„Gehirn“ – Versionsunterschied

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=== Leistung des Gehirns ===
=== Leistung des Gehirns ===
Das Gehirn ist ein sehr aktives Organ mit einem besonders hohen Energiebedarf. Es macht beim Erwachsenen etwa 2 % der Körpermasse aus, verbraucht mit etwa 20 Watt aber ca. 20 % des [[Grundumsatz]]es,<ref>Herbert Lochs: [http://www.dgem.de/termine/berlin2003/lochs.pdf ''Hungerstoffwechsel''.] (PDF; 1,5&nbsp;MB) 2003, S. 23</ref> beim Neugeborenen 50 %. Energie gewinnt es aus der [[aerob]]en Verbrennung von [[Glucose]], aus [[Laktat]]<ref>Avital Schurr: ''Lactate: the ultimate cerebral oxidative energy substrate? [[Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism]]''. 2006, 26, S.&nbsp;142–152</ref> und [[Ketonkörper]]n. Allerdings kann Glucose nicht vollständig durch die anderen Energieträger ersetzt werden.<ref name="BiochemiePathobiochemie.1054">Georg Löffler, Petro E. Petrides (Hrsg.): ''Biochemie und Pathobiochemie''. 7. Auflage. Springer Medizin-Verlag, Heidelberg 2003, S. 1054</ref> Säuglingsgehirne können unmittelbar nach der Geburt zu einem ganz erheblichen Anteil Ketonkörper zur Energiegewinnung nutzen.<ref name="BiochemiePathobiochemie.1054" /> Einige Zeit nach Umstellung der Ernährung des Kleinkindes auf kohlenhydratreiche Nahrung wird die dafür erforderliche Enzymproduktion jedoch wieder reduziert bzw. ganz abgebaut und die Fähigkeit zur Ketolyse (zur Nutzung von Ketonkörpern für die Energiegewinnung) geht wieder verloren.<ref name="BiochemiePathobiochemie.1054" /> Das Verhalten des Blutglucosespiegels im Hungerstoffwechsel lässt vermuten, dass ein vollständig ketolysefähiges Gehirn priorisiert Ketonkörper (vorrangig vor der Glucose, selbst bei ausreichender Glucosezufuhr über das Blut) verarbeitet.<ref>Herbert Lochs: [http://www.dgem.de/termine/berlin2003/lochs.pdf ''Hungerstoffwechsel''.] (PDF; 1,5&nbsp;MB) 2003, S. 19</ref>
Das Gehirn ist ein sehr aktives Organ mit einem besonders hohen Energiebedarf. Es macht beim Erwachsenen etwa 2 % der Körpermasse aus, verbraucht mit etwa 20 Watt aber ca. 20 % des [[Grundumsatz]]es,<ref>Herbert Lochs: [http://www.dgem.de/termine/berlin2003/lochs.pdf ''Hungerstoffwechsel''.] (PDF; 1,5&nbsp;MB) 2003, S. 23</ref> beim Neugeborenen 50 %. Energie gewinnt es aus der [[aerob]]en Verbrennung von [[Glucose]], aus [[Laktat]]<ref>Avital Schurr: ''Lactate: the ultimate cerebral oxidative energy substrate? [[Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism]]''. 2006, 26, S.&nbsp;142–152</ref> und [[Ketonkörper]]n. Allerdings kann Glucose nicht vollständig durch die anderen Energieträger ersetzt werden.<ref name="BiochemiePathobiochemieMaggi MAggi Maggi

