Lerntext über Nervenzellen, Nervensysteme und unser Gehirn

Roland Heynkes, 30.8.2022

Auf dieser Seite sammle ich zum Nachlesen und Lernen, was Lernende am Ende der Sekundarstufe 1 über Nervenzellen, unsere Nervensysteme und das menschliche Gehirn wissen sollten.

Gliederung

	Im Lerntext verwendete Begriffe aus dem erweiterten deutschen Wortschatz
	Fachbegriffe für biomedizinisch besonders Interessierte
	Für den Unterricht zu lernende Fachbegriffe
	Was ist ein Nervensystem?
	unsere Nervensysteme
	Wozu gibt es Nervensysteme
	Aufbau von Nervenzellen und Nerven
	chemische Synapsen
	Nervenfasern, Nervenfaserbündel und Nerven
	Wie Aktionspotentiale wandern
	Das Reiz-Reaktions-Schema
	Vom Reiz zur Reaktion
	Reflexe
	Wie unser Gehirn entsteht
	räumliche Orientierung in rotierenden Gehirnmodellen
	statische Darstellungen des Gehirns
	das Gehirn
	Limbisches System
	Lernen und Gedächtnisse
	Intelligenz
	häufige Erkrankungen des Zentralnervensystems
	Lerntext über Faktoren, die unsere Gehirne krank machen oder gesund erhalten

GoodNotes-Lernkarten zum Auswendiglernen von Fachbegriffen für biomedizinisch besonders Interessierte:
GoodNotes-Format und pdf-Format

Klickt man im iPad-Browser Safari auf den Link zum GoodNotes-Format, kann man die Datei laden. Klickt man dann rechts oben im iPad auf den nach unten zeigenden Pfeil im Kreis, wird die Datei als vermeintliche zip-Datei angezeigt. Nun wählt man den Dateinamen und klickt ganz rechts oben im iPad auf das Teilen-Symbol (Pfeil nach oben im Quadrat). Man muss entscheiden, ob die Datei in Dateien gespeichert oder in GoodNotes geöffnet werden soll. Schließlich kann man noch entscheiden, ob man sie als neues Dokument importieren oder an ein bestehendes Dokument anhängen möchte. Wurde die Lernkarten-Datei in GoodNotes geöffnet, dann klickt man ganz oben rechts im iPad auf die 3 Punkte und wählt ganz unten im Auswahlmenü die Option: "Lernkarten durchgehen".

• Arterie nennt man eine Puls- oder Schlagader, die das Blut vom Herzen weg führt.
• autonom = unabhängig, eigenständig
• Bauchspeicheldrüse oder Pankreas nennt man ein auf der Höhe der Nieren, aber weiter vorne quer im Oberbauch zwischen Leber und Milz liegendes Drüsenorgan des Menschen und anderer höherer Tiere, welches Verdauungsenzyme und Hormone wie Insulin und Glucagon produziert.
• Bindegewebe heißt Gewebe mit relativ wenigen Zellen in einer relativ großen Menge einer extrazellulären Matrix (z.B.: Lederhaut, Knochen und Knorpel).
• Bronchien heißen die Luftwege in der Lunge, deren Durchmesser mindestens 1 mm beträgt und die durch Knorpelringe offen gehalten werden.
• Darmschleimhaut heißt die das Innere des Darms auskleidende Schleimhaut.
• diffus = unregelmäßig zerstreut, ohne einheitliche Richtung und nicht scharf begrenzt
• Drüse heißt ein Organ, das ein Sekret oder ein Hormon produziert und nach außen abgibt.
• Eigenschaft heißt alles, womit man eine Sache oder ein Lebewesen beschreiben kann. Eigenschaften sind zum Beispiel die Farben, die Masse, die Größe, der Geschmack oder der Geruch eines Lebewesens.
• Element nennen Biologen einen Teil eines Systems oder ein chemisches Element.
• funktionieren = bei Bedarf eine planmäßige Funktion tatsächlich erfolgreich erfüllen
• Gehirn heißt der Teil eines Nervensystems, der die nervösen Aktivitäten eines Organismus, eines Organsystems oder wenigstens eines Organs koordiniert.
• Hirnschädel heißt der das Kopfgehirn schützend umgebende Teil des Schädels.
• Hormondrüse heißt eine Hormone produzierende Drüse.
• koordiniert = aufeinander abgestimmt
• Körper nennt man das, woraus eine Sache, ein Lebewesen oder ein Teil von einem Lebewesen ganz oder hauptsächlich besteht. Der Begriff Körper wird oft als ein deutsches Wort für Organismus benutzt, aber im Gegensatz zu einem Organismus oder Lebewesen muss ein Körper nicht lebensfähig sein.
• körperlich = bezogen auf den Körper oder ihn betreffend, physisch, somatisch oder noch allgemeiner Objekte der materiellen Welt (alles außer elektromagnetischer Strahlung)
• korrekt = richtig
• Lebendig nennt man Lebewesen, in denen koordinierte Lebensvorgänge den Organismus als Ganzes am Leben halten.
• Leber heißt das beim Durchschnittsmenschen etwa 1,5 kg schwere, im rechten Oberbauch und größtenteils noch geschützt unter den Rippen liegende Organ. Sie bildet die Galle und dient der Regulation der Blutzuckerkonzentration durch die reversible Bindung von Zucker-Monomeren in Zucker-Polymeren. Sie baut im Blut zirkulierende Giftstoffe und Medikamente ab und speichert Proteine sowie die Vitamine A, D und B12. Sie synthetisiert Proteine für das Blutserum. In ungeborenen Kindern bildet die Leber bis etwa 3 Monate vor der Geburt auch Blut-Zellen. Sie baut Fettsäuren ab und Cholesterin sowie Phosphatide auf.
• Lebewesen sind bei geeigneten Umweltbedingungen lebensfähige Systeme.
• Leukozyten sind weiße Blutkörperchen.
• Lymphgefäße sind die den Venen ähnelnden Gefäße, die Lymphe aus den Geweben durch die Lymphknoten in den Blutstrom transportieren. Wie die Venen besitzen auch die Lymphgefäße Ventile, die den Rückfluss der Lymphe in die falsche Richtung verhindern.
• Materie nennen wir in den Naturwissenschaften alles, was eine Masse besitzt und einen Raum besetzt.
• Muskulatur heißt die Summe aller Muskeln eines Organismus oder eines Teils von ihm.
• natürlich = naturgemäß, von Natur aus, in der Natur üblich, ohne menschliches Zutun in der Natur entstanden, den Naturgesetzen entsprechend, nicht künstlich wirkend, in der Alltagssprache aber auch oft im Sinne von selbstverständlich
• Organ nennt man aus mehreren Geweben bestehende funktionelle Einheiten innerhalb vielzelliger Organismen".
• peripher = außen bzw. am Rand liegend
• plastisch = formbar
• Prinzip heißt eine besonders wichtige, grundlegende bzw. fundamentale Regel, der Prinzipienreiter unter allen Umständen und normale Menschen nach Möglichkeit folgen. Prinzip nennen wir auch eine Regel, die wir in der Natur erkannt zu haben glauben. Solche Prinzpien nennen wir auch Naturgesetze, weil sich die Natur immer daran zu halten scheint. Allerdings meinen wir, dass etwas nur grundsätzlich oder im Wesentlichen zutrifft, wenn wir sagen, es sei im Prinzip oder prinzipielll richtig.
• Pupille heißt das bei Menschen normalerweise kreisrunde und schwarz wirkende Loch in der Mitte der Iris des Auges.
• Quelle nennt man einen Ort, jemanden oder etwas, von dem etwas stammt oder herkommt.
• reduzieren = verringern, herabsetzen, einschränken, vereinfachen
• Regeneration bedeutet in der Biologie je nach dem Zusammenhang Erholung erschöpfter Organismen, Wiederherstellung verbrauchter Biomoleküle (z.B. in den Lichtsinneszellen), Heilung kranker oder verletzter sowie Nachwachsen verlorener Körperteile. Es kann aber auch die Wiederherstellung der Bodenfruchtbarkeit durch Bodenlebewesen oder die Wiederherstellung des Ausgangszustandes eines Enzyms oder anderen Katalysators gemeint sein.
• Regulation, Regulierung oder Regelung bedeutet im Gegensatz zur Steuerung, dass die Steuerung automatisch durch einen Regelmechanismus mit Rückkopplung erfolgt.
• Schädelhöhle heißt der von den Knochen des Hirnschädels gebildete Hohlraum, in dem sich das Gehirn befindet.
• Schema heißt eine auf das Wesentliche beschränkte Darstellung eines Sachverhalts. Meistens ist damit eine übersichtliche, grafische Darstellung gemeint, die eine komplexere Sache verständlich macht, indem sie Unwichtiges weglässt, Kompliziertes vereinfacht und schwer erkennbare Feinheiten farblich hervorhebt.
• schematisch = mit Hilfe eines Schemas, einem Schema folgend oder entsprechend
• Speicheldrüse nennt man ein Organ, das einen Speichel genannten, schleimigen Saft erzeugt und in die Mundhöhle oder in den Dünndarm (Bauchspeicheldrüse) abgibt.
• System heißt ein aus mehreren, geordnet zusammen arbeitenden Teilen bestehendes Ganzes.
• Tier heißt ein bewegungsfähiges Lebewesen, das andere Lebewesen fressen muss.
• Vene nennt man jedes zum Herzen hin führende Blutgefäß.
• Verdauungstrakt nennt man das Organsystem der Verdauungorgane.

