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Die postnatale Entwicklung des Gehirns ist aus vielerlei Gründen faszinierend. Das Gehirn ist das Organ, das postnatal, d.h. nach der Geburt, die stärksten Veränderungen durchmacht. Dieser Artikel soll die kindliche Entwicklung des Gehirns beschreiben, Aufschluss über verschiedene Entwicklungsschritte liefern und auch ergründen, was mit dem Gehirn während der Pubertät passiert.
Kinderärzt*Innen wenden etwa einen Viertel ihrer verfügbaren Zeit für Vorsorgeuntersuchungen auf, bei denen die neurologische Entwicklung den Schwerpunkt bildet. Dabei werden zu verschiedenen Zeitpunkten (die Intervalle werden mit zunehmendem Kindsalter grösser) verschiedene Untersuchungen zum aktuellen neurologischen Status des Kindes gemacht. Die erste Vorsorgeuntersuchung erfolgt in der Regel vier Wochen nach der Geburt und umfasst vor allem Bildgebungsverfahren und die Beweglichkeit. Diese Untersuchung hat also nur am Rand mit dem neurologischen Status zu tun. Mit zwei Jahren erfolgt in der Regel eine sehr spielerische Untersuchung, welche den neurologischen Status miteinbezieht. Dort geht es vor allem um die Aufmerksamkeitsfähigkeit und die Wahrnehmung. Klassische Intelligenztests können erst später angewendet werden, daher dient die Untersuchung des Spielverhaltens der Erfassung der geistigen Entwicklung.
Es gibt faszinierende Fakten zur neurologischen Entwicklung von Kindern, die man noch nicht erklären kann. Kinder können beispielsweise erst mit vier Jahren Erinnerungen bilden (traumatische Erlebnisse können schon früher prägend sein). Generell ist das Alter um den Kindergartenbeginn, wenn das Kind also ungefähr vier Jahre alt ist, ein sehr spannendes Alter in Bezug auf die kindliche Entwicklung des Gehirns. Mit vier Jahren beginnen Kinder zum Beispiel, ein Zeitverständnis zu entwickeln. Das Verständnis für Zeitabstände kommt erst später; dieses entwickeln Kinder in der Regel erst mit der Einschulung. Nun stellt sich die Frage, wie sich Kinder, die noch nicht vier Jahre alt sind, zeitlich orientieren. Diese Frage lässt sich durch den sogenannt basalen Zeitbegriff beantworten. Dieser basale Zeitbegriff beschreibt, dass Kleinkinder (<4 Jahre alt) gewisse Zeitabfolgen anhand von Sinneserlebnissen ausmachen. Wenn sie beispielsweise immer vor dem Essen das Geschirr hören und sehen entwickeln sie ein Verständnis dafür, dass es bald Essen gibt. Das ist jedoch eine sehr primitive Auffassung von Zeitabfolgen und die Entwicklung vom basalen Zeitbegriff zur Erfassung effektiver Zeitabstände dauert Jahre.
Zudem bilden sich etwa im Alter von vier Jahren erste Züge von Empathie aus. Ein zwei- oder dreijähriges Kind kann sich bei seinen Handlungen nicht fragen, was das Gegenüber empfindet. Dieses Einfühlungsvermögen kommt erst mit ungefähr vier Jahren. Fachsprachlich beschrieben wird dieser Prozess als ein Übergang von Autonomieentwicklung zur Perspektivenübernahme. Die Perspektivenübernahme meint, dass ein Kind erkennen kann, dass andere Menschen eigene Meinungen, Wünsche oder Interessen haben. Bei der molekularen Entwicklung des Gehirns ist wichtig, dass sich das Gehirn von hinten nach vorne entwickelt und dass sich die Anzahl Neuronen ab der Geburt nicht mehr verändert! Die Anzahl Neuronen bleibt zwar konstant, die Synapsen, also die Verbindungen zwischen Nervenzellen, steigt jedoch massiv an.
Für die Pubertät ist wichtig, dass Synapsendichte und Energieverbrauch direkt proportional zusammenhängen. Was in der Pubertät mit dem Gehirn geschieht, ist das sogenannte „Pruning“. Das Pruning ist ein Prozess, der die Optimierung der synaptischen Verbindungen beschreibt. Im Kleinkindalter muss man sich die Synapsenbildung wucherartig und ineffizient vorstellen. In der Pubertät werden nun überflüssige Synapsen abgebaut und die Effizienz wird gesteigert. Das heisst, dass es ganz viele neue Verknüpfungen im Gehirn gibt; die Anzahl der Verknüpfungen verkleinert sich jedoch insgesamt. Das ist auch wichtig für den Energieverbrauch, der direkt mit der Synapsenzahl zusammenhängt. Man will also gewissermassen einen übertriebenen Energieverbrauch durch unnötige Synapsen vermeiden. Diese Effizienzsteigerung sorgt auch dafür, dass wichtige Synapsen stärker ausgebildet werden können, was nebst der Reduktion der Anzahl einer zweiten Optimierung gleichkommt.
