Gehirn

Das Gehirn

Das Gehirn ist ein höchst aktives Organ mit sehr hohen Energiebedarf. Bei Erwachsenen ist das Gehirn zwar 2% der Körpermasse, aber es benötigt in körperlicher Ruhe ca. 20% der Glukose (Nährstoff) und 25% des Sauerstoffs. - Bei plötzlichem Ausfall der Durchblutung (z.B. Herzstillstand) steht dem Gehirn rund 20% des zirkulierenden Blutes als Energieversorgung zur Verfügung. Damit kann es noch ca. 10 sec normal weiterarbeiten. Danach wird der Mensch bewusstlos (Synkope). Nach ca. 30 sec ist kein EEG ableitbar. Nach etwa 3 min ist das Absterben erster Gehirnzellen beobachtbar. Nach ca. 10 min ohne Sauerstoff ist das Gehirn irreparabel schwerst geschädigt mit der Gefahr auf Hirntod. Jede weitere Minute ohne Sauerstoff erhöht die Wahrscheinlichkeit des Hirntods.

Mit dem Tod von Großhirn, Kleinhirn und Hirnstamm sind Wahrnehmung und Bewusstsein sowie lebenswichtige Reflexe erloschen. Dies kennzeichnet den Tod des Hirntoten und damit des Menschen.

Aufbau des Gehirns

Großhirn

Das Großhirn (Telencephalon) ist mit etwa 85% der gesamten Gehirnmasse der größte Teil des menschlichen Gehirns. Mit seinen rund 100 Mrd. Gehirnzellen bildet es etwa 100 Billionen Synapsen zu anderen Nervenzellen, d.h. eine Gehirnzelle (Neuron) ist mit mit 1.000 anderen Neuronen verbunden.
Das Großhirn ist das Zentrum unseres [Bewusstsein|Bewusstseins] und unserer [Wahrnehmung|Wahrnehmungen] (Sinne, auch Schmerzempfinden). Es fühlt und handelt bewusst. In den verschiedenen Bezirken (Rindenfeldern) des Großhirns gibt es Arbeitsteilung:

• Sensorische Felder
  Sie verarbeiten die von den Sinnesorgane kommenden Informationen.
• Motorische Felder
  Sie aktivieren Muskeln und regeln die willkürlichen Bewegungen.
• Gedanken- und Antriebsfelder
  Sie sind die Zentren unseres Denkens, Erinnerns und Planens.

Die 2-5 mm dicke Großhirnrinde (Neocortex) besteht aus rund 19 Mrd. Nervenzellen bei der Frau, rund 23 Mrd. Nervenzellen beim Mann. In ihr läuft unser Lernen und Denken ab, sowie das Bewusstsein und das Gedächtnis. Seine elektro-chemische Aktivität kann mit einem EEG nachgewiesen werden.

Assozitionsareale

Es wird zwischen unimodalen und multimodalen Assoziationsarealen unterschieden:

• Unimodale Assoziationsareale
  An die primären Rindenfelder angrenzend liegen die unimodalen Assoziationstren der Hirnrinde (Kortex). Generell erfolgen dort erste Interpretationen der in den primären Rindenfeldern wahrgenommenen Sinnesreize statt. Die aktuellen Informationen werden mit gespeicherten verglichen und daran ihre Bedeutung erkannt. "Innerhalb dieser Areale werden die basalen Sehinformationen in eine umfassende Analyse der visuellen Welt integriert. Der somatosensible Asssoziationskortex liegt direkt hinter dem primären somatosensiblen Kortex ... und der auditorische Assoziationskortex im Bereich des Gyrus temporalis superior ... Die genannten Kortexareale erhalten keine direkten (aber indirekte über das Pulvinar) Eingänge vom Thalamus, sondern sind über über Assoziationsfasern mit den primären Rindenfeldern verbunden.
• Multimodale Assoziationsareale
  "Die multimodalen Assozitionsareale lassen sich keinem bestimmten Primärfeld zuordnen. Sie stehen durch afferente und efferente Verbindungen mit zahlreichen Hirnarealen in Verbindung und verarbeiten Informationen verschiedener sensibler und sensorischer Modalitäten. In diesen Arealen werden sprachliche oder motorische Konzepte entworfen oder Vorstellungen gebildet, die unabhängig von einem direkten sensiblen/sensorischen Input sind. Den größten Raum (20% des Neocortex) nimmt hier der multimoale Teil des Frontlappens ein.