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GoodNotes-Format und pdf-Format

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• efferent = herausführend, hinaustragen (z.B. der Signale von einer Nervenzelle fortführende Neurit, vom Gehirn ausgehende Nervenfasern oder Blut aus Organen herausführende Adern)
• Epithelium oder Epithel heißt die oberste Zellschicht von Haut- oder Schleimhaut-Gewebe.
• Mukosa = Schleimhaut
• Plexus myentericus oder Auerbach-Plexus heißt ein sich von der Speiseröhre über den Magen und den gesamten Darm erstreckendes Netzwerk aus Anhäufungen von Nervenzellkörpern (Nervenknoten oder Ganglien) und Nervenfasern zwischen der Ring- (Stratum circulare) und der Längsmuskelschicht (Stratum longitudinale) in der Lamina muscularis mucosae.
• Plexus submucosus oder Meissner Plexus heißt ein sich von der Speiseröhre über den Magen und den gesamten Darm erstreckendes Netzwerk aus Anhäufungen von Nervenzellkörpern (Nervenknoten oder Ganglien) und Nervenfasern in der Submukosa.
• Submukosa heißt eine dünne Bindegewebsschicht unterhalb der Schleimhaut (Mukosa).
• Der Begriff vegetativ ist einer von vielen, die in verschiedenen Teildisziplinen der Biologie unterschiedlich verstanden werden. Botaniker sprechen von vegetativer Vermehrung, wenn sich Pflanzen nicht sexuell, also ungeschlechtlich fortpflanzen. In der Zoologie bezeichnet man mit vegetativ den Teil des Nervensystems, den wir nicht bewußt/willentlich steuern können.
• viszeral = die Eingeweide (Viszera) betreffend

GoodNotes-Lernkarten zum Auswendiglernen der Fachwörter, die man im Zusammenhang mit Nervensystemen ins Langzeitgedächtnis bringen sollte:
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Ein Nervensystem ist erstmal ein System. Und ein System ist ein aus mehreren Teilen bestehendes Ganzes, das mehr ist als die Summe seiner Teile, weil diese Teile (meistens räumlich und zeitlich) koordiniert zusammenwirken wirken können. Durch das Zusammenwirken aller Teile bekommt das System Eigenschaften, die sofort verschwinden, wenn auch nur eines der unverzichtbaren Teile fehlt. So ist beispielsweise ein Auto kein funktionsfähiges Auto mehr und kann nicht mehr fahren, wenn das Lenkrad oder der Motor fehlt oder wenn es nur noch 2 Räder hat. Und ein Auto funktioniert auch nicht, wenn seine Vorderräder nicht richtig zusammen arbeiten, sondern in unterschiedliche Richtungen fahren.

Auch ein Fahrrad ist ein einfaches System, in dem jedes Teil am richtig Platz sein und mit anderen korrekt verbunden sein muss. Aber es war immer noch mein Liegerad, wenn ich seine Sommerreifen durch Winterreifen ersetzt habe. Ein System bleibt das selbe System, wenn einzelne seiner Teile durch passende andere ersetzt werden.

Roland Heynkes, CC BY-SA-4.0

Auch natürlich Systeme können weiter bzw. wieder funktionieren, wenn einzelne Teile passend ersetzt werden. Wichtig ist in einem System nicht das Einzelne, sondern das Ganze. So können beispielsweise Flugzeuge viele Jahrzehnte hervorragend funktionieren, weil an ihnen ständig alle nicht mehr voll funktionsfähigen Teile ausgetauscht werden.

Die in einem Nervensystem geordnet zusammen arbeitenden Elemente heißen Nervenzellen und bilden im einfachsten Fall ein Netzwerk.

Auf das Foto eines Süßwasserpolypen namens Hydra habe ich schematisch das für diese Tiere typische diffuse Nervennetz gezeichnet. Mit seiner Hilfe können Süßwasserpolypen Berührungen wahrnehmen und sich bewegen.

Roland Heynkes mit einem Foto von Stephanie Guertin, CC BY-SA 3.0

Nervenzelle können sich zu Ganglien oder Gehirnen und ihre Axone können sich zu Nerven zusammenschließen. Ähnlich wie beim System Flugzeug ist auch in Nervensystemen keine einzelne Nervenzelle unersetzlich. Man spricht sogar vom plastischen menschlichen Gehirn, weil es bei der Erfüllung seiner Aufgaben extrem flexibel ist und sich selbst in hohem Maße reparieren kann. Zwar müssen unverzichtbare Leistungen auch in einem Nervensystem erbracht werden, aber nicht mehr funktionierende Nervenzellen können durch andere ersetzt werden. Es gehört sogar zu den typischen Eigenschaften aller lebenden Lebewesen, dass sie nach dem Prinzip des Fließgleichgewichts ständig ihre gesamte Materie austauschen, während sie sich selbst als lebende Systeme sehr viel langsamer verändern.

Verschiedene Quellen gliedern unsere Nervensysteme unterschiedlich. Unstrittig sind aber folgende Einteilungen:

• Man unterscheidet zwischen zentralem und peripherem Nervensystem. Zum zentralen Nervensystem zählen das Gehirn im Schädel und das Rückenmark in der Wirbelsäule. Der Rest heißt peripheres Nervensystem.

  Zentralnervensystem	peripheres Nervensystem
  Kopf-Gehirn + Rückenmark	alle anderen Nervenzellen und Nervensysteme

• Man unterscheidet außerdem zwischen dem willkürlichen (auch somatisch oder cerebrospinal genannten) und dem autonomen (auch vegetativ oder viszeral genannten) Nervensystem. Zum willkürlichen (somatischen) Nervensystem zählen alle Nervenzellen, die der bewussten Wahrnehmung mittels Sinnesorganen (sensorische Nervenzellen) oder der bewussten Steuerung unserer Muskeln (motorische Nervenzellen) dienen. Zum vegetativen Nervensystem zählen alle Nervenzellen, die der unbewussten Wahrnehmung innerer Körperzustände sowie der automatischen Steuerung innerkörperlicher Vorgänge (z.B.: Atmung, Herzschlag und Schweißbildung) und der inneren Organe (z.B. Darm und Leber) dienen.