90 % der Leistung benötigt die [[Natriumpumpe]], größtenteils im Zusammenhang mit [[Aktionspotential]]en. Da es nur geringe, arealabhängige Speicherkapazitäten für Energie besitzt, führt ein Ausfall der [[Sauerstoff]]- oder Glucoseversorgung bereits nach zehn Sekunden zu einem Funktionsausfall ([[Synkope (Medizin)|Synkope]]) und nach wenigen Minuten zu spezifischen Hirnschäden. Die geringen, auf den ersten Blick evolutionär unverständlichen Reservoirs werden manchmal durch Platzmangel erklärt. Gemäß einer anderen –&nbsp;evolutionären&nbsp;– Erklärung wich die Ernährungsweise der Menschen in der Altsteinzeit sehr stark von der heutigen Zivilisationskost ab, wodurch die Ketolysefähigkeit der damaligen Gehirne zu jedem Zeitpunkt auf natürliche Weise erhalten blieb. Dies begründet sich im Einzelnen wie folgt: Der menschliche Organismus speichert zwar fast jede zu viel aufgenommene Kalorie in den Körperfettdepots (bei einer 70&nbsp;kg schweren, gesunden, schlanken Person liegen ca. 85 % der verwertbaren Körperenergien als Körperfett vor, ca. 14,5 % als Proteine und nur 0,5 % als Kohlenhydrate<ref name="Hungerstoffwechsel.5">Herbert Lochs: [http://www.dgem.de/termine/berlin2003/lochs.pdf ''Hungerstoffwechsel''.] (PDF; 1,5&nbsp;MB) 2003, S. 5</ref>), kann aus Fett jedoch kaum noch Glukose herstellen (anteilsmäßig nur noch zu ca. 6 %, und zwar aus dem Glycerin der Triglyceride, in deren Form Fett im Organismus gespeichert wird).<ref>Philip A. Wood: ''How Fat Works''. Harvard University Press, Cambridge MA 2006</ref> Einige Wissenschaftler nehmen an, dass die fettreichere Ernährung in der Altsteinzeit zum Wachstum des Gehirns des Menschen beitrug.<ref>Leslie C. Aiello, Peter Wheeler: ''The Expensive-Tissue Hypothesis. The Brain and the Digestive System in Human and Primate Evolution''. In: ''Current Anthropology'', Band 36, Nr. 2, 1995, S.&nbsp;199–221</ref>
90 % der Leistung benötigt die [[Natriumpumpe]], größtenteils im Zusammenhang mit [[Aktionspotential]]en. Da es nur geringe, arealabhängige Speicherkapazitäten für Energie besitzt, führt ein Ausfall der [[Sauerstoff]]- oder Glucoseversorgung bereits nach zehn Sekunden zu einem Funktionsausfall ([[Synkope (Medizin)|Synkope]]) und nach wenigen Minuten zu spezifischen Hirnschäden. Die geringen, auf den ersten Blick evolutionär unverständlichen Reservoirs werden manchmal durch Platzmangel erklärt. Gemäß einer anderen –&nbsp;evolutionären&nbsp;– Erklärung wich die Ernährungsweise der Menschen in der Altsteinzeit sehr stark von der heutigen Zivilisationskost ab, wodurch die Ketolysefähigkeit der damaligen Gehirne zu jedem Zeitpunkt auf natürliche Weise erhalten blieb. Dies begründet sich im Einzelnen wie folgt: Der menschliche Organismus speichert zwar fast jede zu viel aufgenommene Kalorie in den Körperfettdepots (bei einer 70&nbsp;kg schweren, gesunden, schlanken Person liegen ca. 85 % der verwertbaren Körperenergien als Körperfett vor, ca. 14,5 % als Proteine und nur 0,5 % als Kohlenhydrate<ref name="Hungerstoffwechsel.5">Herbert Lochs: [http://www.dgem.de/termine/berlin2003/lochs.pdf ''Hungerstoffwechsel''.] (PDF; 1,5&nbsp;MB) 2003, S. 5</ref>), kann aus Fett jedoch kaum noch Glukose herstellen (anteilsmäßig nur noch zu ca. 6 %, und zwar aus dem Glycerin der Triglyceride, in deren Form Fett im Organismus gespeichert wird).<ref>Philip A. Wood: ''How Fat Works''. Harvard University Press, Cambridge MA 2006</ref> Einige Wissenschaftler nehmen an, dass die fettreichere Ernährung in der Altsteinzeit zum Wachstum des Gehirns des Menschen beitrug.<ref>Leslie C. Aiello, Peter Wheeler: ''The Expensive-Tissue Hypothesis. The Brain and the Digestive System in Human and Primate Evolution''. In: ''Current Anthropology'', Band 36, Nr. 2, 1995, S.&nbsp;199–221</ref>


Version vom 18. November 2013, 10:12 Uhr

Als Gehirn (Hirn, lateinisch cerebrum, altgriechisch Vorlage:Polytonisch, enképhalos) bezeichnet man den im Kopf gelegenen Teil des Zentralnervensystems (ZNS) der Wirbeltiere. Es liegt geschützt in der Schädelhöhle, wird umhüllt von Hirnhaut und besteht hauptsächlich aus Nervengewebe.

präpariertes menschliches Gehirn
Rotationsanimation eines menschlichen Gehirns (ohne rechtes Großhirn und mit rot markiertem Frontallappen)

Funktion

Das Wirbeltier-Gehirn verarbeitet hochdifferenziert Sinneseindrücke und koordiniert komplexe Verhaltensweisen. Es ist somit der Hauptintegrationsort für alle komplexen Informationen, die der Organismus verarbeitet.

Nicht jede Information gelangt bis zur Hirnrinde und führt zu Bewusstsein. Peripher liegende Nervengeflechte (Plexus) und vor allem Zentren im Hirnstamm verarbeiten die meisten der von Rezeptoren ankommenden Erregungen unbewusst. Reflexbögen übernehmen Aufgaben, die mit höchster Geschwindigkeit und ohne bewusste Verarbeitung und verzögernde Einflussnahme erledigt werden. Auch beim Menschen gibt es ein solches autonomes Nervensystem. Es koordiniert vegetative Funktionen wie Atmung, Kreislauf (Herzfunktion), Nahrungsaufnahme, -verdauung und -abgabe, Flüssigkeitsaufnahme und -ausscheidung sowie Fortpflanzung.

Im Gehirn interagieren stark vernetzte Neuronen (siehe Neuronales Netz und Erregungsleitung). Seine Tätigkeit wird in vivo durch die Messung der Gehirnströme per EEG (Elektroenzephalographie) und der vom Gehirn produzierten elektrischen Felder per MEG (Magnetoenzephalographie) untersucht.

Im Lauf der Evolution hat das Gehirn „höherer“ Tiere ein beachtliches Maß an Differenzierung und innerer Organisation erreicht (Zerebration). Das spiegelt sich in der psychischen und körperlichen Entwicklung des Einzelnen wider (siehe: Embryologie). Die Struktur und – in geringerem Maß – das Volumen des Gehirns korrelieren mit Lernfähigkeit und Intelligenz. Aber erst in der Hierarchie des Nervensystems ist die Leistung des Gehirns verstehbar.

