Das Gehirn ist der Teil des zentralen Nervensystems, der in der Schädelhöhle des Schädels enthalten ist. Es umfasst die Großhirnrinde, das limbische System, die Basalganglien, den Thalamus, den Hypothalamus und das Kleinhirn. Es gibt drei verschiedene Möglichkeiten, wie ein Gehirn geschnitten werden kann, um interne Strukturen anzuzeigen: ein sagittaler Schnitt schneidet das Gehirn von links nach rechts, wie in Abbildung 1b gezeigt, ein koronaler Schnitt schneidet das Gehirn von vorne nach hinten, wie in Abbildung 1a gezeigt, und ein horizontaler Schnitt schneidet das Gehirn von oben nach unten.

Großhirnrinde

Der äußerste Teil des Gehirns ist ein dickes Stück Gewebe des Nervensystems, die Großhirnrinde, die in Hügel namens Gyri (Singular: Gyrus) und Täler namens Sulci (Singular: Sulcus) gefaltet ist. Der Kortex besteht aus zwei Hemisphären — rechts und links —, die durch einen großen Sulcus getrennt sind. Ein dickes Faserbündel namens Corpus callosum (lateinisch: „harter Körper“) verbindet die beiden Hemisphären und ermöglicht die Weitergabe von Informationen von einer Seite zur anderen. Obwohl es einige Gehirnfunktionen gibt, die mehr auf einer Hemisphäre als auf der anderen lokalisiert sind, sind die Funktionen der beiden Hemisphären weitgehend redundant. Tatsächlich wird manchmal (sehr selten) eine ganze Hemisphäre entfernt, um schwere Epilepsie zu behandeln. Während Patienten nach der Operation einige Defizite haben, können sie überraschend wenige Probleme haben, insbesondere wenn die Operation an Kindern mit sehr unreifen Nervensystemen durchgeführt wird.

Abbildung 1. Diese Abbildungen zeigen die (a) koronalen und (b) sagittalen Abschnitte des menschlichen Gehirns.

Bei anderen Operationen zur Behandlung schwerer Epilepsie wird der Corpus callosum geschnitten, anstatt eine ganze Hemisphäre zu entfernen. Dies verursacht einen Zustand namens Split-Brain, der Einblicke in einzigartige Funktionen der beiden Hemisphären gibt. Wenn beispielsweise ein Objekt dem linken Gesichtsfeld des Patienten präsentiert wird, können sie das Objekt möglicherweise nicht mündlich benennen (und behaupten, ein Objekt überhaupt nicht gesehen zu haben). Dies liegt daran, dass die visuelle Eingabe aus dem linken Gesichtsfeld die rechte Hemisphäre kreuzt und in sie eindringt und dann nicht an das Sprachzentrum signalisieren kann, das sich im Allgemeinen auf der linken Seite des Gehirns befindet. Bemerkenswert ist, wenn ein Split-Brain-Patient gebeten wird, ein bestimmtes Objekt aus einer Gruppe von Objekten mit der linken Hand aufzunehmen, wird der Patient in der Lage sein, dies zu tun, aber immer noch nicht in der Lage sein, es stimmlich zu identifizieren.

Abbildung 2. Die menschliche Großhirnrinde umfasst die Frontal-, Parietal-, Temporal- und Okzipitallappen.

Jede kortikale Hemisphäre enthält Regionen, die Lappen genannt werden und an verschiedenen Funktionen beteiligt sind. Wissenschaftler verwenden verschiedene Techniken, um festzustellen, welche Hirnareale an verschiedenen Funktionen beteiligt sind: Sie untersuchen Patienten, die Verletzungen oder Krankheiten hatten, die bestimmte Bereiche betreffen, und sehen, wie diese Bereiche mit funktionellen Defiziten zusammenhängen. Sie führen auch Tierstudien durch, in denen sie Gehirnareale stimulieren und sehen, ob es Verhaltensänderungen gibt. Sie verwenden eine Technik namens transmagnetische Stimulation (TMS), um bestimmte Teile des Kortex vorübergehend mit starken Magneten außerhalb des Kopfes zu deaktivieren; und sie verwenden funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), um Veränderungen des sauerstoffhaltigen Blutflusses in bestimmten Gehirnregionen zu untersuchen, die mit bestimmten Verhaltensaufgaben korrelieren. Diese und andere Techniken haben einen guten Einblick in die Funktionen verschiedener Gehirnregionen gegeben, aber auch gezeigt, dass jeder gegebene Gehirnbereich an mehr als einem Verhalten oder Prozess beteiligt sein kann, und jedes gegebene Verhalten oder Prozess beinhaltet im Allgemeinen Neuronen in mehreren Gehirnbereichen. Davon abgesehen kann jede Hemisphäre der Großhirnrinde von Säugetieren in vier funktionell und räumlich definierte Lappen unterteilt werden: frontal, parietal, temporal und occipital. Abbildung 2 zeigt diese vier Lappen der menschlichen Großhirnrinde.