  willkürliches, somatisches oder cerebrospinales Nervensystem	autonomes, vegetatives oder viszerales Nervensystem
  alle Nervenzellen, die der bewussten Wahrnehmung mittels Sinnesorganen (sensorische Nervenzellen) oder der bewussten Steuerung unserer Muskeln (motorische Nervenzellen) dienen	alle Nervenzellen, die der unbewussten Wahrnehmung innerer Körperzustände sowie der automatischen Steuerung innerkörperlicher Vorgänge (z.B.: Atmung, Herzschlag und Schweißbildung) und der inneren Organe (z.B. Darm und Leber) dienen

• Innerhalb des autonomen Nervensystems unterscheidet man zwischen dem sympathischen, dem parasympathischen und dem enterischen Nervensystem. Das enterische Nervensystem ist das Nervensystem des Magen-Darm-Trakts. Es funktioniert auch ohne Einwirkung des Kopfhirns, steht mit diesem aber in einem regen Informationsaustausch. Die Gegenspieler Sympathikus (Leistungsnerv) und Parasympathikus (Ruhenerv) unterliegen stärker der Regulation durch das Zentralnervensystem. Dabei macht der durch Stress und Angst aktivierte Sympathikus den Körper flucht- oder kampfbereit, während der durch Ruhe und Entspannung aktivierte Parasympathikus den Körper auf Erholung und Regeneration einstellt. Beide wirken nicht nur über Nervenbahnen, sondern aktivieren auch passende Hormondrüsen.

Der Parasympathikus reduziert die Durchmesser von Pupillen und Bronchienn sowie die Aktivitäten von Herz und Leber. Gleichzeitig steigert der Parasympathikus die Tätigkeiten von Speicheldrüsen, Magen, Bauchspeicheldrüse, Darm, Niere, Blase und Geschlechtsorganen.

Der Sympathikus vergrößert die Durchmesser von Pupillen und Bronchienn sowie die Aktivitäten von Herz und Leber. Gleichzeitig hemmt er die Tätigkeiten von Speicheldrüsen, Magen, Bauchspeicheldrüse, Darm, Niere, Blase und Geschlechtsorganen.

Im menschlichen Körper wurden bis jetzt drei Gehirne gefunden:

1. Geschützt vom Hirnschädel befindet sich in der Schädelhöhle das menschliche Kopfgehirn. In einer 2009 veröffentlichten Untersuchung fand man in männlichen Gehirnen durchschnittlich ungefähr 86 Milliarden Nervenzellen.
2. Rund um unseren ganzen Verdauungstrakt besitzen wir ein relativ großes Bauchgehirn aus immerhin rund 100 Millionen Nervenzellen.
3. Erst in den letzten Jahrzehnten als solches entdeckt wurde ein winziges Herzgehirn aus geschätzt 40.000 Nervenzellen.

Schema eines Darmabschnittes mit Darmgehirn
Zeichnung von Connexions, OpenStax College at Rice University, Anatomy & Physiology, Overview of the Digestive System, CC BY 4.0
Ausgang einer außerhalb des Darms liegenden Drüse Lymphgefäß Darminhalt (Lumen) Epithelium der Darmschleimhaut (Mukosa) Bindegewebe (Lamina propria mucosae) unter dem Epithelium der Darmschleimhaut (Mukosa), in dem es Adern, Lymphgefäße, Nerven und Drüsen befinden Lamina muscularis mucosae heißt eine Schicht glatter Muskulatur angrenzend an die Lamina propria mucosae der Darmschleimhaut (Mukosa) Drüse innerhalb der Darmschleimhaut Submukosa heißt eine dünne Bindegewebsschicht unterhalb der Schleimhaut (Mukosa) Drüsen innerhalb der Submukosa Plexus submucosus oder Meissner Plexus heißt ein sich von der Speiseröhre über den Magen und den gesamten Darm erstreckendes Netzwerk aus Anhäufungen von Nervenzellkörpern (Nervenknoten oder Ganglien) und Nervenfasern in der Submukosa. Vene Längsmuskelschicht (der Lamina muscularis mucosae) längs des Darms Ringmuskeln der Lamina muscularis mucosae Lamina epithelialis serosae heißt die äußerste Zellschicht (Epithelium) des Bindegewebes (Tunica serosa oder einfach Serosa), das den Darm (und andere Bauchorgane) überzieht. Lamina propria mucosae heißt ein von Adern, Lymphgefäßen und Nerven durchzogenes lockeres netzförmiges Bindegewebe voller weißer Blutkörperchen (Leukozyten), das zusammen mit dem Epithelium die Serosa bildet. Plexus myentericus oder Auerbach-Plexus heißt ein sich von der Speiseröhre über den Magen und den gesamten Darm erstreckendes Netzwerk aus Anhäufungen von Nervenzellkörpern (Nervenknoten oder Ganglien) und Nervenfasern zwischen der Ring- (Stratum circulare) und der Längsmuskelschicht (Stratum longitudinale) in der Lamina muscularis mucosae. Nerv Arterie Mesenterium heißt das zu den Faszien gehörende Bindegewebe, das den Darm aufhängt und in seiner Position hält.

Nervensysteme helfen vielzelligen Organismen (Tieren und mit anderen Zellarten wahrscheinlich auch Pflanzen), die Aktivitäten ihrer Zellen und Organe zu koordinieren.

Ohne unser Bauchgehirn könnten wir nicht verdauen.

Unser Kopfgehirn ist zuständig unser Gedächtnis, das Fühlen und Denken sowie für unsere bewusste Wahrnehmung. Dazu verarbeitet es Informationen von den Sinnesorganen. Es ist aber auch zuständig für einen Teil unserer unbewussten Wahrnehmung. Dazu verarbeitet es Informationen von Sensoren (speziellen Sinneszellen) überall im Körper. Es steuert unsere bewussten Bewegungen und kontrolliert unsere Hormonsysteme sowie grundlegende Lebensprozesse. Es reguliert über Nerven und Hormone unsere Organe und entscheidet beispielsweise über den Beginn der Pubertät.

unser Zentralnervensystem im System Körper

Bei uns Menschen und sehr wahrscheinlich zumindest auch bei den höher entwickelten Tieren haben sich Nervensysteme sozusagen verselbständigt und ein Bewußtsein geschaffen, das über sich selbst und die Welt nachdenken kann. Wenigstens für uns Menschen ist deshalb das Kopfgehirn unser wichtigstes und das einzige nicht austauschbare Organ, weil es den größten Teil dessen enthält oder erzeugt, was uns als Persönlichkeiten ausmacht.

Die wichtigsten Bausteine unserer Nervensysteme sind die Nervenzellen. Von anderen Zelltypen unterscheiden sich Nervenzellen nicht nur hinsichtlich ihrer Funktionen, sondern natürlich auch durch ihre Formen (Strukturen), die sich evolutionär an ihre Aufgaben angepasst haben.

Es gibt für verschiedene Aufgaben unterschiedliche Nervenzellen. Die folgende Darstellung zeigt vier Typen.

Schema mit 4 Grundformen von Nervenzellen
Jonathan Haas, CC BY-SA 3.0
1: unipolares Neuron ohne Dendriten, 2: bipolares Neuron mit nur einem Dendriten, 3: multipolares Neuron mit vielen Dendriten, 4: pseudounipolares Neuron mit nur einem Dendriten, der außerhalb des Zellkörpers direkt mit dem bei allen Nervenzellen vorhandenen Axon verbunden ist.

Der normalerweise in Biologiebüchern dargestellte Nervenzell-Typ ist das im Folgenden genauer beschriebene multipolare Neuron. Multipolare Nervenzellen bestehen aus einem Zellkörper, mehreren oder vielen Dendriten und einem Axon.

Schema einer multipolaren Nervenzelle
Mariana Ruiz Villarreal, public domain

Die Dendriten vergrößern enorm die Oberfläche einer Nervenzelle. Das schafft Platz für Tausende Synapsen, über die eine Nervenzelle Informationen von anderen Nervenzellen oder von Sinneszellen aufnehmen kann. Das meistens besonders lange und an seinen Enden verzweigte Axon transportiert elektrische Impulse von der Nervenzelle zu ihren Zielzellen (Nervenzellen, Drüsenzellen oder Muskelzellen).