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 Ringelwürmern oder Insekten, als Gehirn. Je nach Gehirntyp spricht man hier von Cerebralganglion, Oberschlundganglion usw.

Aufbau des Wirbeltiergehirns

Magnetresonanztomographieaufnahmen eines menschlichen Gehirns

Die Einteilung des Gehirns ist je nach Lehrbuch und Institution verschieden. Diese Gliederung bezieht sich auf das ausgewachsene menschliche Gehirn. Je nach Untersuchungsgegenstand kann es zweckmäßig sein, einzelne Bereiche in ihrer Entwicklung zu verfolgen (etwa Neuralplatte zum Neuralrohr zum Prosencephalon, Mesencephalon und Rhombencephalon bei 4 Wochen alten Embryos). Den Entwicklungsgrad des Gehirns bezeichnet man als Zerebralisation.

  • Typisch ist eine Gliederung in fünf große Hauptabschnitte: Telencephalon, Diencephalon, Mesencephalon, Metencephalon und Myelencephalon.
Gehirn Prosencephalon
Vorderhirn		 Telencephalon
Endhirn

Rhinencephalon, Amygdala, Hippocampus, Neocortex, Basalganglien, Seitenventrikel

Diencephalon
Zwischenhirn

Epithalamus, Thalamus, Hypothalamus, Subthalamus, Hypophyse, Zirbeldrüse, Dritter Ventrikel

Mesencephalon Mesencephalon
Mittelhirn

Tectum, Tegmentum

Rhombencephalon
Rautenhirn		 Metencephalon
Hinterhirn

Pons, Cerebellum (Kleinhirn)

Myelencephalon
Nachhirn		 Medulla oblongata

Die hier dargestellte Grobgliederung folgt dem Werk von Pinel.[1]

Das menschliche Gehirn

MRT-Bild eines menschlichen Gehirns. Schnitt sagittal, die Nase ist links. Hier klicken für eine animierte Abfolge von Schnitten.

Grobe Unterteilung des menschlichen Gehirns:

Seitenansicht

Sicht auf die Schnittfläche des halbierten Gehirns (Schnittflächen ocker)

Sicht von unten

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

Zusammenfassung des Aufbaus des menschlichen Gehirns

Man unterscheidet vereinfacht vier Hauptbereiche:

Großhirn
Das Großhirn ist in der Mitte durch einen Einschnitt in zwei Halbkugeln (Hemisphären) geteilt. Zwischen diesen gibt es eine breite Verbindung aus einem dicken Nervenstrang, auch Corpus callosum oder Balken genannt, und weitere kleinere Verbindungen.
Seine 2–4 mm dicke Oberflächenschicht (Großhirnrinde, Cortex) ist stark gefaltet und fast einen Viertel Quadratmeter groß. Sie enthält bei der Frau etwa 19 Milliarden, beim Mann etwa 23 Milliarden Nervenzellen. Unter der Rinde verlaufen Nervenfasern. Ansammlungen von Neuronen sind rosa, die myelinhaltigen Fasern weiß. Im toten Gehirn färben sich die Neuronen grau. Deshalb heißen sie, obwohl im Leben rosa, graue Substanz.
Auf der Rinde lassen sich die sogenannten Rindenfelder lokalisieren. Man unterscheidet zwischen primären Feldern und Assoziationsfeldern. Die primären Felder verarbeiten nur Informationen einer bestimmten Qualität, und zwar solche über Wahrnehmungen (Empfindung, zum Beispiel Sehen, Riechen, Berührung usw.) oder über einfache Bewegungen. Die Assoziationsfelder stimmen verschiedene Funktionen aufeinander ab. Die Zuweisung eines Rindenfeldes zu einer bestimmten Funktion wird immer wieder definiert und dann relativiert: Erst das korrekte Zusammenspiel verschiedener Felder ermöglicht eine Funktion.
Zu den primären Feldern zählen zum Beispiel der visuelle Cortex, der am hinteren Pol des Gehirns liegt und auf dem die Projektionen der Sehbahn münden, und der auditorische Cortex, der der Verarbeitung akustischer Reize dient und seitlich im Schläfenlappen liegt.
Assoziative Felder finden sich unter anderem im vorderen Teil des Gehirns. Ihre Aufgaben sind zum Beispiel Gedächtnis und höhere Denkvorgänge.
Die Rindenfelder und ihre Funktionen können voneinander abgegrenzt werden, indem man nach Ausfällen (zum Beispiel durch Schlaganfall) die Tätigkeit des Patienten oder durch elektrische Stimulation, mikroskopische und andere Techniken das gesunde Gehirn untersucht. Neben der Großhirnrinde sind aber meist auch andere Hirnregionen an einer bestimmten Funktion beteiligt.
Zwischenhirn
Zum Zwischenhirn rechnet man vier Teile:
  1. Thalamus (oberer Teil)
  2. Hypothalamus, der mit der Hypophyse (Hirnanhangdrüse) verbunden ist
  3. Subthalamus
  4. Epithalamus
Der Thalamus ist der Vermittler sensorischer und motorischer Signale zum und vom Großhirn. Bei ihm laufen alle Informationen der Sinnesorgane zusammen und werden weiter vermittelt. Er besteht hauptsächlich aus grauer Substanz. Der Hypothalamus steuert zahlreiche körperliche und psychische Lebensvorgänge und wird selbst teils neuronal über das vegetative Nervensystem, 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 Hormon- und dem Nervensystem. Das Zwischenhirn ist beteiligt an der Schlaf-Wach-Steuerung (siehe: Aufsteigendes retikuläres Aktivierungssystem, Schmerzempfindung, Temperaturregulation).
Kleinhirn
Am Kleinhirn lassen sich ebenfalls zwei Hemisphären unterscheiden. Zusätzlich grenzt man weitere Teile ab. Es ist zum Beispiel für Gleichgewicht und Bewegungen und deren Koordination verantwortlich. Bei Tieren ist es – im Vergleich zum Großhirn – oft stärker entwickelt als beim Menschen, insbesondere bei Arten mit Flugvermögen oder bei schnellen Räubern.
Außerdem wird dem Kleinhirn auch eine Funktion beim unbewussten Lernen zugeschrieben. Neuere Forschungen (2005) lassen darauf schließen, dass es auch am Spracherwerb und dem sozialen Lernen beteiligt ist.
Hirnstamm
Der Hirnstamm ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns. Er bildet den untersten Gehirnabschnitt und besteht aus auf- und absteigenden Nervenfasern (Weiße Substanz) und Ansammlungen von Neuronen beziehungsweise von Somata (Graue Substanz), morphologisch aus dem Mittelhirn, der Brücke (Pons) und dem Nachhirn (auch verlängertes Mark = Medulla oblongata genannt, da zwischen Rückenmark und Brücke gelegen). 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, die zum Beispiel Lidschluss-, Schluck-, Husten- und andere Reflexe auslösen. Das untere Ende des Nachhirns schließt an das Rückenmark an.