Weiter oben wurde erwähnt, dass sich das Gehirn von hinten nach vorne entwickelt. Dies ist der Grund, weshalb die Sinnesverarbeitung verhältnismässig früh funktioniert, da die Hirnareale für Sehen und Hören weit hinten lokalisiert sind. Die Areale für Motorik jedoch liegen beispielsweise ziemlich in der Mitte. Das ist die Erklärung dafür, dass Kinder erst nach einigen Monaten (ungefähr sechs) eine bewusst gesteuerte und kontrollierbare Motorik besitzen. Zuvor bezeichnet man die Bewegungen als „general movements“, die spontan und nicht bewusst auftreten. Die Hirnrinde ist der Ort des Bewusstwerdens. Das heisst, dass aufgrund der Entwicklungsrichtung die motorische Hirnrinde vor sechs Monaten noch keine Rolle spielt, da sie schlichtweg noch nicht ausgebildet ist.
Der Thalamus ist eine Struktur im Gehirn, die oberhalb des Hirnstamms lokalisiert ist und das Zwischenhirn bildet. Er besteht aus sehr vielen Subregionen, die es ihm ermöglichen, mehrere spezifische Funktionen zu übernehmen. Generell dient der Thalamus als massive Umschalt- und Filterstation für Afferenzen (Eingänge ins Gehirn), die aus dem Körper über das Rückenmark und den Hirnstamm zum Gehirn laufen. Jegliche Information, die zum Kortex, also zur Hirnrinde und somit zum Bewusstsein gelangt, wird über den Thalamus verschaltet. Daher wird der Thalamus häufig als «Tor zum Bewusstsein» bezeichnet. Er erlaubt das Eintreten von Informationen in den Kortex. Wenn Informationen ohne den Kortex (fachsprachlich «subkortikal») verarbeitet werden, sind diese Informationen unserem Bewusstsein vorenthalten. Ein Beispiel für subkortikale Verarbeitung sind Reflexe. Der vermutlich bekannteste Reflex, der Kniesehnenreflex, wird nur im Rückenmark verschaltet und ist somit jeglichem Bewusstsein entzogen. Sie können bei diesem Reflex also keinen Einfluss auf die Reaktion ihres Unterschenkels nehmen. Ein anderes spannendes Beispiel ist die Haltungsmotorik. Wenn Sie beispielsweise sitzen, ist Ihnen nicht permanent bewusst, welcher Muskel in welchem Spannungszustand verharrt, um Ihnen ein aufrechtes Sitzen zu ermöglichen.
Der Thalamus ist wie bereits erwähnt Schaltstation für alle Eingänge (Afferenzen) ins Gehirn. Die einzige sensorische Verarbeitung, die sich dem Thalamus entzieht, ist die Olfaktorik, also die Geruchsverarbeitung. Der Thalamus ist unter anderem in die Motorik involviert, da die Motorik ein Zusammespiel aus Kleinhirn und Kortex ist. Der Thalamus dient als Informationsübermittler zwischen Kortex und Kleinhirn. Eine weitere sehr wichtige Funktion ist die Selektivität der Weiterleitung von Informationen. Der Thalamus entscheidet, welche Informationen zum Kortex und somit zum Bewusstsein gelangen. Er bildet also die Grundlage für die gerichtete Aufmerksamkeit. Wenn man beispielsweise in der Schule sitzt und sie konzentrieren muss, gilt die gerichtete Aufmerksamkeit dem Lehrer. Wenn man dann jedoch entscheidet, dass man lieber aus dem Fenster schaut, dient die selektive Aufmerksamkeit diesen Eindrücken und der Thalamus unterdrückt die immer noch vorhandenen sensorischen Eingänge des Lehrers selektiv.
Kurz gefasst kann man den Thalamus als zentrales Integrations- und Steuerungsorgan für alle sensiblen und sensorischen Informationen auffassen. Der Aufbau dieses zentralen Bestandteils des menschlichen Gehirns ist trotz seiner vielfältigen Funktionen relativ einfach. Der Thalamus hat eine paarige Ei-Struktur. Er ist oberhalb des Hirnstamms lokalisiert, da er als Bindeglied zwischen Rückenmark und Kortex fungiert. Bis heute ist man sich in der Forschung uneinig, ob die beiden Thalamus-Hälften miteinander kommunizieren.
Das Bild zeigt die wichtigsten Projektionsareale des Thalamus. Es zeigt auf, dass der Thalamus wie eine Verteilerstation für Informationen funktioniert. Er steuert ganz unterschiedliche Kortexareale, wie beispielsweise das limbische System (gelb dargestellt), das der Emotionsverarbeitung dient. Das Bild zeigt auch, dass der Thalamus nicht einfach eine wilde Umschaltstation ist. Er besteht aus vielen verschiedenen kleineren Kernen. Das führt zu einem hohen Organisationsniveau innerhalb des Thalamus.