Besonders die motorischen Nervenfasern der Wirbeltiere werden häufig von Hüllzellen umgeben. Die Lücken zwischen einzelnen Hüllzellen nennt man Schnürringe.

An den Enden der verzweigten Axone befinden sich kleine Verdickungen, die sogenannten Endknöpfchen. Ein Endknöpfchen bildet den vorderen (präsynaptischen) Teil einer Synapse. Erreicht ein elektrisches Signal (Aktionspotential) das Endknöpfchen, dann verschmelzen in ihm winzige Bläschen mit seiner Zellmembran und entlassen ihren Inhalt (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt. Die Neurotransmitter-Moleküle durchqueren den synaptischen Spalt und verbinden sich auf der anderen (postsynaptischen) Seite des synaptischen Spalts mit Rezeptor-Molekülen in der Zellmembran der Zielzelle. Jeder Transmitter passt (wie ein Schlüssel in ein Schloss) zu genau einer Sorte von Rezeptoren. Die beiden bleiben normalerweise nur für sehr kurze Zeit miteinander verbunden und trennen sich dann wieder. Während dieser Verbindung reagiert der Rezeptor mit einer Formveränderung, die seine spezifische Funktion auslöst. Das kann die Öffnung eines Ionenkanals, die Aktivierung eines Enzyms oder etwas anderes sein.

Schema einer chemischen Synapse

anonym, CC BY-SA 3.0

Es gibt Dutzende Sorten von Neurotransmittern und Cotransmittern. Und für jeden Typ von Transmitter gibt es einen eigenen Rezeptor-Typ. Deshalb können die vielen Synapsen auf den Dendriten und dem Zellkörper einer Nervenzelle auch nicht nur aktivierend oder hemmend wirken. Die Vielfalt der Transmitter und Rezeptoren ermöglicht eine Vielfalt möglicher gegenseitiger Beeinflussungen von Nervenzellen.

Wenn aktivierte Rezeptoren geringfügige Änderungen der elektrischen Spannungen an den Membranen erzeugen, breiten sich diese Spannungsänderungen aus, addieren sich und erreichen den Axonhügel. Wird dort eine bestimmte Spannung erreicht, dann löst dies am Axonhügel einen elektrischen Impuls aus, den man Aktionspotential nennt.

Im synaptischen Spalt werden die Neurotransmitter-Moleküle meistens rasch von Enzymen zerlegt. Die Bruchstücke oder auch ganze Neurotransmitter werden in eine der Zellen (meistens in das Endknöpfchen) wieder aufgenommen. Dort werden sie wenn nötig wieder zusammengesetzt und in neue Bläschen verpackt.

Schema vom Aufbau eines Nerven

Die folgende Animation zeigt, wie ein Axon ein elektrisches Signal weiterleitet. Man nennt das ein Aktionspotential. Das elektrische Signal ist eine vorübergehende Ladungsumkehr, die neben sich eine weitere Ladungsumkehr verursacht. Dadurch kommt es zu einer Art Kettenreaktion. Das Signal wandert nur in eine Richtung, weil die Membran nach einer Ladungsumkehr einen Moment der Erholung braucht, bevor es erneut zu einer Ladungsumkehr kommen kann.

schematische Animation eines wandernden Aktionspotentials
Lauren Taylor, CC BY-SA 3.0

Zwischen den Aktionspotentialen pumpt eine sogenannte Natrium-Kalium-Pumpe durch die Zellmembran jeweils 3 Natrium-Ionen aus der Zelle hinaus und nur 2 Kalium-Ionen in die Zelle hinein. Dadurch wird die Außenseite der Membran elektrisch positiver und die Membran-Innenseite negativer. Erst wenn dadurch wieder eine ausreichende elektrische Spannung zwischen der Innen- und der Außenseite der Membran aufgebaut wurde, kann es erneut zu einer Ladungsumkehr kommen.

Natrium-Kalium-Pumpe, Protein Data Bank Nr. 3A3Y von der Seite
Das von mir mit Hilfe der Daten der internationalen Protein Data Bank und dem Pogramm Jmol erzeugte Bild zeigt die Oberfläche des Protein-Komplexes, dessen einzelne Proteine durch unterschiedliche Farben erkennbar sind.

An der liegend rotierenden Natrium-Kalium-Pumpe ist deutlich erkennbar, dass es in ihr keinen Kanal gibt, durch den die Ionen diffundieren könnten. Das zeigt, dass die in Biologiebüchern übliche Darstellung falsch ist.

Die folgende Animation zeigt, wie der Transport funktioniert.

Kommt es zu an einer Stelle der Zellmembran zu einer Ladungsumkehr, dann öffnen sich in der Nachbarschaft zwei Arten von Protein-Kanälen. Sie öffnen sich aber nur, wenn die elektrische Spannung einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet.

menschlicher, spannungsabhängiger Natrium-Kanal, Protein Data Bank Nr. 6AGF von oben
Das von mir mit Hilfe der Daten der internationalen Protein Data Bank und dem Programm Jmol erzeugte Bild zeigt die Oberfläche des Protein-Komplexes, dessen einzelne Proteine durch unterschiedliche Farben erkennbar sind.

Zuerst öffnet sich ein Kanal, der nur Natrium-Ionen ins Zellinnere passieren lässt, nachdem er sie aus ihren Hüllen aus Wasser-Molekülen gelöst hat. Dieser spannungsabhängige Natrium-Kanal öffnet sich sehr schnell und schließt sich auch sehr schnell wieder.

menschlicher, spannungsabhängiger Natrium-Kanal, Protein Data Bank Nr. 6AGF von der Seite
Das von mir mit Hilfe der Daten der internationalen Protein Data Bank und dem Programm Jmol erzeugte Bild zeigt die Oberfläche des Protein-Komplexes, dessen einzelne Proteine durch unterschiedliche Farben erkennbar sind.

Der zweite spannungsabhängige Kanaltyp lässt nur Kalium-Ionen aus dem Zellinneren nach draußen fließen. Er ist viel träger als der Natrium-Kanal. Er öffnet und schließt sich langsamer.

spannungsabhängiger Kalium-Kanal der Wanderratte, Protein Data Bank Nr. 2A79 von unten
Das von mir mit Hilfe der Daten der internationalen Protein Data Bank und dem Programm Jmol erzeugte Bild zeigt die Oberfläche des Protein-Komplexes, dessen einzelne Proteine durch unterschiedliche Farben erkennbar sind.

Der spannungsabhängige Kalium-Kanal ist so kompliziert aufgebaut, dass man seine Struktur mit einem ruhenden Bild kaum erfassen kann.

spannungsabhängiger Kalium-Kanal der Wanderratte, Protein Data Bank Nr. 2A79 von der Seite
Das von mir mit Hilfe der Daten der internationalen Protein Data Bank und dem Programm Jmol erzeugte Bild zeigt die Oberfläche des Protein-Komplexes, dessen einzelne Proteine durch unterschiedliche Farben erkennbar sind.

Deshalb zeigt das folgende kurze Video den Kanal rotierend.

Das folgende Schema zeigt die Änderungen der elektrischen Spannung im zeitlichen Verlauf eines Aktionspotentials an einer Stelle der Membran.

Ladungsänderungen an einem Stück Membran
verschiedene anonyme Zeichner, CC BY-SA 3.0

Die folgende skalierbare Vektorgrafik zeigt in vier Schritten, was an der Axon-Membran passiert und wie sich dadurch die Ladungsverteilungen ändern. Man sollte sich etwas Zeit nehmen, um alle Feinheiten dieser Darstellung zu erkennen. Dafür macht sie die komplizierte Sache aber wirklich verständlich.

