie stehen durch afferente und efferente Verbindungen mit zahlreichen Hirnarealen in Verbindung und verarbeiten Informationen verschiedener sensibler und sensorischer Modalitäten. In diesen Arealen werden sprachliche oder motorische Konzepte entworfen oder Vorstellungen gebildet, die unabhängig von einem direkten sensiblen/sensorischen Input sind. Den größten Raum (20% des Neocortex) nimmt hier der multimoale Teil des Frontlappens ein.[6]

Kleinhirn

Das Kleinhirn (Cerebellum) ist mit etwa 12% der gesamten Gehirnmasse nach dem Großhirn der zweitgrößte Teil des Gehirns. Wie das Großhirn weist es etwa 100 Mrd. Nervenzellen auf. Es ist vielfach mehr gefaltet als das Großhirn und kommt damit trotz dem 1/8 an Größe des Großhirns auf die gleiche Oberfläche wie das Großhirn. Es mehren sich die Hinweise, dass das Kleinhirn mit entscheidend für geistige Vorgänge besitzt.[7]
Die bekannten Aufgaben des Kleinhirns bestehen darin, den Körper im Gleichgewicht zu halten und die Bewegungen zu koordinieren. Hierbei wird zwischen den bewussten und den automatischen Bewegungsabläufen unterschieden:

  • bewusste Bewegungsabläufe
    Bei bewussten Bewegungsabläufen koordiniert das Kleinhirn die Informationen der Sinnesorgane mit der Muskeln. Ohne diese Tätigkeit würde unser Arm beim Ergreifen von Gegenständen ruckartige Bewegungen ausführen und meist das Ziel verfehlen. So aber erfolgt ein beständiger Soll-Ist-Vergleich, d.h. ist die Hand wirklich dort, wo sie sein soll.
  • automatische Bewegungsabläufe
    Das Kleinhirn speichert auch automatische Bewegungsabläufe. Das erlernte Gehen und das Schreiben mit der Tastatur sind solche automatische Tätigkeiten.

Siehe: Kleinhirn

Hirnstamm

Der Hirnstamm (Truncus cerebri) ist der entwicklungsgeschichtlich älteste Teil des Gehirns. Er regelt die essenziellen Lebensfunktionen. Fällt der Hirnstamm völlig aus, so tritt der Herztod binnen weniger Minuten ein. Der Hirnstamm wird eingeteilt in:[8]

  • Mittelhirn
    Zum Mittelhirn gehören Großhirnschenkel (Crura cerebri), Mittelhirnhaube (Tegmentum mesencephali) und Mittelhirndach (Tectum mesencephali).
    Das Mittelhirn steuert die meisten Augenmuskeln: die Bewegung der Augen, die Irismuskulatur ("Blende") und die Zillarmuskeln ("Fokusierung").
    Das Mittelhirn ist auch wichtiger Bestandteil der Zentrale für die Bewegung (Extrapyramidalmotorische System (EPMS)).[9]
  • Pons
    Der Pons ist Durchgang für alle Bahnen, die davor- und dahintergelegene Bereiche des ZNS miteinander verbinden, sowohl zwischen Hirnbereichen wie auch mit dem Rückenmark.[10]
  • verlängertes Mark
    Das verlängerte Mark ist die Schnittstelle zum Rückenmark und wird daher auch als "Nachhirn" bezeichnet. Es reguliert den Blutdruck, die Herzfrequenz, die Atmung und verschiedene Reflexe (Nies-, Saug-, Husten-, Schluck- und Lidschlussreflex) sowie des Erbrechens. Es reguliert auch den Säure-Basen-Haushalt des Körpers.
    Über 12 Paar Hirnnerven steht es in Verbindung mit Sinnesorganen, Muskulatur und Drüsen im Kopf. Dabei leitet es die Informationen überkreuz weiter, so dass die linke Körperhälfte von der rechen Gehirnhälfte gesteuert wird und umgekehrt.

Ein Ausfall des verlängerten Marks führt meistens zum Tod, z. B. durch eine Verletzung der Halswirbelsäule (Genickbruch).