Thalamusläsionen treten am häufigsten aufgrund von Durchblutungsstörungen auf. Ein Hirninfarkt in dieser Region kann also zu einem Funktionsverlust des Thalamus führen. Die Symptomatik dabei ist sehr vielfältig und daher ist es oft schwierig, auf diese Ursache zu schliessen. Die am häufigsten auftretenden Symptome sind Doppelbilder, Gesichtsfeldausfälle und Sprachstörungen. Weitere Symptome sind Gefühlsstörungen und Lähmungen der Muskulatur. Häufig treten auch Aufmerksamkeitsprobleme auf, was damit zusammenhängt, dass die Selektivität der Informationsweiterleitung nicht mehr gewährleistet ist. Sonstige (beispielsweise angeborene) Erkrankungen des Thalamus sind kaum bekannt, was vermutlich darauf zurückzuführen ist, dass eine zu starke Funktionseinschränkung des Thalamus nicht mit dem Leben vereinbar ist.
Zu diesem Thema einen adäquaten Artikel zu verfassen ist mitunter schwierig, da die Forschung schlicht noch nicht final erklären konnte, wie Lernprozesse ablaufen. Es gibt jedoch bei vielen Lernprozessen schon fundierte Annahmen, welche in diesem Artikel vorgestellt werden. Zu Beginn möchte ich zudem erläutern, weshalb die Erforschung des Gehirns mit all seinen Funktionen so schwierig ist. Für die Forschung müsste man das Gehirn und sein Gewebe eigentlich nicht als ein Organ anschauen, denn das Gehirn hat als zentrales Steuersystem viele verschiedene Anteile, die unterschiedliche Funktionen übernehmen. Das Problem dabei ist jedoch, dass fast jede Hirnfunktion mit Verschaltungskreisen und Rückkoppelungsschlaufen einhergeht und sich somit eine Hirnfunktion gar nicht einem spezifischen Ort zuschreiben lässt. So dient zum Beispiel das Kleinhirn unter anderem der Bewegungsplanung und der motorische Anteil der Hirnrinde der darauffolgenden Bewegungsausführung. Nun sind bereits zwei Gehirnanteile involviert; das sind aber bei Weitem noch nicht alle Hirnareale, die für eine Bewegung aktiviert werden. Für das weitere Verständnis, wieso Forschung am Gehirn so schwierig ist, hilft möglicherweise ein Vergleich mit der Leber. Die Leber zu erforschen war/ist deshalb so viel einfacher, weil das gesamte Gewebe der Leber gleich aufgebaut ist und die gleichen Funktionen übernimmt. Es gibt in der Leber also keine funktionellen und auch keine strukturellen Subunterteilungen, was man vom Gehirn nicht behaupten kann.
Im Folgenden werden beim Lernen involvierten Strukturen und Prozesse vorgestellt. Der Hirnbereich, der zentral ist für Lernprozesse, ist der Hippocampus. Dieser Bereich heisst so, weil seine Form an ein Seepferdchen erinnert und Hippocampus der lateinische Begriff dafür ist. Der Hippocampus ist Teil des Temporallappens (siehe dazu den Artikel „Aufbau des Gehirns“) und kommt beidseitig vor. Wenn das Gehirn eine neue Erfahrung macht, werden jeweils spezifische, über ihre Fortsätze verknüpfte Neuronen aktiviert, um die korrekte (Re-)Aktion auszuführen. Als Beispiel soll hier das erstmalige Greifen eines Stiftes im Säuglingsalter dienen. Wenn am nächsten Tag erneut der Stift gegriffen werden soll, gibt es bei ebendiesen Neuronen eine Art Gedächtnisspur und es werden die gleichen oder zumindest teilweise überlappende Neuronen aktiviert. Der Hippocampus merkt sich also gewissermassen, welche Neuronen für eine spezifische Bewegung gebraucht werden. Diese Gedächtnisspur, die man fachsprachlich Engramm nennt, ist vor allem beim erstmaligen Erlernen von Dingen wichtig und später vor allem für das Langzeitgedächtnis. Der Hippocampus ist also entscheidend für das Kodieren von Gedächtnisinhalt.
Die Langzeitspeicherung findet jedoch nicht im Hippocampus statt, sondern man nimmt an, dass die Informationen in andere Hirnareale transferiert werden. Der Hippocampus hat dadurch auch die Fähigkeit, als Filterstation zu dienen. Er kann mitentscheiden, was an einem anderen Ort langzeitgespeichert und was vergessen wird. Diese Prozesse führen auch zu strukturellen Änderungen im Hippocampus. Personen, die überdurchschnittlich viel Neues lernen haben einen makroskopisch sichtbar grösseren Hippocampus. Der Hippocampus ist also gewissermassen trainierbar wie ein Muskel. Eigentlich haben die Neuronen aber keine Regenerationsfähigkeit (siehe Artikel „Aufbau des Gehirns“), das heisst, dass sie sich nicht teilen können. Wachstum geht aber einher mit Zellteilungen und der Hippocampus ist die einzige (!) Region im Gehirn, die während des gesamten Lebens neue Neuronen erhält. Das deckt sich auch mit der obigen Theorie des Engramms, da das Gehirn somit für neue Lernprozesse „frische“ Neuronen verwenden kann. Zudem sind diese regenerationsfähigen Neuronen des Hippocampus ein in der Forschung stark verfolgter Ansatz, krankhafte Nervenzelluntergänge zu kompensieren. Das ist jedoch sehr schwierig, da die Neuronen innerhalb der verschiedenen Hirnregionen nicht gleich aufgebaut sind und nicht gleich funktionieren.