Mechanismus der Aktionspotential-Kettenreaktion

Tiere besitzen Sinnesorgane, Nervensysteme und reaktionsfähige Organe, um auf Reize reagieren zu können. Betrachtet man das Zentralnervensystem (ZNS) zunächst noch als eine black box unbekannter Struktur und Funktionsweise, dann kann man folgendes Reiz-Reaktions-Schema zeichnen:

Ein Sinnesorgan reagiert auf einen passenden Reiz, indem es Impulse durch eine Nervenfaser zum Zentralnervensystem (ZNS) schickt. Dort wird die Information verarbeitet. Das Zentralnervensystem muss die Bedeutung der Information erkennen und eine angemessene Reaktion planen. Danach schickt es geeignete Impulse durch Nervenfasern zu ausführenden Organen wie Muskeln oder Drüsen.

Mit Sinnesorganen wie den Augen und Ohren empfangen wir zahlreiche Reize aus unserer Umwelt. In den Sinnesorganen reagieren Sinneszellen darauf mit der Erzeugung elektrischer Signale (Erregung), welche durch sensorische Nervenzellen (Neurone) zum Gehirn weitergeleitet werden. Dort arbeiten viele Nervenzellen zusammen, um die Signale zu verarbeiten (auswerten und bewerten). Dabei werden auch Hirn-Strukturen beteiligt, die für verschiedene Gedächtnisse und Gefühle zuständig sind. Falls erforderlich, steuert das Gehirn Reaktionen, indem es durch motorische Nervenzellen genau aufeinander abgestimmte elektrische Signale zu verschiedenen Muskeln schickt. Oft haben wir sehr wenig Zeit, um auf einen Reiz adäquat zu reagieren. Wenn beispielsweise beim Siebenmeterwurf ein Handball mit 120 km/h (120.000 Meter pro 3600 Sekunden) auf eine Torfrau zufliegt, dann muss ein geeigneter Körperteil binnen 7/120000x3600= 0,21 Sekunden die Flugbahn des Balles kreuzen.

unser Zentralnervensystem im System Körper

Reflex nennt man einen Vorgang, bei dem eine Reaktion auf einen Reiz zwar im Zentralnervensystem ausgelöst wird, aber nicht im Großhirn und deshalb unbewusst. Das macht Reflexe viel schneller als bewußt vom Gehirn gesteuerte Bewegungen. Und Reflexe müssen so schnell sein, weil sie angeborene Schutzreaktionen sind. Man kann Reflexe durch Training etwas beschleunigen, aber mit zunehmendem Alter werden sie langsamer. Ein Nachteil von Reflexen kann gelegentlich sein, dass sie unwillkürlich, also nicht oder kaum steuerbar ablaufen. Sobald ein Reflex ausgelöst wurde, lässt er sich nicht mehr stoppen oder an eine veränderte Situation anpassen. Beispiele für Reflexe sind der Lidschluss-Reflex, der Husten- und der Kniesehnen-Reflex.

Beim Menschen ist der auf der Oberschenkelvorderseite befindliche Schenkelstrecker über eine Sehne mit dem Schienbein verbunden. In diese Sehne eingebunden ist die Kniescheibe. Aufgrund dieser besonderen Konstruktion kann man den unteren Teil dieser Sehne auch als ein Band betrachten, welches die Kniescheibe mit dem Schienbein verbindet. Deshalb nennt man diesen Teil der Sehne auch Kniescheibenband (Ligamentum Patella).

Klopft man mit einem Hämmerchen auf das Kniescheibenband, dann wird dieses dadurch nach innen verschoben und verbogen. Infolgedessen werden die Kniescheibe und der obere Teil der Sehne nach unten gezogen. Dabei dehnt die selbst kaum dehnbare Sehne ein wenig den vorderen Oberschenkelmuskel (Schenkelstrecker). Gleichzeitig werden auch die in diesem Muskel steckenden Muskelspindeln gestreckt und melden das durch elektrische Signale an das Rückenmark. Darin verzweigt sich das den Reiz meldende Axon und aktiviert zwei Nervenzellen - eine motorische und eine kleine Zwischennervenzelle (Zwischenneuron). Der Axonhügel der motorischen Nervenzelle erzeugt daraufhin einen elektrischen Impuls (Aktionspotential) und leitet diesen durch sein Axon zurück in den gedehnten Muskel. Dort verzweigt sich das Axon und seine wegen ihrer besonders großen Fläche motorische Platten genannten Endknöpfchen übertragen das Aktionspotential auf mehrere Muskelfasern. Diese werden dadurch veranlasst, sich zusammenzuziehen und so die passive Dehnung des Muskels auszugleichen. Gleichzeitig hemmt das kurze Zwischenneuron die motorische Nervenzelle, die ansonsten vielleicht gleichzeitig den Gegenspieler des aktivierten Muskels aktivieren würde. Das folgende Schema soll diesen Vorgang veranschaulichen.

schematisch vereinfachte Zeichnung des Kniesehnenreflexes
motorische Platten heißen die flachen Endknöpfchen an den Enden motorischer Nerven. Sie vergrößern die Kontaktfläche zum Muskel. Die Spindeln sind Dehnungs-Sinneszellen.
Meine Zeichnung zeigt nur die Strukturen um das Knie und im Rückenmark, die für das Verständnis des Kniesehnenreflexes nötig sind. Der Oberschenkel enthält vor und hinter dem Oberschenkelknochen noch etliche nicht gezeigte Muskeln.

Wie unser Gehirn entsteht, zeigt die gelegentlich im Fernsehen gezeigte dritte Folge der vierteiligen BBC-Dokumentation: "Michael Mosley - Was ist der Mensch" mit eindrucksvollen Beispielen für die kaum vorstellbare Plastizität des menschlichen Gehirns. Noch wichtiger als Grundwissen über den Aufbau unseres Nervensystems ist nämlich gerade für Lernende, dass unserer Lernfähigkeit praktisch keine Grenzen gesetzt sind. Im Prinzip leistet unser Gehirn bei entsprechendem Training genau soviel, wie wir von ihm verlangen. Begrenzt wird unsere Lernfähigkeit meistens dadurch, dass wir etwas für nicht erlernbar oder zumindest uns selbst in dieser Hinsicht für unbegabt halten. Ein "Basiskonzept" meines Biologie-Unterricht ist es deshalb, den Glauben der Lernenden an ihre Lernfähigkeit zu fördern. Der folgende Link führt zu meiner kritischen Zusammenfassung der Sendung.

Weil das menschliche Gehirn dreidimensional ist, liegen seine Strukturen nicht nur über-, unter- und nebeneinander, sondern auch vor- und hintereinander. Das macht es schwierig, den Aufbau des Gehirns mit zweidimensionalen Zeichnungen zu verstehen. Abhilfe bieten im Folgenden rotierende dreidimensionale Darstellungen in Form sogenannter animierter GIFs. Diese rotierenden Modelle des menschlichen Gehirns vermitteln einen räumlichen Eindruck von den Lagen verschiedener Strukturen.

Hirnstamm in einem rotierenden Modell des menschlichen Hirns
Für eine größere Version klicke auf das rotierende Bild.
BodyParts3D/Anatomography, The Database Center for Life Science, CC-BY-SA-2.1-jp
Dieses rotierende Modell eines menschlichen Hirns hebt den Hirnstamm rot hervor.

Zwischenhirn in einem rotierenden Modell eines menschlichen Hirns
Für eine größere Version klicke auf das rotierende Bild.
Anatomography by Life Science Databases(LSDB), CC-BY-SA-2.1-jp
Dieses rotierende Modell eines menschlichen Hirns hebt das Zwischenhirn rot hervor.

das Limbische System in einem rotierenden Modell eines menschlichen Hirns
Für eine größere Version klicke auf das rotierende Bild.
Anatomography by Life Science Databases(LSDB), CC-BY-SA-2.1-jp
Dieses rotierende Modell eines menschlichen Hirns hebt das Limbische System rot hervor.

Hippocampi in einem rotierenden Modell des menschlichen Hirns
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BodyParts3D/Anatomography, The Database Center for Life Science, CC-BY-SA-2.1-jp
Dieses rotierende Modell eines menschlichen Hirns hebt die Hippocampi rot hervor.

