CogniFit - Das menschliche Gehirn

Was ist das Gehirn?

Das Gehirn kann als komplexes Organ definiert werden, das sich im Schädel befindet und die Aktivität des Nervensystems steuert. Es ist Teil des Zentralnervensystems (ZNS) und bildet den größten Teil des Encephalons. Es befindet sich in der vorderen und oberen Region der Schädelhöhle und ist bei allen Wirbeltieren vorhanden. Im Schädel schwimmt das Gehirn in einer durchsichtigen Flüssigkeit, der Cerebrospinalflüssigkeit, die das Gehirn sowohl physisch als auch immunologisch schützt.

Ist das Gehirn ein Muskel? Auch wenn man das Gehirn umgangssprachlich mit einem Muskel vergleicht, der trainiert werden muss, damit er nicht verkümmert, ist das Gehirn in Wahrheit kein Muskel. Das Gehirn besteht nicht aus Myozyten (Muskelzellen), sondern aus Millionen von Neuronen, die durch Axone und Dendriten verbunden sind. Diese regulieren jede einzelne unserer Gehirn- und Körperfunktionen: das Atmen, Essen, Schlafen, die Fähigkeit des logischen Denkens, sich zu verlieben, oder mit jemandem zu streiten. All diese Fähigkeiten werden vom Gehirn kontrolliert, wobei diese nur einen Teil der zerebralen Funktionen darstellen.

Was macht unser Gehirn? Gehirnfunktionen

Als wichtiger Teil des Encephalons und des ZNS kann das Gehirn als "Manager" definiert werden, der die Mehrheit der geistigen und körperlichen Funktionen kontrolliert und reguliert: Das Gehirn ist zuständig für vitale Funktionen wie Atmen, Herzrhythmus, Schlafen, Hunger und Durst, aber auch für höhere Funktionen wie logisches Denken, Gedächtnis, Aufmerksamkeit (Corbetta & Shulman, 2002) und die Kontrolle der Emotionen und des Verhaltens...

Alle Ereignisse in unserem Leben während des Schlafens oder im Wachzustand werden von unserem Encephalon reguliert: Atmen, Schlucken, Sehen, Höhren, Berühren, Schmecken, Lesen oder Schreiben, Singen, Tanzen, stilles Denken oder lautes Sprechen, Lieben oder Hassen, Gehen oder Rennen, Planen oder Spontanität, Vorstellen oder Schaffen usw. Einige der wichtigsten Gehirnfunktionen sind:

• Kontrolle vitaler Funktionen:Körpertemperatur, Blutdruck, Herzrhythmus, Atmung, Schlaf, Essen...
• Aufnahme, Verarbeitung, Integration und Interpretation aller Informationen, die wir über die Sinnesorgane erhalten: Sehen, Höhren, Schmecken, Berühren, Riechen.
  • Kontrolle der Bewegungen und der Haltung: Gehen, Rennen, Sprechen, Stehen.
  • Das Gehirn ist verantwortlich für unsere Gefühle und unser Verhalten.
  • Es ermöglicht uns, zu denken, zu argumentieren, zu fühlen, zu sein...
  • Kontrolle aller höheren kognitiven Funktionen: Gedächtnis, Lernen, Wahrnehmung, exekutive Funktionen...(Miller, 2000; Miller & Cohen, 2001)

"Menschen sollten wissen, dass nur vom Gehirn Freude, Vergnügen, Lachen und Wonne, aber auch Sorgen, Kummer, Mutlosigkeit und Wehklagen ausgehen. Das Gehirn ermöglicht es uns auf ganz besondere Art, Weisheit und Wissen zu erwerben. Wir hören und sehen und wissen, was verderbt und was gerecht, gut oder schlecht, süß oder geschmacklos ist... Dasselbe Organ bewirkt, dass wir verrückt oder wahnsinnig werden, von Angst und Schrecken geplagt werden... Wir müssen all dies ertragen, wenn das Gehirn nicht gesund ist... In diesem Sinne bin ich der Meinung, dass dieses Organ die größte Macht des Menschen ist. Hippokrates (4. Jahrhundert v. Chr.)

Zwar wusste Hippokrates noch nicht genau, wie das Gehirn tatsächlich funktioniert, doch er ahnte bereits, dass das menschliche Gehirn eines der komplexesten, geheimnisvollsten und gleichzeitig perfektesten Kreationen des Universums ist. Damals konnten Hippokrates und seine Zeitgenossen sich nicht im Entferntesten vorstellen, was wir inzwischen alles über das Gehirn wissen. Dank der technologischen Fortschritte in Neuroimaging, Medizin, Biologie, Psychologie und den Neurowissenschaften im Allgemeinen haben wir viele der großen Mysterien über die Anatomie und Funktionen des Gehirns entschlüsselt. Trotzdem stehen noch sehr viele Fragen und Zweifel offen.