Um Lernprozesse zu verstehen, muss man auch das Gedächtnis molekular nachvollziehen können. Das menschliche Gedächtnis lässt sich unterteilen in ein Kurzzeit- und ein Langzeitgedächtnis. Je nach Literatur und Forschungsgebiet wird eine noch kürzere Form, die sogenannte Gedächtnis-Spur definiert. Die Gedächtnis-Spur beinhaltet Elemente, die nur im Minutenbereich erinnert bleiben. Das Kurzzeitgedächtis bleibt für einige Stunden bestehen und das Langzeitgedächtnis für Tage oder sogar für immer. Der oben vorgestellte Hippocampus ist vor allem wichtig für das Langzeitgedächtnis. Das Langzeitgedächtnis wird darüber hinaus in ein explizites und ein implizites Langzeitgedächtnis unterteilt, wovon vor allem das Explizite durch den Hippocampus gebildet wird. Das weiss man daher, dass man die Aktivität des Hippocampus bei Langzeiterinnerungen verfolgen konnte.
Was man jedoch bis zum heutigen Tag nicht weiss, ist die Art der Abspeicherung, die durch den Hippocampus initiiert wird. Die gängigste Vorstellung ist eine Langzeitpotenzierung. Das bedeutet, dass es eine langzeitige Kommunikationsänderung zwischen zwei bei der Erinnerungsbildung beteiligten Neuronen gibt. Ein einmaliges Ereignis (das im Langzeitgedächtnis abgespeichert werden soll) löst im ersten Neuron einen sogenannten Tetanus aus. Das ist eine kurz anhaltende maximale Feuerrate. Dieses neue elektrische Signal wird vom zweiten Neuron wahrgenommen, und diese neue erhöhte Kommunikation zwischen zwei Neuronen bedingt die langzeitige Erinnerung an dieses Ereignis. Somit kann eine nur kurz anhaltende starke Stimulation einer Nervenzelle zur langzeitigen Potenzierung von Nervenzell-Verbindungen führen. Dieser Artikel soll aufzeigen, dass Hirnforschung höchst aktuell ist und noch heute ein riesiges Potential hat. Und falls Sie durch diesem Artikel etwas gelernt haben, dann mit Sicherheit, dass noch niemand final und vor allem molekular beschreiben kann, wie Sie das getan haben.
Der Hirnschlag ist ein leider häufig lebensbedrohlicher medizinischer Notfall. Jährlich erleiden schweizweit ungefähr 16‘000 Menschen einen Hirnschlag. Dieser Artikel soll einerseits Aufschluss darüber liefern, wie ein Hirnschlag entsteht und dann in einem zweiten Schritt aufklären, wie man als Laie im Notfall handeln muss. Die Versorgung des Gehirns ist im Vergleich zum Rest des Körpers speziell, da es viele Redundanzen gibt. Redundanzen sind Überlagerungen in der Versorgung von einem Gebiet. Es sind jedoch alles Endarterien, die das Gehirn versorgen; das bedeutet, dass es keine Verbindungen zwischen den Gefässen gibt. Wenn also eine solche Arterie verstopft ist und die Durchblutung dadurch gestört ist oder ganz verhindert wird, geht das direkt einher mit einem Versorgungsmangel, da Gefässverbindungen fehlen. Die Neuronen sind sehr empfindlich und nehmen schon nach Sekunden ohne Sauerstoff Schäden. Nach drei Minuten treten bereits erste irreversible Schädigungen auf. Je nach Grösse des Gefässes sind diese Zelluntergänge klinisch unauffällig oder es treten Symptome auf, bei denen rasch gehandelt werden muss.
Zuerst jedoch zur Entstehung des Schlaganfalls: Ein Schlaganfall entsteht wie bereits angedeutet durch eine Durchblutungsstörung von Hirnarealen. Die Durchblutungsstörung kann verschiedene Ursachen haben, kommt jedoch meistens daher, dass sich arteriosklerotische Plaques in der Wand eines in der Regel arteriellen Gefässes lösen und diese Plaques zu einem festen Gerinnsel, fachsprachlich Thrombus, auflagern. Diese Thromben zirkulieren dann und verstopfen im Falle eines Hirnschlags eine Endarterie des Gehirns. Doch was sind arteriosklerotische Plaques? Diese Plaques sind das Resultat der Arteriosklerose, eine Erkrankung der Arterien, die im Volksmund als Gefässverkalkung bekannt ist. Die Verkalkungen treten sehr schleichend auf und können klinisch jahrelang unauffällig sein. Sie führen jedoch zu einer Wandverdickung und somit zu einer Verengung und einer erhöhten Steifigkeit des Gefässes, was sich beides negativ auf den Blutfluss auswirkt. Wenn man sich die Arteriosklerose verbildlicht vorstellen will, sollte man an ein altes Leitungsrohr denken, in dem sich gewisse Stoffe ablagern, wodurch das Rohr keinen optimalen Fluss mehr gewährleisten kann. Die angelagerten Materialien in Gefässen sind vor allem Kalk, Fette und kleine Bindegewebsbestandteile.