Kleinhirn in einem rotierenden Modellen des menschlichen Hirns
BodyParts3D/Anatomography, The Database Center for Life Science, CC-BY-SA-2.1-jp
Dieses rotierende Modell eines menschlichen Hirns hebt das Kleinhirn rot hervor.

Großhirn in einem rotierenden Modellen des menschlichen Hirns
BodyParts3D/Anatomography, The Database Center for Life Science, CC-BY-SA-2.1-jp
Dieses rotierende Modell eines menschlichen Hirns hebt das Großhirn rot hervor.

Großhirn-Pole in einem rotierenden Modell des menschlichen Hirns
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BodyParts3D/Anatomography, The Database Center for Life Science, CC-BY-SA-2.1-jp
Dieses rotierende Modell eines menschlichen Hirns hebt die der Orientierung des Betrachters dienenden Pole des Großhirns rot hervor. türkies = Polus frontalis (Frontalpol), Ende des Frontallappens grün = Polus occipitalis (Okzipitalpol), Ende des Okzipitallappens rot = Polus temporalis (Temporalpol), Ende des Temporallappens

Frontallappen in einem rotierenden Modell eines menschlichen Hirns
BodyParts3D, The Database Center for Life Science, CC-BY-SA-2.1-jp
Dieses rotierende Modell eines menschlichen Hirns hebt den linken Frontallappen rot hervor. Es fehlt das rechte Großhirn.

Zirbeldrüse (Epiphyse) in einem rotierenden Modell des menschlichen Hirns
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BodyParts3D/Anatomography, The Database Center for Life Science, CC-BY-SA-2.1-jp
Dieses rotierende Modell eines menschlichen Hirns hebt den Hirnstamm rot hervor.

der Corpus mamillare in jeder Hälfte eines rotierenden Modell des menschlichen Hirns
BodyParts3D, The Database Center for Life Science, CC-BY-SA-2.1-jp
In diesem rotierenden Modell eines menschlichen Hirns sind die beiden Mamillarkörper rot markiert. Sie liegen an den Vorderenden der Fornix cerebri an der Unterseite des menschlichen Gehirns und gehören zum Limbischen System. Innerhalb eines Mamillarkörpers unterscheidet man einen äußeren (lateralen) und einen weiter innen (medial) liegenden Kern. Die Aufgaben der Mamillarkörper sind noch unbekannt, aber sie scheinen etwas mit Gedächtnisvorgängen zu tun zu haben.

ein weiteres rotierendes Hirn-Modell
BodyParts3D, The Database Center for Life Science, CC-BY-SA-2.1-jp
In diesem rotierenden Modell eines menschlichen Hirns sind die Brücke (Pons) golden, der Hippocampus blau, die Amygdala grün, der Hypothalamus rot und die Hypophyse pink markiert.

Präfrontaler Cortex
Henry Gray, anonym bearbeitet, public domain
Präfrontaler Cortex oder Cortex praefrontalis heißt ein so großer Teil des Frontallappens der Großhirnrinde (Cortex cerebri), dass man beide fast gleichsetzen könnte. Er befindet sich an der Stirnseite des Gehirns. Der Präfrontale Cortex empfängt sensorische Signale von den etwas weiter hinten in der Großhirnrinde liegenden, für die Wahrnehmung der Umwelt zuständigen sensorischen Assoziationsgebieten der Großhirnrinde. Der Präfrontale Cortex ist auch mit dem Limbischen System und den Basalganglien verbunden. Er ist beteiligt am Kurzzeitgedächtnis, vorausschauender Planung, Entscheidungen, Überdenken und Kontrollieren des eigenen Verhaltens (Impulskontrolle). Der Präfrontale Cortex ist außerdem beteiligt an der Verknüpfung von Gedächtnisinhalten und emotionalen Bewertungen.

Basalganglien
Sung-Joo Lim1, Julie A. Fiez und Lori L. Holt, CC BY 3.0
Basalganglien oder basale Kerne nennt man den Thalamus zur Hirnaußenseite hin halbschalenartig umgebende Ganglien im Innern der Großhirn-Hemisphären. Dazu gehören der Linsenkern (Nucleus lentiformis), der Schweif- oder Schwanzkern (Nucleus caudatus), der Corpus amygdaloideum sowie das Claustrum.

Hirnstamm-Modell berechnet aus der MRT-Aufnahme eines menschlichen Hirns
BodyParts3D/Anatomography, The Database Center for Life Science, CC-BY-SA-2.1-jp
Folgt man obigem Link zur Quelle der Darstellung des Hirnstamms, dann kann man auf dieser Internetseite das auf realen MRT-Daten beruhende dreidimensionale Modell drehen und verändern.

Vergleich eines gesunden mit einem geschrumpften Gehirn
Nevit Dilmen, CC BY-SA 3.0	Nevit Dilmen, CC BY-SA 3.0
Klicke auf diese aus echten MRT-Bildern errechneten Darstellungen, um sie in der Wikimedia online dreidimensional zu betrachten.

Die folgende anatomische Zeichnung des Kleinhirns versucht so naturgetreu wie möglich zu zeigen, was der Zeichner in einem bestimmten Gehirn gesehen hat. Daher ist es detailreich, aber nicht sehr übersichtlich. Außerdem könnte das gezeichnete Kleinhirn theoretisch untypisch sein und so einen falschen Eindruck vermitteln.

anatomische Zeichnung des Kleinhirns
Henry Gray, Anatomy of the Human Body. Philadelphia: Lea & Febiger, 1918, Bartleby.com, 2000.

Die folgenden Schemata zeigen wenig Details und sind nicht naturgetreu. Sie geben gar kein bestimmtes Objekt wieder, sondern zeichnen ein stark vereinfachtes Bild, indem meistens verschiedene Strukturen durch unterschiedliche Farben erkennbar gemacht wurden. Man sieht das gesamte Gehirn in einer Schnittebene zwischen den beiden Großhirnhälften.

Schema des menschlichen Gehirns
anonymer Neurowissenschaftler, GNU Free Documentation License, Version 1.2

Hirnstamm in einem Schema des Gehirns
Patrick J. Lynch, CC BY-SA 3.0
Dieses Schema des menschlichen Gehirns zeigt das Großhirn (Cerebrum) und das Kleinhirn (Cerebellum) hellbraun, dass Zwischenhirn mittelbraun und den Hirnstamm rot markiert.

Es folgt weder ein Modell noch ein Schema, sondern ein durch Magnetresonanztomographie gewonnenes Bild eines echten Gehirns. Der Vorteil eines MRT-Bildes von einem lebenden Menschen ist, dass kein Modellbauer einen Fehler machen kann und dass auch keine Präparation die Strukturen verfälschen kann.

MRT-Bild eines menschlichen Gehirns
Christian R. Linder, CC BY-SA 3.0

Ein kleiner Nachteil eines MRT-Bildes ist, dass man die Farben der Gewebe nicht sehen kann. Deshalb zeige ich in einer allerdings für Kinder und andere besonders sensible Menschen nicht geeigneten Seite zum Vergleich noch Fotos von echten menschlichen Gehirnen (Präparaten).

Schätzungsweise 99,9% der Zellkörper unserer Nervenzellen liegen in den eher grau aussehenden Bereichen des zentralen Nervensystems (Hirn und Rückenmark), vor allem in der stark gefalteten Großhirnrinde und im Kleinhirn sowie im Inneren des Rückenmarks. Die weiter innen im Gehirn und außen im Rückenmark gelegenen weißen Bereiche bestehen aus Axonen und Begleitzellen (Gliazellen), die für die Versorgung (und Isolierung) zuständig sind. Etwa 100 Millionen Nervenzellen bilden das sogenannte Bauchhirn. Die Axone verbinden die Nervenzellen in Hirn und Rückenmark nicht nur untereinander, sondern auch mit allen Teilen unseres Körpers.

