Gehirn

Aufgabe und grundlegende Organisation

Das Gehirn ist ein von Hirnhäuten umgebenes Organ des zentralen Nervensystems aller Wirbeltiere sowie einiger Wirbelloser. Es besteht besonders aus Nervengewebe und geht auf Höhe des ersten Spinalnervenpaares vom Markhirn in das Rückenmark über. Seine Hauptaufgaben sind die Aufnahme und Verarbeitung von Sinnesinformationen sowie die Steuerung von Muskulatur und Hormonsystem.

Stark vernetzte Nervenzellen, Neuronen, verarbeiten Informationen und koordinieren komplexe Verhaltensweisen. Viele Reize werden unbewusst verarbeitet: Nervengeflechte und besonders Zentren im Hirnstamm bearbeiten eintreffende Erregungen, während Reflexbögen sehr schnell ohne bewusste Verarbeitung reagieren. Das autonome Nervensystem steuert vegetative Funktionen wie Atmung, Kreislauf, Verdauung, Ausscheidung und Fortpflanzung. Gehirnaktivität lässt sich unter anderem mit Elektroenzephalografie (EEG, Messung von Gehirnströmen) und Magnetoenzephalografie (MEG, Messung elektrischer Felder) untersuchen.

Auch einige Wirbellose besitzen komplexe Gehirne. Besonders komplizierte Gehirne haben Gliederfüßer und Kopffüßer; Kraken und Tintenfische besitzen die größten Gehirne aller wirbellosen Tiere. Ihr Nervensystem unterscheidet sich deutlich vom Gehirn der Wirbeltiere.

Entwicklung und Hauptabschnitte

Das Gehirn kann nach verschiedenen Kriterien gegliedert werden. Die Entwicklung des menschlichen Embryos liefert dafür eine wichtige Einteilung: Nach dem Schluss der vorderen Neuralrohröffnung Ende der vierten Entwicklungswoche entstehen zunächst Prosencephalon (Vorderhirn), Mesencephalon (Mittelhirn) und Rhombencephalon (Rautenhirn). Beim über fünf Wochen alten Embryo lassen sich fünf sekundäre Hirnbläschen unterscheiden.

Daraus ergeben sich fünf Hauptabschnitte: Telencephalon (Endhirn), Diencephalon (Zwischenhirn), Mesencephalon (Mittelhirn), Metencephalon (Hinterhirn) und Myelencephalon (Markhirn). Zum Endhirn gehören unter anderem Rhinencephalon, Amygdala, Hippocampus, Neocortex und Basalganglien; sein Ventrikelsystem umfasst die Seitenventrikel. Das Zwischenhirn umschließt den dritten Ventrikel. Das Mittelhirn enthält den Aquaeductus mesencephali. Aus dem Hinterhirn entstehen Pons und Kleinhirn am vierten Ventrikel, aus dem Markhirn das verlängerte Mark mit Anschluss an den Zentralkanal.

Aufbau des menschlichen Gehirns

Beim erwachsenen Menschen beträgt die Gesamtlänge aller Nervenbahnen etwa 5,8 Millionen Kilometer, entsprechend dem 145-fachen Erdumfang. Das Gehirnvolumen liegt im Durchschnitt bei Männern bei etwa 1,27 Liter und bei Frauen bei etwa 1,13 L. Vereinfacht werden Großhirn, Zwischenhirn, Kleinhirn und Hirnstamm unterschieden.

Das Großhirn besteht aus zwei Hemisphären, die vor allem durch den Corpus callosum (Balken), einen breiten Nervenstrang, verbunden sind. Seine 2–4 mm dicke, stark gefaltete Großhirnrinde (Cortex) ist fast einen Viertel Quadratmeter groß und enthält etwa 16 Milliarden Nervenzellen. Primäre Rindenfelder verarbeiten jeweils eine bestimmte Informationsqualität, etwa Sehen, Hören oder einfache Bewegungen. Assoziationsfelder stimmen Funktionen aufeinander ab und sind unter anderem an Gedächtnis sowie höheren Denkvorgängen beteiligt. Funktionen entstehen erst durch das Zusammenspiel mehrerer Felder.

Zum Zwischenhirn zählen Thalamus, Hypothalamus mit Hypophyse, Subthalamus und Epithalamus. Der Thalamus vermittelt sensorische und motorische Signale zum und vom Großhirn. Hypothalamus und Hypophyse verbinden Hormon- und Nervensystem; das Zwischenhirn ist unter anderem an Schlaf-Wach-Steuerung, Schmerzempfindung und Temperaturregulation beteiligt.