Wenn Sie bei einer Person den Verdacht auf einen Hirnschlag hegen, dient die sogenannte F.A.S.T. Methode der Überprüfung. „Fast“ impliziert, dass es schnell gehen muss, zudem ist es die Abkürzung für die vier wichtigsten und einfachsten Checks:
Häufig werden vonseiten der Patienten auch diffuse Kopfschmerzen angegeben. Auch ein gestörtes Gangbild kann (wenn die Ergebnisse der F.A.S.T. Methode auf einen Hirnschlag deuten) ein weiteres Indiz sein. Die F.A.S.T. Methode ist sehr hilfreich, wenn bereits ein Notfall vorliegt. Die meist zugrundeliegende Arteriosklerose verstärkt sich jedoch nur sehr schleichend. Hier gibt es sehr viele präventive Ansätze, die dazu führen können, dass ein Schlaganfall gar nicht erst auftritt. Die stärksten Risikofaktoren sind Diabetes, Bluthochdruck, Rauchen, ungesunde Ernährung und Bewegungsmangel. Doch weshalb sind dies Risikofaktoren? Das Rauchen und die ungesunde Ernährung, vor allem wenn sie einseitig fettlastig ist, begünstigt die Arteriosklerose. Die molekulare Ursache liegt bei einer fettlastigen Ernährung auf der Hand: Wenn mehr Fette absorbiert werden, zirkulieren diese auch zu einem höheren Anteil im Blut und werden vermehrt abgelagert. Beim Rauchen sind die Tabakgase, die über die Lunge ins Blut gelangen, die Ursache. Die giftigen Substanzen im Tabakrauch, vor allem Kohlenmonoxid und Benzpyren, greifen zudem das Endothel der Gefässwand an, und dieses wird dadurch vermehrt von zirkulierenden Fetten überlagert. Bewegungsmangel wiederum geht oft einher mit Übergewicht, und übergewichtige Personen haben meist einen erhöhten Fettanteil, der sich dann auch negativ auf eine mögliche Arteriosklerose auswirkt.
Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass bei einem Hirnschlag schnell gehandelt werden muss. Essentiell ist hierbei, dass ohne Notruf keine Hilfe geleistet werden kann, denn im Gegensatz zum Herzinfarkt können Sie einem Patienten mit einem Hirnschlag ohne die benötigte Ausrüstung nicht akut helfen. Die F.A.S.T. Methode ist die wichtigste und am häufigsten angewandte Methode, wenn Hirnschläge von Laien beurteilt werden müssen. Zuletzt erwähnt wurden die vielen wichtigen Risikofaktoren, die es im Zusammenhang mit der Prävention und einem gesunden Lebensstil zu beachten gilt.
Im menschlichen Gehirn gibt es zwölf paarige Hirnnerven. Die Hirnnerven werden, wenn man von unten auf die Hirnbasis schaut, mit römischen Zahlen von vorne nach hinten – fachsprachlich von rostral nach okzipital – durchummeriert. Rostral bedeutet zum Gesicht hin, dort liegen folglich die Hirnnerven mit tiefen römischen Zahlen. Okzipital kommt daher, dass der Schädelknochen im Bereich des Hinterkopfs Os okzipitale genannt wird. Die Hirnnervenpaare verlassen den Schädel durch spezifische Öffnungen und innervieren vor allem den Kopf- und Halsbereich.
Ganz wichtig sind die Kerngebiete der Hirnnerven. Ein Kern ist im Prinzip eine Ansammlung von Neuronenkernen, die funktionell zusammengehören. Der Grossteil der Hirnnervenkerne ist im Hirnstamm lokalisiert. Nur die ersten beiden Hirnnerven haben ihre Kerne im Vorderhirn lokalisiert. Die Kerne lassen sich grob in zwei Kategorien unterteilen. Es gibt Ursprungskerne, das sind die efferenten Kerne, also diejeniegen Kerne, die den Ursprung von weggehenden Nervenfasern bilden. Im Gegensatz dazu gibt es Endkerne, das sind die Kerne, welche Afferenzen empfangen. Die Ursprungskerne liegen im Hirnstamm eher medial und die Endkerne eher lateral. Im Folgenden werden alle Hirnnerven kurz vorgestellt und ihre Funktion erläutert. Ausgewählte Hirnnerven werden vertieft behandelt.
Der erste Hirnnerv ist der Nervus olfactorius, der entscheidend ist bei der Geruchswahrnehmung. Dieser Nerv zieht also zur Nasenhöhle. Der zweite Hirnnerv ist ein sehr bekannter Nerv, der Nervus opticus. Er zieht vom Auge durch die Augenhöhle in die mittlere Schädelgrube. Dort liegt das optische Chiasma. Im optischen Chiasma kreuzen die Fasern der beiden Nervi optici. Der Nervus opticus ist die Grundlage jeglichen Sehens. Er verarbeitet die visuellen Eindrücke und leitet sie von der Retina an das Gehirn weiter.