Zwischenhirn

Das Zwischenhirn (Diencephalon) umschließt den 3. Hirnventrikel. Es erfüllt zahlreiche lebenswichtige Lebensvorgänge. Als vegetatives Zentrum steuert es alle wichtigen Stoffwechselvorgänge wie Wärme- und Wasserhaushalt, Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinstoffwechsel, zentralnervöse Regulierung des Vasomotorenapparates (Änderung des Blutdrucks, Kollaps) der blutbildenden Organe und der Schweißsekretion, außerdem mehrere, dem extrapyramidalmotorischen System zugehörige Kerne. Das Zwischenhirn-Hypophysen-System beeinflusst alle wichtigen Stoffwechselfunktionen sowie die Gonaden. Das Zwischenhirn kann nach seinen Funktionen eingeteilt werden in:[11]

Aufgaben des Gehirns

Wenn auch die Aufgaben des Gehirns getrennt betrachtet werden, so spielen sie doch meist sehr eng zusammen. Das soll beim unvorsichtigen Griff auf eine heiße Herdplatte verdeutlicht werden:

  • Wir empfinden bewusst den Schmerz, den die heiße Herdplatte auslöst.
  • Wir pusten, damit die Hand schnell gekühlt wird.[Anm. 5]
  • Wir denken: "Von Herdplatten kann eine Gefahr ausgehen."
  • Wir verbinden mit heißen Herdplatten die Emotion des Schmerzes.
  • Wir lernen mit (heißen) Herdplatten vorsichtig umzugehen.

Wahrnehmung

Wahrnehmung ist die Summe aller Sinneswahrnehmung. Mit unseren Sinnen nehmen wir die Umwelt war, in der wir leben.

Die Informmationen aus der Umwelt gelangen über die verschiedenen Sinnesorgane ins Gehirn. Dort werden sie in spezifische, sogenannte primäre sensorische Felder (Areale) geleitet. Unter diesen Informationen sind auch Inputs aus unserem Körper. Fehlen äußere Reize, sind die Areale dennoch aktiv: man nimmt an, dass sie dann jene Erlebnisse produzieren, die wir als Träume, Halluzinationen und Imagination kennen. - Meist empfangen wir über viele sensorische Felder gleichzeitig Informationen, wie etwas visuelle und auditive Signale bei einem Feuerwerk. Die Signale werden oft an Assoziationsfelder weitergeleitet, die alle Informationen bündeln. Gelangen diese Informationen ins Bewusstsein, entsteht eine multisensorische Wahrnehmung.[3]

Bewegung

Durch Bewegung agieren wir in der Welt, in der wir leben.

Bestimmte Hirnareale sind darauf spezialisiert, Bewegungen auszulösen. Module des Hirnstamms steuern automatisch innere Vorgänge wie die Atembewegungen von Lunge und Brustkorb, Herzschlag und die Verengung oder Erweiterung der Blutgefäße zur Regelung des Blutdrucks. Bei bewussten Handlungen sendet der primäre motorische Cortex über Kleinhirn und Basalganglien Signale an die Skelettmuskulatur, um Bewegung zu erzeugen.[2]

Denken

Denken ist die Summe aller kognitiven Tätigkeiten.

Das Gehirn nutzt Sinneseindrücke, Wahrnehmungen und Emotionen, um Handlungen zu planen. Manchmal kommt es dabei zu interner Gehirnaktivität, zu Gedanken. Die innere Verbalisierung entsteht in den motorischen Arealen, ohne äußerlich sichtbar zu sein. Bestimmte Aktivitäten im Hippocampus erleben wir als Sich-Erinnern.[3]

Sprache

Sprache bedeutet, selbst zu sprechen (Sprachproduktion) als auch zu analysieren, was andere sagen, um dessen Bedeutung zu erfassen. Dem zugrunde liegt die Fähigkeit des Gehirns, Objekte mit abstrakten Symbolen (Wörtern, Zeichen, Gedanken) zu verbinden und diese anderen Menschen mit Worten zu vermitteln. Neben der Kommunikation mit anderen Menschen ermöglicht dies, über die eigenen Gedanken und Ideen refletiv nachzudenken.[2]

Emotionen

Zu den Emotionen gehören Freude und Schmerz, Angst und Hoffnung.

Bestimmte Reize, aber auch Gedanken und Vorstellungen, aktivieren das limbische System, besonders die Amygdala, und rufen körperliche Veränderungen hervor. Bewusste Gefühle entstehen, wenn das libische System Signale an Assoziationsfelder im präfrontalen Cortex sendet, die zum Bewusstsein beitragen. Bei Heranwachsenden werden Emotionen vor allem von der Amygdala verarbeitet.[3]

Lernen

Lernen ist die Fähigkeit, Wissen und Erfahrungen abzuspeichern und bei Bedarf wieder abzuspeichern.