Kleinhirn

Das Kleinhirn (Cerebellum) ist mit etwa 12% der gesamten Gehirnmasse nach dem Großhirn der zweitgrößte Teil des Gehirns. Wie das Großhirn weist es etwa 100 Mrd. Nervenzellen auf. Es ist vielfach mehr gefaltet als das Großhirn und kommt damit trotz dem 1/8 an Größe des Großhirns auf die gleiche Oberfläche wie das Großhirn. Es mehren sich die Hinweise, dass das Kleinhirn mit entscheidend für geistige Vorgänge besitzt.
Die bekannten Aufgaben des Kleinhirns bestehen darin, den Körper im Gleichgewicht zu halten und die Bewegungen zu koordinieren. Hierbei wird zwischen den bewussten und den automatischen Bewegungsabläufen unterschieden:

• bewusste Bewegungsabläufe
  Bei bewussten Bewegungsabläufen koordiniert das Kleinhirn die Informationen der Sinnesorgane mit der Muskeln. Ohne diese Tätigkeit würde unser Arm beim Ergreifen von Gegenständen ruckartige Bewegungen ausführen und meist das Ziel verfehlen. So aber erfolgt ein beständiger Soll-Ist-Vergleich, d.h. ist die Hand wirklich dort, wo sie sein soll.
• automatische Bewegungsabläufe
  Das Kleinhirn speichert auch automatische Bewegungsabläufe. Das erlernte Gehen und das Schreiben mit der Tastatur sind solche automatische Tätigkeiten.

Hirnstamm

Der Hirnstamm (Truncus cerebri) ist der entwicklungsgeschichtlich älteste Teil des Gehirns. Er regelt die essenziellen Lebensfunktionen. Fällt der Hirnstamm völlig aus, so tritt der Herztod binnen weniger Minuten ein. Der Hirnstamm wird eingeteilt in:

• Mittelhirn
  Zum Mittelhirn gehören Großhirnschenkel (Crura cerebri), Mittelhirnhaube (Tegmentum mesencephali) und Mittelhirndach (Tectum mesencephali).
  Das Mittelhirn steuert die meisten Augenmuskeln: die Bewegung der Augen, die Irismuskulatur („Blende“) und die Zillarmuskeln („Fokusierung“).
  Das Mittelhirn ist auch wichtiger Bestandteil der Zentrale für die Bewegung (Extrapyramidalmotorische System (EPS)).
• Pons
  Der Pons ist Durchgang für alle Bahnen, die davor- und dahintergelegene Bereiche des Zentralnervensystems miteinander verbinden, sowohl zwischen Hirnbereichen wie auch mit dem Rückenmark.
• verlängertes Mark
  Das verlängerte Mark ist die Schnittstelle zum Rückenmark und wird daher auch als "Nachhirn" bezeichnet. Es reguliert den Blutdruck, die Herzfrequenz, die Atmung und verschiedene Reflexe (Nies-, Saug-, Husten-, Schluck- und Lidschlussreflex) sowie des Erbrechens. Es reguliert auch den Säure-Basen-Haushalt des Körpers.
  Über 12 Paar Hirnnerven steht es in Verbindung mit Sinnesorganen, Muskulatur und Drüsen im Kopf. Dabei leitet es die Informationen überkreuz weiter, so dass die linke Körperhälfte von der rechen Gehirnhälfte gesteuert wird und umgekehrt.
  

Ein Ausfall des verlängerten Marks führt meistens zum Tod, z. B. durch eine Verletzung der Halswirbelsäule (Genickbruch).

Zwischenhirn

Das Zwischenhirn (Diencephalon) umschließt den 3. Hirnventrikel. Es erfüllt zahlreiche lebenswichtige Lebensvorgänge. Als vegetatives Zentrum steuert es alle wichtigen Stoffwechselvorgänge wie Wärme- und Wasserhaushalt, Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinstoffwechsel, zentralnervöse Regulierung des Vasomotorenapparates (Änderung des Blutdrucks, Kollaps) der blutbildenden Organe und der Schweißsekretion, außerdem mehrere, dem extrapyramidalmotorischen System zugehörige Kerne. Das Zwischenhirn-Hypophysen-System beeinflusst alle wichtigen Stoffwechselfunktionen sowie die Gonaden. Das Zwischenhirn kann nach seinen Funktionen eingeteilt werden in:

• Epithalamus
• Thalamus
• Subthalamus
• Metathalamus
• Hypothalamus

Aufgaben des Gehirns

Wenn auch die Aufgaben des Gehirns getrennt betrachtet werden, so spielen sie doch meist sehr eng zusammen. Das soll beim unvorsichtigen Griff auf eine heiße Herdplatte verdeutlicht werden:

• Wir empfinden bewusst den Schmerz, den die heiße Herdplatte auslöst.
• Wir pusten, damit die Hand schnell gekühlt wird.
• Wir denken: "Von Herdplatten kann eine Gefahr ausgehen."
• Wir verbinden mit heißen Herdplatten die Emotion des Schmerzes.
• Wir lernen mit (heißen) Herdplatten vorsichtig umzugehen.