Der dritte Hirnnerv ist der Nervus oculomotorius. Er innerviert die äusseren Augenmuskeln und ist somit verantwortlich für die Augenbewegungen. Der vierte Hirnnerv ist der kleinste aller Hirnnerven und verhältnismässig unwichtig. Seine Aufgabe ist es, einen einzigen Muskel im Auge motorisch zu innervieren. Hirnnerv Nummer fünf ist der Nervus trigeminus. Er hat drei (tri-) wichtige Äste. Der erste Ast geht zum Auge, der zweite und der dritte Ast gehen zum Kiefer. Nur der dritte Ast – namentlich der Nervus mandibularis – trägt motorische Nervenfasern. Der Nervus trigeminus ist der wichtigste Nerv, wenn es darum geht, sensible Informationen vom Gesichts- und Kopfbereich an das Gehirn weiterzuleiten. Der Nervus trigeminus übernimmt teilweise auch die sensiblen Informationen von anderen Hirnnerven über ganz feine Äste.
Der Nervus abducens ist der sechste Hirnnerv. Er innerviert einen der lateralen Augenmuskeln. Der Nervus facialis ist als siebter Hirnnerv wieder einer der Wichtigen. Der Nervus facialis innerviert die gesamte mimische Muskulatur des Gesichts. Normalerweise führt ein Muskel von einem Knochen zu einem anderen Knochen. Bei der mimischen Muskulatur hingegen strahlen die Muskeln in andere Muskeln oder sogar in die Haut ein. Der Muskelansatz ist also bei der mimischen Muskulatur im Gegensatz zur restlichen Muskulatur kein Knochen. Zudem regt der Nervus facialis auch die Speichel- und Tränendrüsen an. Der Nervus vestibulocochlearis ist der achte Hirnnerv. Das Vestibularorgan ist das Gleichgewichtsorgan und die Cochela ist die Hörschnecke. Dieser achte Hirnnerv ist also wichtig für das Hören und das Gleichgewicht. Der neunte Hirnnerv ist der Nervus glossopharyngeus. Er innerviert motorisch die Muskeln des Pharynx und innerviert zudem die Ohrspeicheldrüse.
Der zehnte Hirnnerv, der Nervus vagus, ist der vermutlich bekannteste Hirnnerv. Er bildet die Grundlage des Parasympathikus. Der Parasympathikus ist der Gegenspieler des Sympathikus und beide zusammen bilden das vegetative Nervensystem. Das vegetative Nervensystem umfasst sämtliche neuronale Aktivitäten, die nicht bewusst gesteuert werden können, wie zum Beispiel die Regulation der Herzaktivität oder der Verdauung. Grob gesagt reguliert der Sympathikus bei einer Stresssituation und der Parasympathikus bei einer Situation in Ruhe. Evolutionstechnisch ist der Sympathikus für „fight or flight“ (Kampf oder Flucht) zuständig, wohingegen der Parasympathikus für „rest and digest“ (Ruhe und Verdauung) verantwortlich ist.
Der elfte Hirnnerv ist der Nervus accesorius. Er hat vor allem eine starke motorische Funktion, da er einen grossen Muskel des Halses und einen des Rückens innerviert. Der zwölfte und somit letzte Hirnnerv ist der Nervus hypoglossus. „Hypo-„ bedeutet unter und „Glossus“ bedeutet Zunge. Dieser Nerv innerviert also Muskeln unterhalb der Zunge. Allen Hirnnerven ist gemeinsam, dass sie die einzigen Nerven sind, die nicht dem Rückenmark entspringen.
Das Gehirn ist unsere zentrale Schaltstelle im Körper und liegt innerhalb des Schädels. Der Schädel besteht aus mehreren Knochen. Die Schädelknochen sind miteinander vernäht und bilden an ihren Grenzen sogenannte Suturen (Vernähungen). Innen an den Schädelknochen beginnen die Hirnhäute, welche fachsprachlich Meningen genannt werden. Es gibt drei Meningen, welche drei direkt übereinanderliegende Schichten bilden. Die äusserste Schicht, welche unmittelbar der Innenseite der Schädelknochen anliegt ist die Dura mater (lat. dura = hart). Der bindegewebige Anteil der Dura mater ist funktionell die Knochenhaut des inneren Schädels. Die mittlere Schicht bildet die Dura arachnoidea. Arachnoidea bedeutet Spinne, und diese Schicht heisst so, weil das Gewebe spinnennetzähnliche Fasern bildet. Zudem macht die Dura arachnoidea viele Fortsätze zur innersten Schicht, welche ebenfalls spinnennetzähnlich erscheinen. Die innerste Schicht ist die Pia mater (lat. pia = weich). Zwischen der Dura arachnoidea und der Pia mater ist ein grosser Teil des Liquors lokalisiert. Der Liquor ist die Flüssigkeit, welche das Gehirn umgibt. Das Gehirn schwimmt also gewissermassen im Liquor. Eine erwachsene Person hat ungefähr 150 Milliliter Liquor.Die Funktionen des Liquors sind vielfältig. Er dient einerseits dem Stoffwechsel von Neuronen des Gehirns und des Rückenmarks. Andererseits ist der Liquor auch ein mechanischer Schutz.