Einiges von dem, was wir erleben, verändert Neuronen nachhaltig, sodass die vom ursprünglich Erlebten bewirkte neuronale Aktivität später wieder abrufbar sind. So entstehen Erinnerungen, das Gedächtnis, dank dessen wir uns in unserem Verhalten von früheren Erfahrungen leiten lassen können.[2]

Zusammengefasst

Die einzelnen Teile des Gehirns besitzen alle ihre speziellen Aufgaben. In der Gesamtheit jedoch bringen sie die Leistung hervor, die wir an unserem Gehirn bewundern:[12]

  • Großhirn
    Das Großhirn besteht aus einer linken und einer rechten Gehirnhälfte, die mit dem sogenannten Balken miteinander verbunden sind. Über den Balken tauschen sich die beiden Gehirnhälften Informationen aus. Die rechte Hirnhälfte ist vor allem für die linke Körperhälfte zuständig und hat eher eher den Überblick über das Ganze, die linke Hirnhälfte ist für die rechte Körperhälfte zuständig und ist stärker auf Deteails spezialisiert. Trotzdem werden Aufgaben von beiden Gehirnhälften gemeinsam und gleichzeitig erledigt.
    Die Großhirnrinde (Cortex) nimmt mehr als 50% der Gehirnmasse ein und ist Sitz von Bewusstsein, Verstand, Handlungsplanung, Vorstellung, Gefühlen, Sprache und logischem Denken.
  • Kleinhirn
    Im Kleinhirn lernen wir alle unsere motorischen Abläufe, gehen, balancieren, tanzen, auf der Tastatur blind tippen, ... Es übernimmt alle Routinen, damit das Großhirn für das Denken frei ist.
  • Hirnstamm
    Der Hirnstamm ist evolutionsgeschichtlich unser ältester Teil des Gehirns. Zu ihm zählen Mittelhirn, Brücke und verlängertes Mark. Durch den Hirnstamm kommen und gehen alle vom und zum Rückenmark verlaufenden Informationen.
    Der Hirnstamm ist zuständig für die Atmung und nimmt Einfluss auf das Herz. Er schüttet verschiedene Botenstoffe aus, darunter Noradrenalin, Serotonin und Dopamin, die uns sehr in unserem Fühlen und Denken beeinflussen.
  • Zwischenhirn
    Das Zwischenhirn besitzt 5 Areale, von denen diese sehr wichtig sind:
    • Thalamus
      Er wird oft als "Tor zum Bewusstsein" bezeichnet, denn er leitet die für das Bewusstsein wichtigen Informationen oder auch Anfragen an die Großhirnrinde weiter. Bis auf unser Geruchsinn laufen alle Sinneneindrücke über den Thalamus zum Großhirn.
    • Hypothalamus
      Er regelt alle wichtige Grundfunktionen unseres Körpers: Wach-Schlaf-Rhythmus, Hunger- und Durstgefühl, Flüssigkeits-, Wärme- und Hormonhaushalt. Unsere Triebe und Affekte werden von ihm gesteuert.
  • Limbisches System
    Es ist für die Entstehung und Verarbeitung von Emotionen zuständig. Funktional gehören auch verschiedene Gebiete des Cortex dazu.
  • Arbeitsgedächtnis
    Es befindet sich im präfrontalen Cortex. Es behält wichtige Informationen der Gegenwart, so z.B. den Anfang des Satzes. Es greift auf Informationen zu, die wir zum Erfassen einer Situation, zum Lösen komplexer Aufgaben und für das Lernen neuen Wissens brauchen.

Weitere Funktionen übernehmen diese Hirnteile:[13]

  • Amygdala
    Es ist unser Angstzentrum.
  • Hippocampus
    Er ist für das Lernen und sich Erinnern wichtig. Er weiß, wo welche Informationen liegen.
  • Gyrus cinguli
    Er ist für unsere Konzentration, Aufmerksamkeit und Schmerzverarbeitung zuständig. Er regelt unsere Emotionen und stellt Kontakte zwischen dem Cortex und unbewusst arbeitenden Zentren her.
  • Insula
    Die Inselrinde ist für unser Geschmacksempfinden zuständig, mischt aber auch bei Ekel und Schmerzwahrnehmung mit.
  • Papez-Kreis
    Er verbindet den Gyrus cinguli mit dem Thalamus und dem Hypothalamus.

Sonstiges

Evolutionäre Entwicklung

Die evolutionäre Entwicklung des Gehirns beginnt mit der Bildung der ersten Nervennetzen.

Nesseltiere gehören zu den ältesten Tiergruppen (ca. 550 Mio. Jahre). Sie besitzen ein sehr einfaches Nervennetz.

Fadenwürmer haben ein sehr einfaches Nervensystem. Plattwürmer besitzen ein strickleiterförmiges Nervensystem (Strickleiternervensystem).

Später folgte die Caphalisation (Kopfbildung) und damit die Zerebralgangion. Hierbei haben sich zweierlei Formen entwickelt, das Cerebralganglion und das Oberschlundganglion.

Die Gliederfüßer besitzen mit ihrem Strickleiternervensystem ein einfaches Nervensystem, die Wirbeltiere ein hochentwickteltes Gehirn.