Gehirne von Männern und Frauen

Die Gehirne von Männern und Frauen unterscheiden sich in der Größe und im Aufbau. Durchschnittlich wiegt das Gehirn eines erwachsenen Mannes je nach Ethnie etwa 1400 g. Bei gleicher Statur von Mann und Frau ist das Gehirn bei Männern durchschnittlich 100 g schwerer.[2] Nicht nur die Gesamtgehirngröße unterscheidet sich zwischen den Geschlechtern, sondern auch die relative Größe verschiedener Gehirnareale.[3] Am besten erforscht sind hierbei der Hippocampus und die Amygdala.

Der Hippocampus ist fürs Lernen und die Erinnerung zuständig und hat bei Männern und Frauen unterschiedliche anatomische Strukturen und neurochemische Zusammensetzungen. Im Verhältnis zum Gesamthirn ist der Hippocampus bei der Frau größer. Beim Mann ist jedoch die CA1-Region größer und die Anzahl der Pyramidenzellen erhöht.[3] Des Weiteren besteht eine unterschiedliche Rezeptor-Affinität für verschiedene Neurotransmitter und Unterschiede in der Langzeitpotenzierung.[3]
Die Amygdala spielt eine Rolle beim Reproduktionsverhalten und stellt das Gedächtnis für emotionale Ereignisse dar.[3] Studien zeigten, dass es eine geschlechtsspezifische hemisphärische Lateralisation der Amygdalafunktionen in Beziehung auf die Erinnerung an emotionale Momente, bei der Reaktion auf glückliche Gesichter, bei der Verschaltung der Amygdala mit dem restlichen Gehirn sowie bei bestimmten Krankheiten, wie etwa der Depression, gibt.[3] Bei Frauen ist die linke Gehirnhälfte involviert, bei Männern die rechte.[3]

Zur Entstehung dieses Dimorphismus gibt es verschiedene Theorien. Zum einen kommt alternatives Spleißen vom mRNA in Frage. Zum Beispiel das Spleißen von Kanalproteinen, sodass deren Durchlässigkeit für Ionen verändert ist.[3] Zum anderen sind epigenetische Kontrollmechanismen relevant. Hierzu zählen unter anderem die genomische Prägung und die Histonmodifikation.[3] Zudem wird immer wieder die Frage gestellt, inwiefern die Umwelt Einfluss auf den Dimorphismus hat. Ein anderer Erklärungsansatz ist folgender: Geschlechtshormone, wie Testosteron und die Östrogene, wirken nicht nur auf die Keimdrüsen, sondern in vielfältiger Weise auch auf das Nervensystem als Ganzes sowie im Einzelnen auf Nervenzellen, Synapsen, Genexpression usw. Dies gilt sowohl für die Zeit der Embryonalentwicklung als auch während der Kindheit, der Pubertät und im Erwachsenenalter. Dies wird zum Beispiel in der Regio praeoptica im Hypothalamus sichtbar, die bei jungen Männern im Vergleich zu Frauen vergrößert ist. Ein entscheidender Faktor sind vermutlich auch die Barr-Körperchen, da viele X-chromosomale Gene in die neuronalen Prozesse der Gehirnentwicklung involviert sind. Die Barr-Körperchen entstehen durch zufällige Inaktivierung eines X-Chromosoms bei der Frau. Dies hat zur Folge, dass das weibliche Gewebe und die Organe, inklusive des Gehirns, ein Mosaik darstellen, da in jeder Zelle ein anderes Gen des polymorphen X-Gens exprimiert wird.[4] Daher nimmt man an, dass die unterschiedlichen Geschlechtschromosomen der wahrscheinlichste Grund für den Dimorphismus sind.