Teile des Gehirns

Alle Wirbeltiere haben ein Gehirn, doch Größe, Form und Eigenschaften unterscheiden sich bei den verschiedenen Tierarten stark. Wir können oben ein menschliches Enzephalon betrachten, das sich vorwiegend aus folgenden Teilen zusammensetzt:

• Das Gehirn besteht aus kortikalen und subkortikalen Strukturen (die unter der Hirnrinde versteckt sind). Die kortikalen Strukturen oder Hirnrinde werden in verschiedene Bereiche aufgeteilt: Frontallappen (A), Parietallappen (B), Cingulärer Cortex (C), Occipitallappen (D), Temporallappen und Inselrinde (diese beiden sind auf dem Bild nicht zu sehen). Außerdem teilen sich diese Lappen in zwei Hemisphären: die rechte und die linke. Die subkortikalen Strukturen beziehen sich auf jene Bereiche, die sich unter der Hirnrinde befinden. Dazu gehören der Corpus Callosum (1), der beide Hemisphären verbindet, der Thalamus (2), die Basalganglien, die Amygdala, der Hippocampus und die Brustkörperchen (Corpora mamillaria) (6). Das Gehirn ist dafür verantwortlich, die über die Sinnesorgane aufgenommene Information zu integrieren und eine Antwort zu organisieren. Es kontrolliert motorische, emotionale und alle höheren kognitiven Funktionen: logisches Denken, emotionaler Ausdruck, Gedächtnis (Squire, 1992), Lernen...
• Kleinhirn (Zerebellum) (10): Hier handelt es sich um das zweitgrößte Organ des Enzephalons. Es ist insbesondere für die Kontrolle der Haltung und Bewegung grundlegend, führt jedoch auch verschiedene andere kognitive Funktionen aus.
• Hypothalamus (4), Hypophyse (5) und Zirbeldrüse (11): Der Hypothalamus kommuniziert mit der Hypophyse und der Zirbeldrüse durch die Freisetzung von Hormonen, um viszerale Funktionen zu regulieren, wie zum Beispiel die Körpertemperatur und grundlegende Verhaltensweisen wie Ernährung, sexuelle Antwort, Suche nach Vergnügen, aggressives Verhalten... Die Zirbeldrüse spielt eine wichtige Rolle in der Synchronisierung der Freisetzung des Hormons Melatonin, das für den Wach-Schlaf-Rhythmus wichtig ist. Deshalb koordiniert sie sich mit der Sehnervenkreuzung (Chiasma opticum) (3).
• Hirnstamm: Er beginnt am oberen Ende des Rückenmarks (9) und setzt sich aus Medulla oblongata (8), Pons (7) und dem Mittelhirn zusammen. Der Hirnstamm kontrolliert automatische Funktionen, wie Blutdruck, Herzschlag, limbische Bewegungen, und viszerale Funktionen, wie Verdauung oder Harnausscheidung.

Charakteristika des menschlichen Gehirns

Wie viel wiegt das menschliche Gehirn? Wie groß ist es? Wie viele Neuronen befinden sich im Gehirn?

• Im menschlichen Gehirn zählt die Hirnrinde (Cortex) zu den komplexesten und höchstentwickelten Organen. Sie ist nicht nur größer als bei anderen Arten, sondern weist auch mehr Windungen und Furchen auf (Gyrifikationsindex), die ihr das charakteristische Aussehen erteilen.
• Das menschliche Encephalon wiegt zwischen 1,4 und 1,5 Kilo und hat ein Volumen von ungefähr 1130 cm³ bei Frauen und 1260 cm³ bei Männern.
• Das Gehirn (und das Rückenmark) wird von der Hirnhauden Hirnhäuten (Meningen) überzogen, die es vor Schlägen schützen.
• Auch die Cerebrospinalflüssigkeit, in der das Gehirn "schwimmt", bietet zusätzlichen Schutz.
• Man schätzt, dass das menschliche Gehirn aus über 100 Milliarden Nervenzellen besteht, die meisten davon sind Gliazellen und Neuronen.