Bei Insekten zieht sich der Verdauungstrakt direkt durch das vordere Nervensystem (zwischen Tritocerebrum und subösophagealem Ganglion), sodass die Bauchganglien ventral (bauchseitig) des Darmrohrs liegen Bauchmark, während bei Wirbeltieren das Rückenmark dorsal (rückenseitig) des Darms liegt Rückenmark.

Kopffüßer und Wirbeltiere haben ein besonders stark zentralisiertes Nervensystem.

Blutversorgung des Gehirns

Unser Gehirn benötigt für seine Durchblutung ca. 15% des Herzzeitvolumens. Das sind anders ausgedrückt 1,2 Liter Blut pro Minute oder 60-80 ml pro Minute pro 100 g Hirngewebe. Kommt es zu einem Engpass der Durchblutung, so treten ab 20 ml/100 g/min neurologische Funktionsstörungen auf. Daher ist mit 20 ml/100 g/min die Ischämieschwelle definiert.[14]

Unser Gehirn macht nur ca. 2% der Körpermasse aus, benötigt jedoch zur Aufrechterhaltung seiner Funktionen bei körperlicher Ruhe ca. 20% des zirkulierenden Blutes. Hieraus errechnet sich ein Bedarf von etwa 55 ml pro 100 g Gehirngewebe pro Minute. Sinkt die Durchblutung auf unter 40 ml pro 100 g pro Minute, kommt es zu schrittweisen Verlusten der Hirnfunktionen, bei unter 15 ml pro 100 g pro Minute ist die kritische Grenze des Strukturstoffwechsels unterschritten. Die Gehirnzellen können nicht mehr ihre Zellmembranstruktur aufrecht erhalten. Es kommt es durch Wassereinstrom in die Gehirnzellen zu einem Hirnödem und schließlich zum Zelltod.[15]

Durch das Gehirn strömen pro Minute etwa 750-1.000 ml Blut. Etwa 350 ml fließen durch jede A. carotis interna und 100-200 ml durch das vertebrobasiläre System. Beim Kleinkind beträgt pro Minute die Durchblutung pro 100 g Gehirn etwa 100 ml, beim Erwachsenen ca. 50 ml und im hohen Alter etwa 40 ml. Die Durchblutung des weißen Substanz ist mit etwa 16 ml/100 g/min konstant, die der grauen Substanz des Kortex ist im Durchschnitt mit 85 ml/100 g/min etwa 4-mal so hoch und variabel. Das Gehirn verbraucht täglich etwa 75 l Sauerstoff (3,3 ml/100 g/min) und etwa 115 g Glucose (5,3 mg/100 g/min).
Eine Verminderung der Gehirndurchblutung auf bis zu 20 ml/100 g/min lässt das Gehirn noch normal arbeiten. Fällt die Gehirndurchblutung auf unter 20 ml/100 g/min, akkumulieren exzitatorische Aminosäuren wie z.B. Glutamat. Sinkt die Gehirndurchblutung unter 15 ml/100 g/min, so tritt im Gehirn eine elektrische Stille ein. Bei Werten von ca. 8 ml/100 g/min tritt ein irreversibler Funktionsverlust ein.[16]

Bei plötzlich fehlender Durchblutung des Gehirns (z.B. durch Herzstillstand) findet sich nach ca. 6-8 sec in der grauen Substanz im Gehirn kein Sauerstoff mehr, nach ca. 10-12 sec tritt Bewusstlosigkeit ein, nach ca. 30-40 sec tritt im Gehirn elektrische Stille ein, nach 3-4 min ist die freie Glucose verbraucht. Nach 3-4 min kann es zu ersten nekrotischen Prozessen in Nervenzellen kommen. Nach mehr als 9 min führt es in der Regel zum irreversiblen Hirnfunktionsausfall (=Hirntod).[17]

Die Hirnartierien
Die Blutversorgung des Gehirns erfolgt über 4 große Gefäße, die jeweils paarig angelegt sind: Arteriae carotides internae und die Arteriae vertebrales:[18]

Die Hirnvenen
Im Gegensatz zur Peripherie des Körpers verlaufen die venösen Blutleiter des Gehirns getrennt von den Arterien. Die Verläufe von Arterien und Venen sind im Kopf verschieden. Aus dem Hirnparenchym wird das venöse Blut über kurze kortikale Venen durch den Subarachnoidalraum und den Subduralraum geleitet. Die Anatomie der kortikalen Venen ist relativ variabel.[19]

Hirninfarkt
Bei einem Hirninfarkt verstopft ein Thrombus eine das Gehirn versorgende Arterie.