Diese können auf zwei Arten die Entwicklung beeinflussen. Zum einen können die Genprodukte der Chromosomen direkt in den Zellen wirken, in denen sie exprimiert werden. Zum anderen bedingen die Gonosomen die Entwicklung der Gonaden, die die Geschlechtshormone bilden. Geschlechtshormone wie Testosteron und die Östrogene wirken nicht nur auf die Keimdrüsen, sondern in vielfältiger Weise auch auf das Nervensystem, sowohl zur Zeit der Embryonalentwicklung als auch während der Kindheit, der Pubertät und im Erwachsenenalter.[5] So bewirken die Geschlechtshormone eine typische männliche beziehungsweise eine typische weibliche Entwicklung des Nervensystems. Wie schon oben erwähnt, wird dies unter anderem in der Regio praeoptica im Hypothalamus sichtbar, die bei jungen Männern im Vergleich zu Frauen vergrößert ist.

Leistung des Gehirns

Das Gehirn ist ein sehr aktives Organ mit einem besonders hohen Energiebedarf. Es macht beim Erwachsenen etwa 2 % der Körpermasse aus, verbraucht mit etwa 20 Watt aber ca. 20 % des Grundumsatzes,[6] beim Neugeborenen 50 %. Energie gewinnt es aus der aeroben Verbrennung von Glucose, aus Laktat[7] und Ketonkörpern. Allerdings kann Glucose nicht vollständig durch die anderen Energieträger ersetzt werden.[8]), kann aus Fett jedoch kaum noch Glukose herstellen (anteilsmäßig nur noch zu ca. 6 %, und zwar aus dem Glycerin der Triglyceride, in deren Form Fett im Organismus gespeichert wird).[9] Einige Wissenschaftler nehmen an, dass die fettreichere Ernährung in der Altsteinzeit zum Wachstum des Gehirns des Menschen beitrug.[10]

Mit der natürlichen Fähigkeit von menschlichen Gehirnen zur Ketolyse begründen sich auch die Wirksamkeit der ketogenen Diät bei Epilepsie, GLUT1-Defizit-Syndrom und anderen zerebralen Erkrankungen und der Hungerstoffwechsel.[11]

Seit 1994 ist bekannt, dass die Nervenzellen über die Astrozyten bei Bedarf eine genau bemessene Energiemenge aus dem Blut erhalten; man nennt diesen aktiven Vorgang „Energy on Demand“.[12] Die bedarfsabhängige Regulierung der Blutversorgung von Hirnarealen wird als Neurovaskuläre Kopplung bezeichnet. 1998 bis 2004 entwickelte Achim Peters die Selfish-Brain-Theorie, wonach das menschliche Gehirn bei der Regelung der Energieversorgung im Organismus vorrangig den eigenen, vergleichsweise hohen Bedarf deckt. Gemäß einer anderen Erklärung trifft dies jedoch in erster Linie nur für Gehirne zu, die aufgrund langjähriger Anwendung kohlenhydrat- und kalorienreicher Ernährungsweisen keine Ketonkörper mehr zur Energiegewinnung nutzen können, die also nicht mehr ketolysefähig sind,[13] da solche Gehirne nicht mehr auf natürliche Weise am Fettstoffwechsel angeschlossen sind und folglich ihren gesamten Energiebedarf über den viel leistungsschwächeren Kohlenhydratstoffwechsel mit seinen äußerst geringen Energiereserven[14] decken müssen.

Vergleich mit Computern

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 des Gehirns zu schließen. Heute dagegen bemüht man sich in der Computational Neuroscience und der bionischen Neuroinformatik, die Funktionsweise des Gehirns teilweise auf Computern nachzubilden bzw. durch sie auf neue Ideen zur „intelligenten“ Informationsverarbeitung zu kommen (siehe Blue Brain). Es ergibt sich die Perspektive, dass das Gehirn als Struktur für Denk- und Wissensproduktion eine Architektur liefert, die sich zur Nachahmung empfiehlt. Künstliche neuronale Netzwerke haben sich bereits bei der Organisation künstlicher Intelligenzprozesse etabliert.

Rechenleistung und Leistungsaufnahme

Bei Vergleichen mit modernen Computern zeigt sich die Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns. Während das Gehirn etwa 1013 analoge Rechenoperationen pro Sekunde schafft und dabei etwa 15 bis 20 Watt Leistung benötigt, schafft der Supercomputer BlueGene/L von IBM bis zu 3,6·1014 Gleitkommaoperationen pro Sekunde mit doppelter Genauigkeit, wozu jedoch etwa 1,2 Megawatt benötigt werden. Intels erster Teraflop-Chip Prototyp „Terascale“ mit 80 Prozessorkernen schafft hingegen etwa 1012 Gleitkommaoperationen mit einfacher Genauigkeit bei 85 Watt (oder 2·1012 Gleitkommaoperationen bei 190 Watt und 6,26 GHz), was immer noch dem 50- bis 5000-fachen Energiebedarf entspricht. Zwar erreichen moderne 3D-Grafikkarten vergleichbare Werte bei geringerem elektrischem Leistungsbedarf, allerdings sind Grafikchips stärker auf bestimmte Rechenvorgänge spezialisiert.