NEURONEN: Neuronen sind Zellen, die darauf spezialisiert sind, Information auf interzellulärer und intrazellulärer Ebene aufzunehmen, zu verarbeiten und weiterzugeben. Dies erfolgt durch elektrochemische Signale (Nervenimpulse), die Aktionspotential genannt werden. Die Struktur der Neuronen weist dieselben Zytoplasma-Elemente und dieselbe genetische Information auf, wie die restlichen Zellen im Organismus. Trotzdem zeichnen sich Nervenzellen durch ganz spezielle Eigenschaften aus. Neuronen bestehen aus drei Teilen:

• Zellkörper oder Soma (6): Dies ist der Hauptteil der Zelle, der den Zellkern (mit DNA), das endoplasmatische Retikulum sowie die Ribosomen (produzieren Proteine) und Mitochondrien (generieren Energie) beherbergt. Im Soma finden die meisten metabolischen Funktionen der Zelle statt. Es ist deshalb grundlegend für das Überleben einer Nervenzelle.
• Axone (3): Hier handelt es sich um einen Fortsatz des Zellkörpers. Dieser kann mit einem Kabel verglichen werden, an dessen Ende sich Axonterminale befinden, die auch als Endknöpfchen oder Boutons (2) bezeichnet werden. Hier findet die Synapse statt (5), das heißt die Informationsübertragung von einer Nervenzelle (präsynaptisches Element) auf eine andere (postsynaptisches Element). Die Länge der Axone kann sehr unterschiedlich ausfallen: Es gibt sehr kurze (weniger als 1 mm lang) und auch sehr lange (über 1 m lang, normalerweise periphere Nerven, wie motorische Neuronen). Manche Axone (insbesondere der motorischen und sensorischen Neuronen) werden von einer Myelinschicht (4) umgeben, welche die Geschwindigkeit verbessert und die Übertragung von Information vereinfacht. Stark myelinisierte Axone können die Nervenimpulse deutlich schneller weiterleiten. Periphere Axone (sensorische und motorische) sind stärker myelinisiert, da hier die Information einen längeren Weg zurücklegen muss.
• Dendriten (1): Als Dendriten bezeichnet man die Zellfortsätze, die aus dem Zellkörper hervorgehen und sich baumartig verzweigen. Dendriten bilden das Hauptelement für die Aufnahme von Information (postsynaptisches Element). Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen zwei Neuronen.

• Die graue Materie des Gehirns besteht zum Großteil aus Zellkörpern und Dendriten.
  • Die weiße Materie wird überwiegend aus Axonen gebildet. Ihre Farbe ist deshalb weißlich, da die meisten Axone von einer Myelinschicht überzogen sind.

GLIAZELLEN: Die meisten Zellen im ZNS sind Gliazellen. Sie haben die Fähigkeit, sich im erwachsenen Gehirn zu teilen (Neurogenese) und sie sind für das korrekte Funktionieren des Gehirns notwendig. Die Gliazellen bilden das wichtigste Stützgerüst für die Nervenzellen: Sie umhüllen die Axone mit Myelin, um die synaptische Übertragung zu verbessern. Außerdem sind sie an der Nährstoffversorgung der Zellen beteiligt, für die Regeneration und Reparation der Nervenzellen wichtig und spielen unter anderem auch bei Immunisierungsmechanismen und der Erhaltung der Blut-Hirn-Schranke eine Rolle. Wie bereits erwähnt, gibt es verschiedene Arten von Gliazellen im ZNS, darunter beispielsweise Astrozyten, Oligodendrozyten oder Mikroglia. Im peripheren Nervensystem sind beispielsweise Schwann-Zellen, Satellitenzellen und Makrophagen vorzufinden.

Wie funktioniert das Gehirn?

Das Gehirn funktioniert durch den Informationsaustausch zwischen den Neuronen (oder anderen Rezeptor- oder Effektorzellen) durch elektrochemische Impulse. Die Informationsübertragung geschieht durch die Synapse. Bei diesem Vorgang verbinden sich Neuronen mit Zellen, wobei durch chemische Ladungen, elektrische Impulse und Neurotransmitter die Aktion einer anderen Zelle stimuliert oder blockiert werden kann. Durch die präsynaptische Endigung (Axonterminale) kommuniziert eine Nervenzelle mit den Dendriten, dem Zellkörper oder auch mit einem anderen Axon einer zweiten Nervenzelle.

Die Informationsübertragung der Neuronen spielt sich innerhalb von Millisekunden ab. Hunderte von Verbindungen, die es uns erlauben, wahrzunehmen, zu verstehen und entsprechend zu reagieren, werden gleichzeitig hergestellt und koordiniert. Wir erhalten Tausende von Inputs (Informationseingang) und generieren auch unzählige Outputs (Informationsausgang) in Sekundenschnelle. Trotz der großen Geschwindigkeit führen Neuronen diese Prozesse mit großer Genauigkeit aus.