Blutversorgung des Gehirns bei Hirntod

Bei steigendem Hirndruck wird die Hirndurchblutung zunächst dadurch aufrecht erhalten, indem der systemische arterielle Mitteldruck des Körperkreislaufes durch den Cushing-Reflex ansteigt. Bei weiterem Anstieg des Hirndrucks, wird dieser Mechanismus überfordert. "Erreicht der Hirndruck den arteriellen Mitteldruck des Körperkreislaufes, resultiert ein kompletter Durchblutungsstillstand, d.h. ein Totalinfarkt (Schlaganfall) aller Hirngefäße oberhalb der knöchernen Schädelbasis mit nachfolgendem Durchblutungsstillstand (Stase) des Blutes in allen Gefäßen bis hin zu den kleinsten Kapillaren. Dieser Zustand kann durch apparative Untersuchungen der Hirndurchblutung (Doppler-Schalluntersuchung, Hirnperfusionsszintigraphie, Angiographie) nachgewiesen werden."[20]

Evolution des Gehirns

Gehirne haben nur Tiere. Alle Tiere müssen auf Veränderungen des inneren und äußeren Milieus reagieren, um zu überleben. So entwickelten sich Zellen, die empfindlich für Reize wie Licht oder Vibration sind. Diese Sinneszellen sind wiederum mit anderen Zellen verbunden, die bewirken können, dass der Organismus auf den Reiz reagiert. Ein solches Netz aus Nervengewebe ist eine Art einfachstes Gehirn. Im Laufe der Evolution hat das Gehirn große Veränderungen durchgemacht. Dies wird nachfolgend in groben Schritten aufgezeigt:[21]

  • Wirbellose
    Bei Wirbellosen, wie z.B. Würmern, durchzieht ein loses Netzwerk reaktiver Fasern als Nervensystem den ganzen Körper. Manchmal enthalten solche Netzwerke kleine Ansammlungen von Nervenzellen (Ganglien). Diese sind Vorläufer der Strukturen, die in manchen Gruppen zum ZNS wurden.
    Die Hydra besitzt ein einfaches Nervensystem, das aus lose miteinander vernetzten Sinneszellen mit Knoten aus miteinander verbundenen Zellen (Ganglien).
    Der Regenwurm besitzt ein einfaches Gehirn, das Oberschlundganglion. Es ist mit dem auf der ganzen Länge verlaufenden Bauchmark
  • Fische
    Das Großhirn der Fische erhält von den Sinnesorganen sensorische Signale und kombiniert sie mit Informationen von inneren Organen und Nerven, um die Aktivität zu steuern. Das Kleinhirn ist groß, da es die Bewegung und Druckmessung koordiniert.
  • Amphibien
    Das Gehirn der Amphibien ähnelt dem der Fische, doch ist das Großhirn von Nervengewebe überdeckt. Die Region dient vor allem dazu, Gerüche wahrzunehmen. Das Großhirn ist deutlich größer als das Kleinhirn.
  • Reptilien
    Heutige Reptilien zeigen ein weiterentwickeltes Großhirn. Der Riechkolben ist verhältnismäßig groß und hoch entwickelt.
  • Vögel
    Das Gehirn der Vögel gleicht dem der Reptilien, nur ist das Kleinhirn sehr ausgeprägt, da es Gleichgewicht und Flughaltung steuert. Trotz des großen Riechkolben haben nur wenige Vögel einen guten Geruchssinn, so etwa der Kiwi.
  • Säugetiere
    Bei Säugetieren ist das Großhirn deutlich größer als das Kleinhirn. Die Oberfläche des Großhirns ist der Cortex. Er ist stark gefaltet, sodass - verglichen mit dem eher glatten Reptiliengehirn mehr davon in den Schädel passt.
  • Mensch
    Das Gehirn der Menschen ist vom Großhirn dominiert. Seine Rinde ist stark gewunden und gefurcht, damit möglichst viel davon Platz findet. Das Kleinhirn ist ebenfalls groß. Es steuert komplexe Bewegungen.

Hierarchische Struktur

Cortex
Limbisches System
Mittelhirn
Hirnstamm

Der anatomische Aufbau des Gehirns entspricht ungefähr der mentalen Organisation. Höhere geistige Prozesse laufen meist in den oberen Regionen ab. Die unteren Abschnitte regeln grundlegende Vitalfunktionen:[22]

  • Cortex
    Die oberste Hirnregion ist der Cortex. Es ist vor allem mit bewussten Empfindungen, abstrakte Denkprozesse, Überlegungen, Planung, dem Arbeitsgedächtnis und ähnlichen übergeordneten geistigen Prozessen befasst.
  • Limbische System
    Das limbische System im Innern dient mehr emotionalen und instinktiven Verhaltensweisen und Reaktionen. Es enthält auch das Langzeitgedächtnis.
  • Mittelhirn
    Der Thalamus ist ein Vorverarbeitungs- und Schaltzentrum, vor allem für sensorische Informationen aus dem unteren Hirnstamm, die letztlich für die Hemisphären des Großhirns bestimmt sind.
  • Hirnstamm
    Der Hirnstamm umfasst vegetative Hirnzentren, die auch bei Bewusstlosigkeit die Lebenfunktionen erhalten, u.a. Herzschlag und Atmung.