Es ist jedoch zu beachten, dass die hohe Rechenleistung des Gehirns vor allem durch seine vielen parallelen Verbindungen (Konnektivität) und nicht durch eine hohe Geschwindigkeit bei den einzelnen Rechenvorgängen (Taktfrequenz) erzielt wird. Künstliche Neuronen arbeiten 105-mal schneller als Neuronen des menschlichen Gehirns.

Speicher

Zusätzlich zur Parallelisierung stellt ein neuronales Netzwerk gleichzeitig sowohl Speicher- als auch Verarbeitungslogik dar, während diese bei Computern, die auf der Von-Neumann-Architektur basieren, getrennt sind. Dies bewirkt, dass in einem einfachen neuronalen Netzwerk mit jedem Taktzyklus der gesamte Speicher aktualisiert wird, während ein Computer den Inhalt des Speichers schrittweise aktualisieren muss.

Schätzungen der Speicherkapazität des menschlichen Gehirns variieren zwischen 3 und 1000 Terabyte.[15] Allerdings wird die Information im Gehirn nicht exakt und linear gespeichert wie in einem Von-Neumann-Computer, sondern durchläuft einen komplexen mehrstufigen Lernprozess, bei dem das Gehirn versucht, unwichtige Information zu verwerfen und wichtige Informationen hierarchisch auf Basis bereits vorhandener Gehirnstrukturen zu generalisieren.

Effizienz

Rechenvorgänge, die auf einem Computer effizient ablaufen, sind meistens nicht effizient in einem neuronalen Netzwerk abbildbar und umgekehrt. Aufgrund dieser Ineffizienz bestehender Computerarchitekturen für bestimmte Aufgaben, wie etwa das Sehen, versucht man neuronale Netzwerke, wie etwa dasjenige des Neocortex, nachzubilden (Neuromorphing).[16][17]

Künstliche neuronale Netzwerke im Rahmen des FACETS-Projekts bilden 2·105[18] künstliche Neuronen mit 5·107[19] künstlichen Synapsen auf einem einzelnen 8 Zoll (20,32 cm Diagonale) großen Computerchip ab (Stand März 2009).

Vernetzung der Nervenzellen

Das menschliche Gehirn besitzt Schätzungen zufolge etwa 100 Milliarden Nervenzellen (auch: Neuronen), die durch etwa 100 Billionen Synapsen eng miteinander verbunden sind. Durchschnittlich ist ein Neuron demzufolge mit 1000 anderen Neuronen verbunden und könnte von jedem beliebigen anderen Neuron aus in höchstens vier Schritten erreicht werden. Allerdings gibt es lokal deutliche Abweichungen von diesem Mittelwert.[20] Im Vergleich dazu hat der Cortex einer Maus etwa 8 Millionen Neuronen mit jeweils 8.000 Synapsen. Ein Grundprinzip der Organisation des Gehirns ist die topologische Abbildung (zum Beispiel Retinotopie), d. h., was nebeneinander auf dem Körper liegt, wird im Gehirn in den zuständigen Arealen auch nebeneinander verarbeitet.

Obwohl die Erregungen ausschließlich durch die Neuronen geleitet werden, sind mehr Gliazellen tätig. Diese sind leichter und einfacher gebaut als Neuronen. Die Masse des Gehirns wird jeweils zur Hälfte durch Glia- und Nervenzellen ausgemacht. Der Begriff „Gliazelle“ leitet sich vom griechischen Wort für Leim ab, da man ursprünglich annahm, dass die Gliazellen die Nervenzellen lediglich verkleben und damit die Stabilität des Nervengewebes vermitteln. Mittlerweile hat man herausgefunden, dass ihre Funktion weit darüber hinausgeht: sie ermöglichen Nervenzellen eine rasche Signalweiterleitung, versorgen sie mit Nährstoffen, nehmen ausgeschüttete Botenstoffe auf und führen sie wiederaufbereitet zurück und sind an den physiologischen Barrieren wie der Blut-Hirn- und der Blut-Liquor-Schranke beteiligt. Auch werden durch sie aktiv die synaptischen Verbindungen zwischen Neuronen und dadurch die Erregungsleitungen verändert.[21]

Die zwölf Hauptnervenpaare des Gehirns

  1. Nervus olfactorius – ermöglicht das Riechen
  2. Nervus opticus – leitet optische Impulse
  3. Nervus oculomotorius – versorgt vier von sechs Muskeln, die das Auge bewegen, und andere Funktionen
  4. Nervus trochlearis – versorgt den oberen schrägen Augenmuskel
  5. Nervus trigeminus – leitet unter anderem Informationen über Berührungen aus dem Gesichtsbereich, ermöglicht das Kauen
  6. Nervus abducens – versorgt den seitlichen Augenmuskel
  7. Nervus facialis – ermöglicht unter anderem mimische Bewegungen und Geschmackswahrnehmung
  8. Nervus vestibulocochlearis (N. statoacusticus) – leitet Informationen aus dem Hör- und dem Gleichgewichtsorgan
  9. Nervus glossopharyngeus – unter anderem leitet er Informationen (auch Geschmack) aus dem Schlundbereich und ermöglicht Bewegungen in diesem Bereich
  10. Nervus vagus – im Wesentlichen für die Wahrnehmung, Bewegung und vegetative Funktionen – inklusive Drüsentätigkeit und Hormonausschüttung
  11. Nervus accessorius – ermöglicht Bewegungen durch zwei große Muskeln des Halses und Kopfes
  12. Nervus hypoglossus – ermöglicht Bewegungen der Zunge