Abbildung 3. Verschiedene Teile des motorischen Kortex steuern verschiedene Muskelgruppen. Muskelgruppen, die Nachbarn im Körper sind, werden im Allgemeinen auch von benachbarten Regionen des motorischen Kortex gesteuert. Zum Beispiel befinden sich die Neuronen, die die Fingerbewegung steuern, in der Nähe der Neuronen, die die Handbewegung steuern.

Der Frontallappen befindet sich an der Vorderseite des Gehirns über den Augen. Dieser Lappen enthält den Riechkolben, der Gerüche verarbeitet. Der Frontallappen enthält auch den motorischen Kortex, der für die Planung und Durchführung von Bewegungen wichtig ist. Bereiche innerhalb des motorischen Kortex werden verschiedenen Muskelgruppen zugeordnet, und diese Karte ist organisiert, wie in Abbildung 3 gezeigt. Zum Beispiel befinden sich die Neuronen, die die Bewegung der Finger steuern, neben den Neuronen, die die Bewegung der Hand steuern. Neuronen im Frontallappen steuern auch kognitive Funktionen wie die Aufrechterhaltung von Aufmerksamkeit, Sprache und Entscheidungsfindung. Studien an Menschen, die ihre Frontallappen geschädigt haben, zeigen, dass Teile dieses Bereichs an Persönlichkeit, Sozialisation und Risikobewertung beteiligt sind.

Der Parietallappen befindet sich oben im Gehirn. Neuronen im Parietallappen sind an Sprache und Lesen beteiligt. Zwei der Hauptfunktionen des Parietallappens sind die Verarbeitung der Somatosensation – Berührungsempfindungen wie Druck, Schmerz, Hitze, Kälte — und die Verarbeitung der Propriozeption — das Gefühl, wie Teile des Körpers im Raum ausgerichtet sind. Der Parietallappen enthält eine somatosensorische Karte des Körpers ähnlich dem motorischen Kortex.

Der Okzipitallappen befindet sich auf der Rückseite des Gehirns. Es ist in erster Linie in Vision beteiligt—Sehen, Erkennen und Identifizieren der visuellen Welt.

Der Temporallappen befindet sich an der Basis des Gehirns bei Ihren Ohren und ist hauptsächlich an der Verarbeitung und Interpretation von Geräuschen beteiligt. Es enthält auch den Hippocampus (griechisch für „Seepferdchen“) — eine Struktur, die die Gedächtnisbildung verarbeitet. Der Hippocampus ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Rolle des Hippocampus im Gedächtnis wurde teilweise durch das Studium eines berühmten epileptischen Patienten, HM, bestimmt, dem beide Seiten seines Hippocampus entfernt wurden, um seine Epilepsie zu heilen. Seine Anfälle verschwanden, aber er konnte keine neuen Erinnerungen mehr bilden (obwohl er sich an einige Fakten aus der Zeit vor seiner Operation erinnern und neue motorische Aufgaben lernen konnte).

Großhirnrinde

Im Vergleich zu anderen Wirbeltieren haben Säugetiere für ihre Körpergröße außergewöhnlich große Gehirne. Das Gehirn eines ganzen Alligators würde zum Beispiel etwa eineinhalb Teelöffel füllen. Dieser Anstieg des Verhältnisses von Gehirn zu Körpergröße ist besonders bei Affen, Walen und Delfinen ausgeprägt. Während diese Zunahme der gesamten Gehirngröße zweifellos eine Rolle bei der Entwicklung komplexer Verhaltensweisen spielte, die für Säugetiere einzigartig sind, erzählt sie nicht die ganze Geschichte. Wissenschaftler haben eine Beziehung zwischen der relativ hohen Oberfläche des Kortex und der Intelligenz und dem komplexen sozialen Verhalten einiger Säugetiere gefunden. Diese erhöhte Oberfläche ist zum Teil auf eine erhöhte Faltung des kortikalen Blattes zurückzuführen (mehr Sulci und Gyri). Zum Beispiel ist ein Rattenkortex sehr glatt mit sehr wenigen Sulci und Gyri. Katzen- und Schafkortices haben mehr Sulci und Gyri. Schimpansen, Menschen und Delfine haben noch mehr.

Abbildung 4. Säugetiere haben größere Gehirn-zu-Körper-Verhältnisse als andere Wirbeltiere. Bei Säugetieren korreliert eine erhöhte kortikale Faltung und Oberfläche mit komplexem Verhalten.