Die Hirngröße wächst auch mit der Körpergröße
	Im Durchschnitt wiegen Männerhirne 100 Gramm mehr als Frauenhirne. Im Durchschnitt wogen die Gehirne der Neandertaler mit rund 1400 Gramm mehr als die Gehirne heutiger Menschen mit nur 1350 Gramm. Allerdings haben im Durchschnitt Frauen 22 Gramm Hirn pro Kilogramm Körpergewicht, während es bei Männern nur 20 g sind. Das lässt vermuten, dass beim heutigen Menschen das Hirngewicht eher mit dem Körpergewicht als mit der Intelligenz zu tun hat. Das erklärt aber noch nicht, warum das Neandertalergehirn größer war als das des modernen Menschen, obwohl die Neandertaler anscheinend kleiner waren. Aktuell herrscht die Meinung vor, über die Leistungsfähigkeit des Gehirns entschieden eher die Oberfläche und das Ausmaß der Vernetzung als das Gewicht. Der Zusammenhang zwischen der Körpergröße und der Hirngröße wird besonders deutlich, wenn das menschliche Gehirn mit anderen Säugetierarten vergleicht.
University of Wisconsin and Michigan State Comparative Mammalian Brain Collections, as well as National Museum of Health and Medicine, CC-by-sa 2.0/de

Unser Gehirn wird durch Schädelknochen und Hirnhäute besonders geschützt, das Rückenmark durch die Wirbelknochen. Durch Hirntumore und Alzheimer werden Bereiche des Gehirns zerstört. Das kann die Persönlichkeit eines Menschen verändern und er kann vergesslich werden. Bei Hirntumoren ist das aber keineswegs immer so.

Der bekannteste und auffälligste Teil des menschlichen Gehirns ist das in eine linke und in eine rechte Hälfte unterteilte Großhirn. Normalerweise (nicht immer!) ist die linke Gehirnhälfte für die rechte Körperseite und die rechte Gehirnhälfte für die linke Körperseite zuständig. Warum das so ist, weiß man nicht. Seine sensorischen Bereiche verarbeiten von den Sinneszellen kommende Signale. Dabei ist die Haut von Lippen und Händen aufgrund großer Sinneszelldichte stark überrepräsentiert. Seine motorischen Bereiche steuern Bewegungen. Im Großhirn finden auch Denken, Lernen, Gedächtnis und Erinnern statt. Das Großhirn scheint außerdem unser Ich-Bewußtsein, Empathie und den eigenen Willen zu erzeugen, die zu den höheren Gehirn-Funktionen zählen und (unter anderem) auch bei Menschenaffen und Delfinen nachgewiesen wurden.

Den meisten Menschen ist auch das ebenfalls paarige Kleinhirn bekannt. Es ist unter anderem wesentlich an der Feinabstimmung der Bewegungen sowie der Steuerung der Körperhaltung und des Gleichgewichts beteiligt.

Weniger bekannt, aber nicht minder wichtig ist das auch der dritte in zwei Hälften unterteilte Teil unseres Gehirns, dass sogenannte Zwischenhirn. Der Thalamus genannte obere Teil des Zwischenhirns ist eng mit dem Großhirn verbunden. Der Thalamus ist die modulierende (Einfluss nehmende) Umschaltstelle fast aller Nervenfasern, die zur Großhirnrinde oder von dieser fort ziehen. Er bestimmt z.B., welche Sinneseindrücke das Bewußtsein erreichen und mit welchen Emotionen sie dabei verbunden werden.

Im Hypothalamus genannten unteren Teil des Zwischenhirns liegen dem unbewußten (autonomen oder vegetativen) Nervensystem übergeordnete Steuerzentralen für die wichtigsten Regulationsvorgänge des Körpers. Dazu gehören der Wach- und Schlafrhythmus, die Wärme-Regulation, die Blutdruck- und Atmungsregulation, die Nahrungs- und Flüssigkeitsaufnahme, Fettstoffwechsel, Wasser-, Salz- und Energiehaushalt, die Harn- und Schweißsekretion, die Regulation des osmotischen Drucks und im Sexualzentrum die Regulation der Funktionen der Geschlechtsorgane einschließlich des weiblichen Monatszyklusses. Dadurch erlebt oder fühlt der Mensch Müdigkeit, Hunger, Durst, Sättigung, Schwitzen, Erröten, Angst, Aggression, Erregung, Liebesbedürfnis, Gleichgültigkeit und ähnliches. Der Hypothalamus wirkt nicht nur über Nervenbahnen. Er verbindet das Nerven- mit dem Hormonsystem, indem es die (direkt unter ihm liegende und in der Hierarchie der Hormondrüsen ganz oben stehende) Hypophyse steuert. Der Hypothalamus wird aber auch selbst durch Hormone und durch die benachbarten Hirnteile beeinflusst.

Brücke, Mittelhirn und Nachhirn kommen nur einmal vor. Das Mittelhirn leitet Signale von den Sinneszellen zu den zuständigen Hirnregionen. Im Nachhirn und in der Brücke befinden sich unter anderem Zentren für die Kontrolle der Atmung, des Herzschlages, für Schlucken und Erbrechen sowie für die Verdauung.

Limbisches System nennt man eine aus mehreren Strukturen bestehende funktionelle Einheit des Gehirns, die gemeinsam mit vielen anderen Teilen des Gehirns vor allem der Verarbeitung von Emotionen und der Entstehung von Triebverhalten dient. Außerdem schüttet es bei Bedarf körpereigene Opioide (Endorphine) aus. Teile des Limbischen Systems entscheiden darüber, was wir in Langzeitgedächtnissen speichern.

Die folgenden Schemata heben die verschiedenen Strukturen des Limbischen Systems hervor.

Limbisches System in OpenStax Biology 2nd Edition
OpenStax College - Biology 2nd Edition 30. Mai 2018 - 35.3 The Central Nervous System, Abbildung 6, CC BY 4.0
Cingulate Gyrus (lateinisch: Gyrus cinguli), Thalamus, Hypothalamus, Pituitary (deutsch: Hypophyse), Amygdala (Mandelkern), Hippocampus
Limbisches System in OpenStax Anatomy & Physiology
OpenStax College - Anatomy & Physiology 10. Apr. 2018 - 15.3 Central Control, Abbildung 3, CC BY 4.0
Hypothalamic nuclei (deutsch: Kerne des Hypothalamus), Amygdala (Mandelkern), Hippocampus, Cingulate Gyrus (lateinisch: Gyrus cinguli), Corpus callosum, Thalamus
das Limbische System aus der Medical gallery of Blausen Medical 2014
Blausen Medical Communications, Inc., CC BY 3.0
Balken, Fornix cerebri, Epiphyse (Zirbeldrüse), Zwischenhirn, Thalamus-Kerne, Hypothalamus, Mamillarkörper, Amygdala (Mandelkern), Cerebrum, Gyrus cinguli, Gyrus parahippocampalis, Hippocampus
die Nervenbahnen des Limbischen Systems
Marco Catani et al., CC BY 4.0
Uncinate = Uncinate fasciculus = Fasciculus uncinatus, inferior fronto-occipital = auf der Hirn-Unterseite von vorn nach hinten verlaufende Nervenfasern, inferior longitudinal = auf der Hirn-Unterseite in Längsrichtung verlaufende Nervenbahn, Fornix = Fornix cerebri, Cingulum = Gyrus cinguli

Menschen lernen unbewusst beispielsweise ihre Muttersprache, wie man läuft, was man essen kann, wie es schmecken, riechen sowie aussehen sollte und welche Nahrungsmittel unsere Nährstoffe besonders schnell oder reichhaltig liefern. Wir können nicht anders als ständig etwas zu lernen. Und das Gehirn belohnt sich selbst umso stärker, je anspruchsvoller die in Angriff genommene Aufgabe ist. Es belohnt sich aber nicht nur mit Glücksgefühlen, sondern es wächst auch mit seinen Aufgaben. Was wir auch tun - Übung vermehrt vor allem, aber nicht nur bei Kindern im Gehirn die Nervenzellen und ihre Verknüpfungen. Besonders, jedoch nicht nur in der Pubertät gehen aber auch viele Verknüpfungen und sogar Nervenzellen wieder verloren, weil sie nicht benutzt werden.