Arbeitsteilung im Gehirn

Das Großhirn ist das Zentrum unserer Wahrnehmungen, unseres Bewusstseins, Denkens, Fühlens und Handelns. Im Großhirn herrscht eine Arbeitsteilung zwischen verschiedenen Bezirken, den Rindenfeldern, von denen drei Typen unterschieden werden:

  1. Sensorische Felder: Sie verarbeiten Erregungen, die von den Nerven der Sinnesorgane kommen.
  2. Motorische Felder: Sie aktivieren Muskeln und regeln willkürliche Bewegungen.
  3. Gedanken- und Antriebsfelder: Sie liegen im vorderen Teil des Gehirns und sind wahrscheinlich die Zentren des Denkens und Erinnerns.

Die sensorischen und motorischen Felder für die rechte Körperseite befinden sich in der linken Gehirnhälfte und umgekehrt.

Das Zwischenhirn ist der Bereich, in dem Gefühle wie Freude, Angst, Wut und Enttäuschung entstehen. Es filtert den Informationsfluss von den Sinnesorganen zum Großhirn; Unwichtiges wird nicht weitergemeldet. Damit schützt es das Gehirn vor Überlastung. Das Zwischenhirn regelt auch die Körpertemperatur, den Wasserhaushalt sowie weitere lebenswichtige Körperfunktionen. Es ist – über den Hypothalamus – die Verbindungsstelle zwischen dem Nervensystem und dem Hormonsystem.

Das Mittelhirn ist eine Umschaltstelle. Erregungen sensorischer Nerven werden zum Großhirn geschickt oder auf motorische Nerven umgeleitet. So regelt es unter anderem die Augenbewegungen, die Irismuskulatur und die Ziliarmuskeln.

Der zweitgrößte Gehirnabschnitt ist das Kleinhirn. Seine Aufgabe besteht einerseits darin, Bewegungen zu koordinieren und den Körper im Gleichgewicht zu halten. Bewegt man beispielsweise zum Ergreifen eines Gegenstandes Ober- und Unterarm gleichzeitig, stimmt das Kleinhirn beide Teilbewegungen aufeinander ab, somit wird der Gegenstand relativ genau ergriffen. Ohne diese Tätigkeit des Kleinhirns würde der Arm ruckartige Bewegungen ausführen, die meistens über das Ziel hinausgingen.

Andererseits hat das Kleinhirn die Aufgabe, automatisierte Bewegungsabläufe zu speichern. Lernt man beispielsweise das Tanzen, so muss man die einzelnen Schritte relativ bewusst nacheinander ausführen. Hierbei regelt das Großhirn direkt die Muskulatur. Mit einiger Übung, also nach einiger Zeit des bewussten Nacheinander-Ausführens der einzelnen Schritte, muss man sich nicht mehr auf jeden Schritt konzentrieren. Die Bewegungsfolgen werden nun vom Kleinhirn geregelt, das während der Lernphase die zugehörigen Impulsfolgen gespeichert hat.

Die Übergangsstelle zum Rückenmark wird als Nachhirn bezeichnet. Wichtige Funktionen sind die Regulation des Blutdruckes, der Atemmuskulatur und der Hustenreflexe. Über zwölf Paar Gehirnnerven steht es in Verbindung mit Sinnesorganen, Muskulatur und Drüsen im Kopf.[22]

Sonstiges

Die Länge aller Nervenbahnen des Gehirns eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 5,8 Millionen Kilometer, das entspricht dem 145-fachen Erdumfang.

Datei:Säugerhirne im Vergleich.jpg
Größenvergleich der Gehirne verschiedener Säugetiere
Quelle: University of Wisconsin and Michigan State Comparative Mammalian Brain Collections and the National Museum of Health and Medicine

Das hochentwickelte Gehirn von Wirbeltieren scheint mit dem Strickleiternervensystem von Gliederfüßern wenig gemeinsam zu haben. Bei Insekten zieht sich der Verdauungstrakt direkt durch das vordere Nervensystem (zwischen Tritocerebrum und subösophagealem Ganglion), sodass die Bauchganglien ventral (bauchseitig) des Darmrohrs liegen, während bei Wirbeltieren das Rückenmark dorsal (rückenseitig) des Darms liegt.

2008 wurden auf dem Gelände der University of York (England) die Überreste eines 2500 Jahre alten menschlichen Schädels gefunden, dessen Gehirn überwiegend erhalten ist. Forscher vermuten, dass das Gehirn des wahrscheinlich 26–45 Jahre alten Mannes unter anderem deswegen bis heute so gut erhalten blieb, weil der Kopf – ein Körper wurde nicht gefunden – seinerzeit unmittelbar nach dem Tod in nasser Lehmerde begraben wurde. Eine vollständige Klärung, warum das Gehirn nicht schon längst zerfallen ist, konnte bislang allerdings nicht gefunden werden.[23]

Das Gehirn findet als Rohstoff Verwendung bei der Fettgerbung.