Das Gehirn lässt sich in verschiedene Abschnitte unterteilen. Die wichtigsten Abschnitte sind Grosshirn, Kleinhirn und Hirnstamm. Das Grosshirn bildet den grössten Teil des Gehirns. Es lässt sich in zwei Hemisphären (Hälften) aufteilen. Diese Hälften entstehen durch eine Einsenkung der Dura mater. Jede Hälfte des Grosshirns kann man in vier Lappen unterteilen. Wenn man also das gesamte Grosshirn betrachtet, kommt jeder Lappen zwei Mal vor. Von vorne nach hinten gibt es den Frontallapen, den Parietallappen (im Bild Scheitellappen), den Temporallappen und den Okzipitallappen (im Bild Hinterhauptlappen). Diese Namen sind kompliziert, kommen aber nicht von ungefähr. Oben wurde erwähnt, dass der Schädel aus mehreren Knochen besteht. Die Namensgebung der Lappen erfolgt grob nach der Lokalisierung zum jeweiligen Schädelknochen. Der Frontallappen liegt also grob im Bereich des Os (lat. Knochen) frontale. Folglich bilden das Os frontale, das Os parietale (paarig), das Os temporale (paarig) und das Os okzipitale den Schädel.
Im Frontallappen liegen die Zentren für willkürliche Bewegungen. Aber auch das motorische Sprachzentrum und das Zentrum für die Augenmuskulatur sind in diesem Lappen lokalisiert. Der Parietallappen (auch Scheitellapen) ist gewissermassen die Körperfühlsphäre. Informationen, die zum Gehirn gelangen, werden also häufig über den Parietallappen verarbeitet. Das Hörzentrum liegt im Temporallappen und die Sehrinde liegt innerhalb des Okzipitallappens. Diese Abbildung bildet eine Übersicht über alle Lappen und die jeweiligen Funktionen. Auch das Kleinhirn ist abgebildet. Das Kleinhirn fungiert als höchste Kontrollinstanz von allen Bewegungen. Es koordiniert somit die Motorik unseres Körpers und ist beispielsweise auch für die Gleichgewichtsregelung zuständig. Das Kleinhirn liegt weit hinten und hat eine anatomische Nähe zum Os okzipitale.
Als letzter Hauptanteil des Gehirns wird nun noch der Hirnstamm genauer betrachtet. Der Hirnstamm besteht aus dem Mittelhirn, der Brücke (fachsprachlich Pons) und der Medulla oblongata. Die Medulla oblongata ist hier am wichtigsten und etwas vereinfacht gesagt die Fortsetzung des Rückenmarks in den Gehirnbereich. Sie ist Ursprung von gewissen Hirnnerven. Die Medulla oblongata ist funktionell wichtig bei Regulationszentren für die Atmung und den Kreislauf. Sie dient auch der Emotionsverarbeitung.
Wenn man den Aufbau des Gehirns histologisch (Histologie = Gewebslehre) anschaut, sind vor allem zwei Zelltypen wichtig. Zum einen natürlich die Nervenzellen, die Neuronen. Zum anderen sind auch die Stützzellen, fachsprachlich sogenannte Gliazellen, sehr wichtig. Schätzungsweise gibt es im menschlichen Gehirn 100 Milliarden Neuronen. Jedes dieser Neuronen bildet viele Verknüpfungen. Ein Neuron macht schätzungsweise 1000 Verknüpfungen. Die Neuronen sind sehr langlebig und haben eine schlechte bis keine Regenerationsfähigkeit. Daher sind die Gliazellen wichtig. Sie dienen dem mechanischen Schutz der Neuronen und hindern das Immunsystem daran, im Gehirn eine starke Aktivität auszuüben (siehe Artikel zur Blut-Hirn-Schranke).
Die Blut-Hirn-Schranke ist auf den ersten Blick nicht intuitiv. Aus dem Namen könnte man darauf schliessen, dass kein Blut zum Gehirn darf, was jedoch nicht der Fall ist. Tatsächlich ist das Gehirn das Organ, das seine eigene Durchblutung dank komplexer Regulationsmechanismen über die Durchblutung anderer Organe steuern kann. Daraus leitet sich die sogenannte „selfish brain hypothesis“ (engl. für „Hypothese des eigennützigen Gehirns“) ab. Das Gehirn ist permanent auf Blut angewiesen, daher gibt es in der Versorgung auch Redundanzen. Würde also der Blutfluss von einer Arterie vermindert oder gar gestoppt, könnte das Versorgungsgebiet dieser Arterie von einer anderen Arterie kompensiert werden. Die Blut-Hirn-Schranke spricht somit nicht die Durchblutung selbst an, sondern die Zusammensetzung des Blutes. Sie reguliert sehr strikt, welche Bestandteile des Blutes ins Gehirn dürfen und welche nicht. Die Blut-Hirn-Schranke ist in der Gefässwand der intrakranialen Kapillaren, also der Kapillaren innerhalb des Schädels lokalisiert. Eine Kapillare ist die kleinste Aufästelung von einem Gefäss und der Ort des Stoffaustausches zwischen Blut und Gewebe. Darum macht es auch Sinn, dass die Blut-Hirn-Schranke nur in den Kapillaren lokalisiert ist, denn ausserhalb davon, beispielsweise in einer mittelgrossen Arterie, kann kein Stoffaustausch stattfinden.