Das Kleinhirn koordiniert Gleichgewicht und Bewegungen und wird außerdem mit unbewusstem Lernen sowie, nach neueren Forschungen von 2005, mit Spracherwerb und sozialem Lernen in Verbindung gebracht. Der Hirnstamm umfasst Mittelhirn, Brücke (Pons) und verlängertes Mark (Medulla oblongata). Er verarbeitet Sinnes- und motorische Informationen und steuert grundlegende Reflexe. Im verlängerten Mark kreuzen sich Nervenbahnen der Körperhälften; außerdem werden Herzschlag, Atmung, Stoffwechsel sowie etwa Lidschluss-, Schluck- und Hustenreflexe reguliert.

Vernetzung, Energie und Entsorgung

Das menschliche Gehirn besitzt durchschnittlich etwa 86 Milliarden Nervenzellen: etwa 16 Milliarden in der Großhirnrinde, etwa 69 Milliarden im Kleinhirn und rund 1 Milliarde in übrigen Hirnregionen. Über geschätzt rund 100 Billionen Synapsen ist eine Nervenzelle durchschnittlich mit mehr als 1000 anderen verbunden. Für Hirnfunktionen ist nicht allein die Dichte, sondern besonders das Muster dieser Verbindungen entscheidend. Häufig werden Nachbarschaftsverhältnisse des Körpers auch im Gehirn nachgebildet; dies heißt Somatotopie. Die Konnektom-Forschung versucht, sämtliche neuronalen Verbindungen zu kartieren.

Gliazellen sind etwa ebenso häufig wie Neuronen. Sie unterstützen schnelle und störungsfreie Signalübertragung, nehmen Botenstoffe auf, stellen Nährstoffe bereit und wirken an Blut-Hirn- und Blut-Liquor-Schranke mit. In der Entwicklung beeinflussen sie Ausbildung, Stabilität und Gewichtung von Synapsen.

Das Gehirn macht beim Erwachsenen etwa 2 % der Körpermasse aus, verbraucht aber mit etwa 20 Watt etwa 20 % des Grundumsatzes; beim Neugeborenen sind es 50 %. Es gewinnt Energie aerob aus Glucose, Laktat und Ketonkörpern, wobei Glucose nicht vollständig ersetzbar ist. Etwa 90 % der Leistung benötigt die Natriumpumpe, überwiegend im Zusammenhang mit Aktionspotentialen. Wegen geringer Energiereserven führt der Ausfall von Sauerstoff- oder Glucoseversorgung nach etwa zehn Sekunden zu Funktionsausfall und nach wenigen Minuten zu spezifischen Hirnschäden. Die bedarfsabhängige Blutversorgung von Hirnarealen heißt neurovaskuläre Kopplung.

Das 2012 als eigenes internes Kreislaufsystem beschriebene glymphatische System transportiert Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit durch perivaskuläre Räume. Gliazellen verteilen sie im Gehirn; mitgenommene Abfallstoffe fließen zur Hirnhaut und zum lymphatischen System außerhalb des Gehirns ab.

Vergleich mit Computern und Forschung

Das Gehirn wird mit Computern verglichen, doch beide arbeiten unterschiedlich: Im neuronalen Netzwerk sind Speicherung und Verarbeitung zugleich organisiert, während sie bei Computern mit Von-Neumann-Architektur getrennt sind. Die hohe Leistung des Gehirns beruht vor allem auf vielen parallelen Verbindungen, nicht auf hoher Taktfrequenz. Künstliche Neuronen arbeiten 100.000-mal schneller als menschliche Neuronen.

Das Gehirn schafft etwa 10^{13} analoge Rechenoperationen pro Sekunde bei etwa 15 bis 20 Watt. BlueGene/L von IBM erreichte bis zu 3,6·10^{14} Gleitkommaoperationen pro Sekunde mit doppelter Genauigkeit, benötigte dafür aber etwa 1,2 Megawatt. Neuronale Netzwerke werden daher etwa durch Neuromorphing für bestimmte Aufgaben wie Sehen nachgebildet. Beim FACETS-Projekt wurden im März 2009 200.000 künstliche Neuronen mit 50 Millionen künstlichen Synapsen auf einem 8-Zoll-Chip abgebildet. IBM TrueNorth integrierte im Juli 2014 1 Million Neuronen und 256 Millionen Synapsen auf einem Chip mit 70 mW TDP.

Das Modell des „Hypothesengenies“ beschreibt das Gehirn als Vorhersagemaschine: Es bildet Hypothesen, gleicht Wahrnehmungen mit gespeicherten Mustern ab und verwirft eine Hypothese, wenn sie nicht mehr passt. Kippfiguren gelten als klassisches Beispiel. Große Forschungsprojekte wollen das Gehirn kartieren: Das Brain Activity Map Project wurde in den USA angekündigt; das Human Brain Project startete im Februar 2013 in der EU und wird mit einer Milliarde Euro gefördert.