Sonstig

Dass verschiedene Hirnregionen bestimmte Aufgaben übernehmen, wird Lateralisation des Gehirns genannt.

Ab dem 20. Lebensjahr nimmt die Gehirnmasse jährlich um rund 1 g ab. Das Gehirn schrumpft, weil Neuronen absterben und nicht ersetzt werden. Alkoholgenuss - insbesondere Alkoholsucht - reduziert das Gehirn weiter. Studien belegen, dass Alkoholiker durchschnittlich 1,6% weniger Gehirnmasse haben als Abstinenzler. Bei einer anderen Studie führten die 60- bis 79-jährigen Testpersonen 6 Monate regelmäßig entweder Aerobic- oder Spannungs- und Dehnübungen aus. Bei allen wurde vor und nach diesen 6 Monaten ein MRT-Scan durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass das Gehirnvolumen derer, die Aerobic gemacht hatten, größer geworden war.[23]

Der Zelltod

http://www.diss.fu-berlin.de/diss/servlets/MCRFileNodeServlet/FUDISS_derivate_000000002462/1_1-Nogai_Einleitung.pdf?hosts=

Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie (KSTH)
"Das Gehirn verfügt über einen hohen Metabolismus im Verhältnis zum restlichen Körper, ist sehr anfällig gegenüber Hypoxie und Ischämie und besitzt nur geringe Speichermöglichkeiten für Sauerstoff, energiereiche Phosphate und Kohlenhydrate. Ischämische Hirnschädigung wird durch eine Kombination einer Vielzahl von pathophysiologischer Faktoren verursacht. Auf der einen Seite spielt eine signifikante Alteration der zerebralen Perfusion eine Rolle, auf der anderen Seite werden viele biochemische und immunologische Kaskaden aktiviert, die eine sekundäre Zellschädigung begünstigen."[24]

"Zum Zelluntergang führt eine hypoxische oder ischämische Schädigung mit Störung der Sauerstoffverfügbarkeit auf zellulärem Level, der oxidativen Energiegewinnung und der Glykolyse. Zusätzlich führen auch endotheliale Vorgänge, wie Komplementaktivierung und Bildung von Sauerstoffradikalen zum Zelluntergang."[24]

https://de.wikipedia.org/wiki/Depolarisation_(Physiologie)

"Das Gehirn beansprucht 16-17% des Herzminutenvolumens und 20% des Sauerstoffbedarfes des Körpers. Die Perfusion des Erwachsenen beträgt 50ml/100g/min. Kommt es aufgrund einer Perfusionsminderung zu einer Sauerstoffminderversorgung des Gehirns kann dies zu reversiblen oder irreversiblen Schädigungen führen. Eine temporäre Verminderung des Blutflusses auf 20ml/100g/min zieht noch keine Veränderungen nach sich. Sinkt die Durchblutung dagegen auf 15ml/100g/min kommt es zum Erliegen elektrophysiologischer Vorgänge und bei einer Perfusion von weniger als 6-8ml/100g/min folgt der irreversible Funktionsverlust."[25]

"Bei einer globalen Sauerstoff-Minderversorgung, ist nach 6-8 Sekunden jeglicher Sauerstoff verbraucht, es kommt nach 10-12 Sekunden zur Bewusstlosigkeit und nach 4-5 Minuten bereits zu nekrotischen Veränderungen. Wird eine globale Ischämie überlebt, kommt es zur Entwicklung einer verzögerten, selektiv neuronalen Vulnerabilität."[25]

"Auf zellulärer Ebene kommt es als Folge der Ischämie zum kompletten Verbrauch von Sauerstoff und Glukose. Durch den daraus resultierenden Mangel an Energie in Form von ATP bricht das Ruhemembranpotential der Zellen zusammen. Daraus resultiert eine anhaltende Depolarisation der Zellen, die zur Öffnung präsynaptischer und somatodendritischer spannungsabhängiger Kalziumkanäle führt. Eine vermehrte Freisetzung von Glutamat in den Extrazellulärraum exzitotoxisch und aktiviert die Genexpression für Inflammationsgene."[25]