Basalganglien

Die in Abbildung 1b gezeigten miteinander verbundenen Hirnareale, die Basalganglien (oder Basalkerne) genannt werden, spielen eine wichtige Rolle bei der Bewegungskontrolle und Körperhaltung. Eine Schädigung der Basalganglien, wie bei der Parkinson-Krankheit, führt zu motorischen Beeinträchtigungen wie einem schlurfenden Gang beim Gehen. Die Basalganglien regulieren auch die Motivation. Als zum Beispiel ein Wespenstich bei einem 25-jährigen Geschäftsmann zu bilateralen Basalganglienschäden führte, verbrachte er alle seine Tage im Bett und zeigte kein Interesse an irgendetwas oder irgendjemandem. Aber wenn er äußerlich stimuliert wurde — wie wenn jemand darum bat, ein Kartenspiel mit ihm zu spielen – konnte er normal funktionieren. Interessanterweise berichten er und andere ähnliche Patienten nicht, dass sie sich von ihrem Zustand gelangweilt oder frustriert fühlen.

Thalamus

Abbildung 5. Das limbische System reguliert Emotionen und andere Verhaltensweisen. Es umfasst Teile der Großhirnrinde in der Nähe des Zentrums des Gehirns, einschließlich des Gyrus cinguli und des Hippocampus sowie des Thalamus, Hypothalamus und Amygdala.

Der Thalamus (griechisch für „innere Kammer“), dargestellt in Abbildung 5, fungiert als Tor zum und vom Cortex. Es empfängt sensorische und motorische Eingaben vom Körper und erhält auch Feedback vom Kortex. Dieser Rückkopplungsmechanismus kann das Bewusstsein für sensorische und motorische Eingaben in Abhängigkeit vom Aufmerksamkeits- und Erregungszustand des Tieres modulieren. Der Thalamus hilft, Bewusstsein, Erregung und Schlafzustände zu regulieren. Eine seltene genetische Störung namens tödliche familiäre Schlaflosigkeit verursacht die Degeneration von Thalamusneuronen und Glia. Diese Störung verhindert unter anderem, dass betroffene Patienten schlafen können, und ist schließlich tödlich.

Hypothalamus

Unterhalb des Thalamus befindet sich der Hypothalamus (siehe Abbildung 5). Der Hypothalamus steuert das endokrine System, indem er Signale an die Hypophyse sendet, eine erbsengroße endokrine Drüse, die mehrere verschiedene Hormone freisetzt, die andere Drüsen sowie andere Zellen beeinflussen. Diese Beziehung bedeutet, dass der Hypothalamus wichtige Verhaltensweisen reguliert, die von diesen Hormonen gesteuert werden. Der Hypothalamus ist der Thermostat des Körpers – er stellt sicher, dass Schlüsselfunktionen wie Nahrungs- und Wasseraufnahme, Energieverbrauch und Körpertemperatur auf einem angemessenen Niveau gehalten werden. Neuronen im Hypothalamus regulieren auch zirkadiane Rhythmen, manchmal Schlafzyklen genannt.

Limbisches System

Das limbische System ist ein verbundener Satz von Strukturen, die Emotionen sowie Verhaltensweisen im Zusammenhang mit Angst und Motivation regulieren. Es spielt eine Rolle bei der Gedächtnisbildung und umfasst Teile des Thalamus und Hypothalamus sowie den Hippocampus. Eine wichtige Struktur innerhalb des limbischen Systems ist eine Temporallappenstruktur namens Amygdala (griechisch für „Mandel“), die in Abbildung 5 dargestellt ist. Die beiden Amygdala sind sowohl für das Gefühl der Angst als auch für das Erkennen ängstlicher Gesichter wichtig. Der Gyrus cinguli hilft, Emotionen und Schmerzen zu regulieren.

Cerebellum

Das in Abbildung 2 gezeigte Cerebellum (lateinisch für „kleines Gehirn“) befindet sich an der Basis des Gehirns auf dem Hirnstamm. Das Kleinhirn steuert das Gleichgewicht und hilft bei der Koordination von Bewegungen und dem Erlernen neuer motorischer Aufgaben.

Hirnstamm

Der in Abbildung 2 dargestellte Hirnstamm verbindet den Rest des Gehirns mit dem Rückenmark. Es besteht aus dem Mittelhirn, der Medulla oblongata und den Pons. Motorische und sensorische Neuronen erstrecken sich durch den Hirnstamm und ermöglichen die Weiterleitung von Signalen zwischen Gehirn und Rückenmark. Aufsteigende Nervenbahnen kreuzen sich in diesem Abschnitt des Gehirns, so dass die linke Hemisphäre des Großhirns die rechte Körperseite kontrollieren kann und umgekehrt. Der Hirnstamm koordiniert Motorsteuersignale, die vom Gehirn an den Körper gesendet werden. Der Hirnstamm steuert mehrere wichtige Funktionen des Körpers, einschließlich Wachsamkeit, Erregung, Atmung, Blutdruck, Verdauung, Herzfrequenz, Schlucken, Gehen sowie sensorische und motorische Informationsintegration.

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