Die Blut-Hirn-Schranke besteht aus drei Komponenten. Eine dichte Zellschicht bildet die Kapillarwand. Das ist die sogenannte Endothelzellschicht und sie ist permanent mit dem Blut in Kontakt, da sie die innerste Schicht der Gefässwand ist. Diese wie eine Mauer angeordneten Endothelzellen sind verbunden durch sogenannte „tight junctions“ (engl. für „enge Verknüpfungen“). Die Endothelzellschicht liegt auf einer dünnen bindegewebigen Membran, der sogenannten Basalmembran. Sie bildet quasi die Unterlage für die Endothelzellen. Ein weiterer Zelltyp, der an der Blut-Hirn-Schranke beteiligt ist, sind die sogenannten Astrozyten. Das sind Zellen des Gehirns, die charakteristisch sehr viele Fortsätze haben. Mit diesen Fortsätzen lagern sie sich von aussen an die Kapillaren. Kurz zusammengefasst sind die drei Komponenten der Blut-Hirn-Schranke die Endothelzellen mit ihren „tight junctions“, die Basalmembran und die Astrozytenfortsätze. Zur Veranschaulichung des Aufbaus dient dieses Bild (die Basalmembran ist hier nicht abgebildet):
a) Räumliche Anordnung
b) Querschnitt
Nun stellt sich natürlich die Frage nach der genauen Funktion der Blut-Hirn-Schranke. Dazu zuerst ein kurzer Ausflug zu den Zellen des Gehirns, den Neuronen. Die Neuronen sind gemeinsam mit den Herzmuskelzellen die einzige Zellgruppe, die keine oder kaum (das ist nach heutiger Forschung noch unklar) Regenerationsfähigkeit haben. Das heisst also, dass unsere Neuronen während des gesamten Lebens dieselben bleiben. Das ist sehr untypisch für Zellen. Die roten Blutkörperchen beispielsweise sterben natürlicherweise nach drei bis vier Monaten und werden durch Frische ersetzt. Diese fehlende Regenerationsfähigkeit im Gehirn führt nun dazu, dass das Gehirn alles daran setzt, die Neuronen nicht zu schädigen.
Die Blut-Hirn-Schranke reguliert wie oben erwähnt die Zusammensetzung des Blutes, welches das Gehirn versorgt. Im Blut befinden sich nebst den roten Blutkörperchen für den Sauerstofftransport auch die weissen Blutkörperchen, das sind Zellen des Immunsystems. Die Zellen des Immunsystems gehen oft brachial vor; es gibt zum Beispiel phagozytierende Zellen. Die Phagozytose ist die Aufnahme von Fremdmaterial durch eine andere Zelle. Man kann sich das vereinfacht als fressende Zellen vorstellen. So werden beispielsweise Bakterien eliminiert. Man sieht die brachiale Vorgehensweise des Immunsystems insbesondere auch bei Entzündungsreaktionen. Rötungen, Schwellungen, Eiter und weitere Reaktionen sind klassische Begleiterscheinung von Entzündungen, die durch das Immunsystem ausgelöst werden.
Wenn diese Prozesse jetzt eins zu eins im Gehirn ablaufen würden, käme es zu einer massiven Schädigung der Neuronen und das wäre fatal, da sie ja nicht regenerationsfähig sind. Die Blut-Hirn-Schranke reguliert daher vor allem den Durchtritt von Immunzellen ins Gehirn. Dieser Durchtritt ist sehr gering verglichen mit dem Rest des Körpers, die Blut-Hirn-Schranke ist jedoch keine absolute Barriere für Immunzellen. Das Gehirn ist also immunpriviligiert. Das bedeutet, dass das Immunsystem des Gehirns seine Prozesse spezifischer und regulierter durchführt als an anderen Orten im Körper. Das dient einzig und allein dazu, die Neuronen am Leben zu halten und keinesfalls zu schädigen. Diese Blut-Hirn-Schranke hat auch einen evolutionären Hintergrund. Evolutionstechnisch gesehen war/ist es besser, gesunde Menschen vor Hirnschädigungen zu schützen, als Menschen, die auf eine Immunreaktion im Gehirn angewiesen wären, zu helfen. Denn eine Immunreaktion im Gehirn würde, wie bereits erläutert, massive Schäden anrichten und somit die gesamtheitliche Gesundheitssituation nicht verbessern. Die Blut-Hirn-Schranke ist also evolutionstechnisch gesehen ein Kompromiss zwischen dem Immunsystem und den nicht regenerierbaren Neuronen.