Das Gehirn verarbeitet alle Informationen, die von den Sinneszellen geliefert werden. Aber nur zu einem kleinen Teil werden sie uns bewußt. Wie wichtig diese Auslese wesentlicher Informationen ist, zeigen die Probleme, die beispielsweise hypersensible und autistische Menschen mit der Reizüberflutung haben. Sie bezahlen für teilweise übermenschlich anmutende Fähigkeiten mit oft unerträglichem Stress oder gar massiven Behinderungen.

Nur die aktuell benötigten Informationen halten wir im sogenannten Arbeitsgedächtnis, wobei man eigentlich noch zwischen einem relativ großen unbewußten und einem sehr kleinen bewußten Teil unterscheiden muss. Beschäftigen wir uns besonders intensiv oder über einen längeren Zeitraum mit einer Information, dann wird sie vom Arbeitsgedächtnis ins Langzeitgedächtnis übernommen. Erst dann haben wir etwas wirklich gelernt. Dieses Lernen wird durch echtes Interesse oder zumindest eine positive Einstellung zum Lernen, aber auch durch vielfache Wiederholung erleichtert. Wird eine Information allerdings auch nur etwas zu lange nicht genutzt, dann vergessen wir sie wieder und müssen sie bei Bedarf neu lernen. Beim Lernen helfen auch positive Emotionen und das schon vorhandene Wissen, wenn die neuen Informationen sinnvoll darin eingeordnet werden können. Erlebnisse und Erfahrungen werden oft zusammen mit gleichzeitig wahrgenommenen Sinneseindrücken abgespeichert.

Obwohl die Kapazität des menschlichen Langzeitgedächtnisses mit wenigen Ausnahmen praktisch unbegrenzt ist, lässt doch der Hippocampus nur solche Informationen in eines unserer Langzeitgedächtnisse passieren, die uns wirklich interessieren. Für den Erfolg unseres Lernens ist es daher entscheidend, dass wir es schaffen, uns für die zu lernenden Inhalte wirklich zu interessieren. Weil man nicht seinen eigenen Hippocampus belügen kann, muss man davon wirklich überzeugt sein. Denn wir lernen nicht was wir sollen, sondern nur was wir wirklich lernen wollen. Positive Gefühle und Stimmungen erleichtern das Lernen, negative Gefühle, Angst und Stress können es verhindern. Nette Gesellschaft, Anerkennung und Erfolgserlebnisse erleichtern ebenfalls das Lernen. Sehr nützlich ist es auch, möglichst bald nach dem Lernen zu schlafen. Denn in unseren Träumen beschäftigen wir uns mit dem Erlernten, überdenken es, experimentieren mit Alternativen, bringen unerledigte Aufgaben zuende und verfestigen dabei unser Wissen und Können.

Für besonders Interessierte habe ich noch die Lerntexte:

• Plastizität unserer Gehirne und zur Entwicklung unserer Gedächtnisse
• Lernen
• eine kritische Zusammenfassung einer Teleakademie-Vorlesung von Prof. Dr. Martin Korte mit dem Titel: "Wir sind Gedächtnis"
• Ernährungsberater Gehirn

Intelligenz ist eine Eigenschaft oder Fähigkeit, für die es keine umfassende, eindeutige und allgemein anerkannte Definition gibt. Ich meine mit Intelligenz die Fähigkeit hochentwickelter Gehirne, Probleme zu erkennen, zu analysieren und zu lösen, die für sie neu sind und für die sie deshalb keine instinktiven, erlernten oder antrainierten Lösungen haben. Aber nicht das Lesen und Schreiben sind unverzichtbare Voraussetzungen für die Entwicklung von Intelligenz, sondern die Fähigkeiten, Wissen strukturiert im Gedächtnis zu halten, es sinnvoll verknüpfen und anwenden zu können und sich in irgendeiner Form von Sprache präzise und differenziert verständigen zu können.

Für besonders Interessierte habe ich noch eine kritische Zusammenfassung der Dokumentation: "Dumm geboren und nichts dazugelernt?".

Zu den Krankheiten des Zentralnervensystems gehören natürlich die verschiedenen Formen von Demenz. Sie werden zunehmend zu den sogenannten Zivilisationskrankheiten gezählt, die zwar kein Zeichen für besondere Zivilisiertheit sind, aber mit der mißbräuchlichen Nutzung der Segnungen moderner Gesellschaften zu tun haben. Zivilisationskrankheiten sind in den Gesellschaften bzw. in den Gesellschaftsschichten besonders verbreitet, in denen viele Menschen häufig gestresst sind und sich gleichzeitig zu wenig bewegen sowie zu energiereich ernähren. Bei den Demenzen kommt als zusätzlich zu erfüllende Vorraussetzung hinzu, dass einigermaßen hygienische Verhältnisse und funktionierende Sozial- und Gesundheitssysteme die Menschen relativ alt werden lassen.

Die mit rund 60% häufigste Form der Demenz ist die nach ihrem Entdecker benannte Hirnerkrankung Morbus Alzheimer. Symptome der Krankheit zeigen nur 2% der 65-Jährigen. Laut Wikipedia sind es bei den 70-Jährigen 3%, unter den 75-Jährigen 6% und bei den 85-Jährigen etwa 20 Prozent. Die Patienten leiden unter zunehmender Vergesslichkeit, Orientierungslosigkeit, nächtlicher Unruhe und motorischen Störungen, aber auch die ganze Persönlichkeit geht zunehmend verloren. Man geht heute von einer normalerweise mehrere Jahrzehnte dauernden Inkubationszeit aus, in welcher das Gehirn den Untergang von Nervenzellen kompensiert. Noch unbekannt ist, ob die nach dem Tod im Gehirn nachweisbaren Eiweißablagerungen Ursache oder Folge der Krankheit sind. Auf jeden Fall lassen sich die Symptome mit einem massiven Verlust von Nervenzellen erklären. Es wurde aber auch schon nachgewiesen, dass eine geistig besonders rege Alzheimer-Patientin massivste Nervenzellverluste und ein extrem geschrumpftes Gehirn bis zum Schluss kompensierte. Bei rechtzeitiger Diagnose kann der Krankheitsverlauf heute immerhin meistens verlangsamt werden. Trotzdem ist es natürlich sinnvoller, durch einen gesunden Lebenswandel die Entstehung der Krankheit zu vermeiden. Damit reduziert man gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit einer durch Durchblutungsstörungen verursachten Demenz.

Bekannt ist auch die zwar noch nicht heilbare, aber immerhin immer besser behandelbare Parkinson-Krankheit. Ursache ist das Absterben der Dopamin-produzierenden Nervenzellen in der Substantia nigra. Das führt typischerweise zu Zittern und dem zunehmenden Einfrieren der Bewegungen.

Eine relativ häufige und sehr gefährliche Krankheit ist die Depression. Symptome sind unter anderem Antriebslosigkeit, Müdigkeit, Angstzustände, Unfähigkeit zu trauern oder sich zu freuen und das Gefühl der innerer Leere. Weitere typische Symptome sind Appetitlosigkeit, Infektionsanfälligkeit, Reizbarkeit, Hoffnungslosigkeit, ein gestörter 24-Stunden-Rhythmus, verringerte Konzentrations- und Entscheidungsfähigkeit und verlangsamtes Denken. Eine Depression muss unbedingt medikamentös und psychotherapeutisch behandelt werden. Gegen eine sogenannte Winterdepression hilft eine einfache Lichttherapie, leichte depressive Verstimmungen können sich durch Sport bessern. Es werden viele mögliche Ursachen vermutet, aber man fand in bestimmten Hirnregionen zuviel oder zu wenig von den Neurotransmittern Serotonin und/oder Noradrenalin oder die Nervenzellen konnten nicht richtig darauf reagieren.

Für alle an der Gesundheit ihrer Gehirne Interessierten habe ich einen Lerntext Hirngesundheit.

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Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0