"Glutamat selbst bindet an verschiedene Rezeptoren und bewirkt in der Folge eine erhöhte Freisetzung von Kalzium in den Intrazellulärraum (IZR). So wird über den ionotropen Glutamatrezeptor N-Methyl-D-Aspartat (NMDA) eine vermehrte Permeabilität für Kalzium, Natrium und Kalium bewirkt. Ihre Permeabilität in den Neuronen für Kalzium liegt um das fünfzigfache höher als die der AMPA-Rezeptoren (α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazol-propionsäure). Die physiologische Blockade dieses Rezeptors wird durch Magnesium sichergestellt. Über die AMPA-Rezeptoren erfolgt ein vermehrter Einstrom von Natrium. Durch die damit verbundene Depolarisation wird die Magnesiumblockade des NMDA-Rezeptors aufgehoben und es kommt zum indirekten Erhöhung des Kalzium-Einstroms. Durch Verbindung mit dem metabotropen Rezeptor wird Phospholipase C aktiviert und das entstehende Inositoltriphosphat (IP3) setzt Kalzium aus dem Extrazellulärraum frei. Zusammenfassend bewirkt das vermehrte intrazelluläre Kalzium den passiven Einstrom von Natrium und Chlorid, was die Ausbildung eines Ödems nach sich zieht."[25]

"Durch den Anstieg des Kalziums über die Glutamat-Rezeptor-Bindung kommt es zur Aktivierung proteolytischer Enzyme, zur Aktivierung von Phospholipase A2 und Cyclooxygenase mit Entstehung freier Radikale, die zu Mitochondrienschäden führen können. Die geschädigten Mitochondrien setzen Cytochrom C frei und induzieren damit die Apoptose.
Dabei spielen sog. Caspasen eine Schlüsselrolle, die die DNA in Bruchstücke spalten. Neurone scheinen für den durch Caspasen induzierten apoptotischen Zelltod besonders anfällig zu sein. Vor allem trifft dies für die Nervenzellen der Penumbra zu. Eine Blockade der Caspasen könnte das Erliegen des Energiestoffwechsels in den Neuronen der Penumbra verhindern und somit das Volumen untergehender Neurone reduzieren."[25]

"Am Ende der Kaskade steht die Apotptose. Diese ist ein dem physiologischen Zelltod verwandter aktiver Mechanismus, der von der Nekrose abgegrenzt werden kann. Letztere ist überwiegend bei akutem und vollständigem Verschluss der zerebralen Gefäße zu beobachten. Allerdings kann ein und derselbe Reiz aufgrund seiner Stärke sowohl nekrotische als auch apoptotische Vorgänge in Gang setzen."[25]

"Der Gewebeuntergang nach zerebraler Ischämie kommt also durch das Zusammenspiel mehrerer Pathomechanismen zustande. Hierzu zählen die Exzitotoxizität, die Peri-Infarkt-Depolarisation, die Inflammation und die Apoptose. Alle vier Mechanismen können Ansatzpunkte für die Therapie des Schlaganfalles darstellen. Die Reperfusion ist jedoch stets das primäre Therapieziel, da zu Beginn der Ischämie immer eine Perfusionsstörung steht."[25]

"Durch die Beeinträchtigung des Energiestoffwechsels führen komplexe Schadenskaskaden zum Gewebsuntergang. Die durch Glutamat vermittelte Exzitotoxizität, Peri-Infarkt Depolarisation, Inflammation und Apoptose stellen pathogenetisch die Hauptschadensmechanismen dar."[26]


Die Gehirnzellen

Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark können sich nicht teilen. Daher haben alle Hirnschädigungen (Hirninfarkt, längerer Stillstand des Blutkreislaufes, ..., Parkinson oder Alzheimer) bleibende Schäden. Es ist nur möglich, wenn genügend Nachbarzellen vorhanden sind, dass diese die ausgefallenen Funktionen übernehmen. Der Patient hat hierbei die verlorengegangenen Funktionen (Gehen, Greifen, Sprechen, ...) wieder zu erlernen.[27]


Arbeitsweise des Gehirns

Anhang

Siehe auch:

Siehe auch: EKP und EP und SEP

Anmerkungen

  1. Das Gehirn von Neugeborenen benötigt in Ruhe ca. 50% der Glokose.
  2. Dies wurde durch Tierexperimente belegt. (siehe Deutsche Gesellschaft für Neurologie)
  3. Behauptungen, dass wir nur 10% unseres Gehirns nutzen würden, sind falsch.
  4. Etwa 60% des Großhirns sind mit der Auswertung der Informationen der Netzhautbilder (Sehen) beschäftigt. (Quelle: Dieter Bingmann: Hirntod. In: Unikate 35/2009, 32.)
  5. Das reflektorische Zurückziehen der Hand durch den Reflexbogen erfolgt kurz bevor wir den Schmerz bewusst empfinden.