Entwicklung des menschlichen Gehirns

Wie entwickelt sich das Gehirn? Um genau zu verstehen, was das Gehirn ist, müssen wir wissen, wie es sich entwickelt. Die Entwicklung des menschlichen Gehirns beginnt im Embryonalstadium und endet in der Jugend. Nur vier Wochen nach der Empfängnis formt sich das Neuralrohr, das grundlegend für die Entwicklung des Gehirns und des Nervensystems im Allgemeinen ist. Denn daraus entwickelt sich das Encephalon und das Rückenmark. Damit beginnt der atemberaubende Prozess der Proliferation, Migration und Zelldifferenzierung, der die Bildung und Entwicklung des Gehirns ermöglicht. Die Neuronen entstehen in der ventrikulären Zone des Neuralrohrs und wandern dann zu ihrem Zielort im Gehirn. Danach kommt es zur Differenzierung und Spezialisierung der Zellen, die verschiedene Funktionen im Gehirn übernehmen.

Man schätzt, dass im vorgeburtlichen Stadium bis zu 250000 Gehirnzellen pro Minute produziert werden können. Bei der Geburt verfügt ein Baby bereits über alle benötigten Nervenzellen, doch diese sind noch nicht richtig miteinander verbunden. In den ersten zwei Lebensjahren beginnen die Neuronen dann entsprechend genetischer Faktoren Verbindungen herzustellen. Doch die Beziehung zur Umgebung ist für das Überleben der bereits hergestellten und auch für neue Verbindungen grundlegend. Der Myelinisierungsprozess (dabei werden Nervenfasern mit einer Isolierschicht aus Fett umgeben, damit Information schneller übertragen werden kann) ermöglicht, dass diese Entwicklung schneller ausgeführt werden kann und ist dafür verantwortlich, dass das Encephalon größer wird. Die Gehirnentwicklung hängt vom Alter ab:

Im Alter von 0-12 Monaten: Verallgemeinernd kann man sagen, dass bei Neugeborenen nur das Rückenmark und der Hirnstamm gut entwickelt sind, deshalb reagieren sie nur auf Reflexe und führen nur grundlegende überlebenswichtige Funktionen aus, wie Schlafen, Essen oder Weinen. Durch die Beziehung zur Umwelt werden jedoch neue neuronale Verbindungen geschaffen und so lernen Babys schnell Neues, beispielsweise, die Bewegung der Augen, komplexere Bewegungen, die Wiederholung von Lauten, das Verstehen von Sprache...

Im Alter von 3 Jahren: Das Gehirn hat bereits 80% der Größe eines erwachsenen Gehirns erreicht. Das limbische System und die Hirnrinde (Cortex) sind weitgehend entwickelt. Dadurch können sich Kinder in diesem Alter ausdrücken, Emotionen erkennen, spielen und mit dem Sprechen und Zählen beginnen. Bis zu diesem Alter ist die Gehirnplastizität am größten. Auch wenn ein Gehirnbereich Schaden leiden sollte, können die Funktionen von anderen Arealen übernommen werden (da die Spezialisierung noch nicht vollständig abgeschlossen ist).

Erst nach der Jugend ist die Entwicklung des Gehirns abgeschlossen: Der präfrontale Cortex im Frontallappen benötigt am längsten in der Entwicklung. Dieser Gehirnbereich steht in enger Verbindung mit Verhalten, logischem Denken, Problemlösung usw.

Auch nach Abschluss der Gehirnentwicklung in der Jugend laufen in bestimmten Bereichen neurogenetische Prozesse (Bildung neuer Nervenzellen) weiter. Die Neuroplastizität ist zwar vorhanden, doch sie lässt nach und ist geringer als in der Kindheit. Doch es können weiterhin neue Nervenverbindungen durch Training und Stärkung der vorhandenen neuronalen Verbindungen aufgebaut werden. Dies ist die Grundlage der Neuroplastizität.

Ist es möglich, das Gehirn zu trainieren und zu verbessern? Wie CogniFit helfen kann

Dank der Gehirnplastizität und der Fähigkeit, neue neuronale Verbindungen zu schaffen und bereits vorhandene zu stärken, können wir unsere kognitiven Fähigkeiten verbessern.

Referenzen

Corbetta, M. y Shulman, G. L. (2002). Control of goal-directed and stimulus-driven attention in the brain. Nat Rev Neurosci, 3 (3), 201-215.

Miller, E. K. (2000). The prefrontal cortex and cognitive control. Nat Rev Neurosci, 1 (1), 59-65.

Miller, E. K. y Cohen, J. D. (2001). An integrative theory of prefrontal cortex function. Annu Rev Neurosci, 24, 167-202.

Squire, L.R. (1992) Memory and the hippocampus: a synthesis from findings with rats, monkeys and humans. Psychol Rev, 99, pp.195-231.