US-Präsident Barack Obama hat zu Beginn seiner zweiten Amtszeit Planungen für ein sehr großes Forschungsprojekt namens Brain Activity Map Project bekanntgegeben: Das menschliche Gehirn soll komplett kartiert werden. Dies wäre wohl das größte wissenschaftliche Vorhaben seit vielen Jahren (das letzte war das Human Genome Project). Experten hoffen auf Therapien gegen Alzheimer-Krankheit und Parkinson sowie auf Erkenntnisse über menschliches Denken und Fühlen.[24] Erste Ansätze wurden im Juli 2012 in der Fachzeitschrift "Neuron" veröffentlicht.[25]

Das US-Projekt ist nicht mit dem Human Brain Project zu verwechseln, das im Februar 2013 durch die EU gestartet wurde. Eine Jury hatte die Erforschung des Gehirns ebenfalls als ein Schlüsselprojekt der Zukunft ausgewählt; gefördert wird es mit einer Milliarde Euro.[24][26]

Siehe auch

Literatur

Commons: Gehirn – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
Wikibooks: Neuroanatomie – Lern- und Lehrmaterialien
Wiktionary: Gehirn – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikiquote: Gehirn – Zitate

Videos und DVDs

Einzelnachweise

  1. ↑ John P. J. Pinel, Paul Pauli: Biopsychologie. 6., aktualis. Aufl. Pearson Studium, München u. a. 2007, ISBN 978-3-8273-7217-8, S. 95.
  2. ↑ J. Philippe Rushton: Corrections to a paper on race and sex differences in brain size and intelligence. (PDF) charlesdarwinresearch.org, Department of Psychology, University of Western Ontario, London, Ontario N6A 5C2, Canada 5 September 1992
  3. ↑ a b c d e f g h Larry Cahil: Why sex matters for neuroscience. In: Nature Reviews Neuroscience. 2006, 7, S. 477–484.
  4. ↑ Arthur P. Arnold: Sex chromosomes and brain gender. In: Nature Reviews Neuroscience. 2004, 5, S. 701–708.
  5. ↑ Elena Jazin, Larry Cahill: Sex differences in molecular neuroscience: from fruit flies to humans. In: Nature Reviews Neuroscience. 2010, 11, S. 9–17.
  6. ↑ Herbert Lochs: Hungerstoffwechsel. (PDF; 1,5 MB) 2003, S. 23
  7. ↑ Avital Schurr: Lactate: the ultimate cerebral oxidative energy substrate? Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 2006, 26, S. 142–152
  8. ↑ Herbert Lochs: Hungerstoffwechsel. (PDF; 1,5 MB) 2003, S. 5
  9. ↑ Philip A. Wood: How Fat Works. Harvard University Press, Cambridge MA 2006
  10. ↑ Leslie C. Aiello, Peter Wheeler: The Expensive-Tissue Hypothesis. The Brain and the Digestive System in Human and Primate Evolution. In: Current Anthropology, Band 36, Nr. 2, 1995, S. 199–221
  11. ↑ Herbert Lochs: Hungerstoffwechsel. (PDF; 1,5 MB) 2003
  12. ↑ L. Pellerin, P. J. Magistretti: Glutamate uptake into astrocytes stimulates aerobic glycolysis: a mechanism coupling neuronal activity to glucose utilization. In: Proc Natl Acad Sci USA, 91, 1994, S. 10625–10629.
  13. ↑ Peter Mersch: Wie Übergewicht entsteht … und wie man es wieder los wird. CreateSpace, North Charleston SC 2012
  14. ↑ Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag; kein Text angegeben für Einzelnachweis mit dem Namen Hungerstoffwechsel.5.
  15. ↑ Christian Jessen: Can I Just Ask?, Hay House, 2010, ISBN 978-1848502468, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
  16. ↑ Cortical architectures on a GPGPU
  17. ↑ Gehirnchip macht bei IBM Fortschritte. auf heise.de, 20. August 2011.
  18. ↑ 2·105 = 2·100.000 = 200.000
  19. ↑ 5·107 = 5·10.000.000 = 50.000.000
  20. ↑ S. Song, P. J. Sjöström, M. Reigl, S. Nelson, D. B. Chklovskii: Highly Nonrandom Features of Synaptic Connectivity in Local Cortical Circuits. In: PLoS Biology. 3(3), S. e68. doi:10.1371/journal.pbio.0030068
  21. ↑ Jörg Auf dem Hövel: Briefträger, Botenstoffe und der unterschätzte Klebstoff. Telepolis, 2. Juni 2007.
  22. ↑ R. Claus u. a.: Natura – Biologie für Gymnasien. Stuttgart 1991, S. 255.
  23. ↑ Ancient "Pickled" Brain Mystery Explained? auf: news.nationalgeographic.com aufgerufen am 25. Juni 2011
  24. ↑ a b spiegel.de 18. Februar 2013: Milliardenschwerer Forschungsplan
  25. ↑ www.sciencedirect.com
  26. ↑ spiegel.de 12. Mai 2011: Human Brain Project": Forscher basteln an der Hirnmaschine

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