Einzelnachweise

  1. https://de.wikipedia.org/wiki/Gehirn Zugriff am 1.2.2014.
  2. a b c d e f g h Rita Carter: Das Gehirn. Anatomie, Sinneswahrnehmung, Gedächtnis, Bewusstsein, Störungen. München 2010, 38.
  3. a b c d Rita Carter: Das Gehirn. Anatomie, Sinneswahrnehmung, Gedächtnis, Bewusstsein, Störungen. München 2010, 39.
  4. a b Martin Trepel: Neuroanatomie. Struktur und Funktion. 7. Auflage. München 2017, 107.
  5. Mathias Bähr, Michael Frotscher: Neurologisch-topische Diagnostik. Anatomie - Funktion - Klinik. 10. Aufl. Stuttgart 2014, 420.
  6. Mathias Bähr, Michael Frotscher: Neurologisch-topische Diagnostik. Anatomie - Funktion - Klinik. 10. Aufl. Stuttgart 2014, 420f.
  7. Dagmar Timmann-Braun, Matthias Maschke: Das Kleinhirn ist ganz groß. In: Unikate 22/2003, 20.
  8. Pschyrembel, 701.
  9. Pschyrembel, 1053.
  10. Pschyrembel, 1341.
  11. Pschyrembel, 1825.
  12. Christiane Stenger: Wer lernen will, muss fühlen. Wie unsere Sinne dem Gedächtnis helfen. Reinbeck 2016, 61-71.
  13. Christiane Stenger: Wer lernen will, muss fühlen. Wie unsere Sinne dem Gedächtnis helfen. Reinbeck 2016, 81-83.
  14. http://www.diss.fu-berlin.de/diss/servlets/MCRFileNodeServlet/FUDISS_derivate_000000002462/1_1-Nogai_Einleitung.pdf?hosts= Zugriff am 26.8.2016.
  15. Hans-Peter Schlake, Klaus Roosen: Der Hirntod als der Tod des Menschen. 2. Auflage. Neu-Isenburg 2001, 25.
  16. W.H. Oertel, R. Hohlfeld, U. Büttner, K. Schepelmann, F. Rosenow: Nervensystem. In: Hubert E. Blum, Walter Siegenthaler (Hg.): Klinische Pathophysiologie. 9. Auflage. Stuttgart 2006, 1083.
  17. W.H. Oertel, R. Hohlfeld, U. Büttner, K. Schepelmann, F. Rosenow: Nervensystem. In: Hubert E. Blum, Walter Siegenthaler (Hg.): Klinische Pathophysiologie. 9. Auflage. Stuttgart 2006, 1084.
  18. Mathias Bähr, Michael Frotscher: Neurologisch-topische Diagnostik. Anatomie - Funktion - Klinik. 10. Aufl. Stuttgart 2014, 457f.
  19. Mathias Bähr, Michael Frotscher: Neurologisch-topische Diagnostik. Anatomie - Funktion - Klinik. 10. Aufl. Stuttgart 2014, 475f.
  20. Hans-Peter Schlake, Klaus Roosen: Der Hirntod als der Tod des Menschen. 2. Auflage. Neu-Isenburg 2001, 27.
  21. Rita Carter: Das Gehirn. Anatomie, Sinneswahrnehmung, Gedächtnis, Bewusstsein, Störungen. München 2010, 48f.
  22. Rita Carter: Das Gehirn. Anatomie, Sinneswahrnehmung, Gedächtnis, Bewusstsein, Störungen. München 2010, 57.
  23. Rita Carter: Das Gehirn. Anatomie, Sinneswahrnehmung, Gedächtnis, Bewusstsein, Störungen. München 2010, 44.
  24. a b Stephan Nicolas Schubert: Evaluation des neuroprotektiven Effektes von Methylprednisolon bei cardiopulmonalem Bypass und Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie. Berlin 2003. (med. Diss.) http://edoc.hu-berlin.de/dissertationen/schubert-stephan-nicolas-2003-09-26/HTML/chapter1.html Zugriff am 15.9.2016.
  25. a b c d e f g Manuela Geiger: Nukleosomen bei zerebraler Ischämie. München 2008. (med. Diss.) In: https://edoc.ub.uni-muenchen.de/8693/1/geiger_sandra.pdf Zugriff am 22.9.2016.
  26. Maximilian Eisler: Insulintherapie bei akutem Hirninfarkt (Intensive versus konventionelle Insulintherapie beim akuten ischämischen Hirninfarkt). Lübeck 2014. (med. Diss.) In: http://www.zhb.uni-luebeck.de/epubs/ediss1560.pdf Zugriff am 22.9.2016.
  27. Andreas W. Henkel, Johannes Kornhuber: Neuroprotektion: Hoffnungen bei Schlaganfall und neurodegenerativen Erkrankungen? Survival Kit für Nervenzellen. In: Helmut Kettenmann und Meino Gibson für die Neurowissenschaftliche Gesellschaft und Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) (Hg.): Kosmos Gehirn. 2. Aufl. Bonn 2002. In: http://www.gesundheitsforschung-bmbf.de/_media/kosmos_gehirn.pdf Zugriff am 5.9.2016.