Wahrnehmung

Wahrnehmung ist die Summe aller Sinneswahrnehmung. Mit unseren Sinnen nehmen wir die Umwelt war, in der wir leben.

Bewegung

Durch Bewegung agieren wir in der Welt, in der wir leben.

Denken

Denken ist die Summe aller kognitiven Tätigkeiten.

Emotionen

Zu den Emotionen gehören Freude und Schmerz, Angst und Hoffnung.

Lernen

Lernen ist die Fähigkeit, Wissen und Erfahrungen abzuspeichern und bei Bedarf wieder abzuspeichern.

Sonstiges

Evolutionäre Entwicklung

Die evolutionäre Entwicklung des Gehirns beginnt mit der Bildung der ersten Nervennetzen.

Nesseltiere gehören zu den ältesten Tiergruppen (ca. 550 Mio. Jahre). Sie besitzen ein sehr einfaches Nervennetz.

Fadenwürmer haben ein sehr einfaches Nervensystem. Plattwürmer besitzen ein strickleiterförmiges Nervensystem (Strickleiternervensystem).

Später folgte die Caphalisation (Kopfbildung) und damit die Zerebralgangion. Hierbei haben sich zweierlei Formen entwickelt, das Cerebralganglion und das Oberschlundganglion.

Die Gliederfüßer besitzen mit ihrem Strickleiternervensystem ein einfaches Nervensystem, die Wirbeltiere ein hochentwickteltes Gehirn.

Bei Insekten zieht sich der Verdauungstrakt direkt durch das vordere Nervensystem (zwischen Tritocerebrum und subösophagealem Ganglion), sodass die Bauchganglien ventral (bauchseitig) des Darmrohrs liegen Bauchmark, während bei Wirbeltieren das Rückenmark dorsal (rückenseitig) des Darms liegt Rückenmark.

Kopffüßer und Wirbeltiere haben ein besonders stark zentralisiertes Nervensystem.

Blutversorgung des Gehirns

Unser Gehirn benötigt für seine Durchblutung ca. 15% des Herzzeitvolumens. Das sind anders ausgedrückt 1,2 Liter Blut pro Minute oder 60-80 ml pro Minute pro 100 g Hirngewebe. Kommt es zu einem Engpass der Durchblutung, so treten ab 20 ml/100 g/min neurologische Funktionsstörungen auf. Daher ist mit 20 ml/100 g/min die Ischämieschwelle definiert.

Die Hirnartierien
Die Blutversorgung des Gehirns erfolgt über 4 große Gefäße, die jeweils paarig angelegt sind: Arteriae carotides internae und die Arteriae vertebrales:

• Arteriae carotides internae
  Die Arteriae carotides internae versorgen über ihre Hauptäste Arteria choroidea anterior, Arteria cerebri anterior und Arteria cerebri media vorwiegend die vorderen und mittleren Anteile des Gehirns (Karotisstromgebiet).
• Arteria vertebrales
  Die Arteria vertebrales vereinigen sich am Rand der Pons zur Arteria basilaris und versorgen vorwiegend die hinteren Anteile des Gehirns (Hirnstamm, Kleinhirn und hintere Anteile des Großhirns)(vertebrobasiläres Stromgebiet).

Die Hirnvenen
Im Gegensatz zur Peripherie des Körpers verlaufen die venösen Blutleiter des Gehirns getrennt von den Arterien. Die Verläufe von Arterien und Venen sind im Kopf verschieden. Aus dem Hirnparenchym wird das venöse Blut über kurze kortikale Venen durch den Subarachnoidalraum und den Subduralraum geleitet. Die Anatomie der kortikalen Venen ist relativ variabel.

Hirninfarkt
Bei einem Hirninfarkt verstopft ein Thrombus eine das Gehirn versorgende

Der Zelltod

http://www.diss.fu-berlin.de/diss/servlets/MCRFileNodeServlet/FUDISS_derivate_000000002462/1_1-Nogai_Einleitung.pdf?hosts=

• http://www.zytologie-online.net/zellphysiologie.php#nakpumpe
• http://edoc.hu-berlin.de/dissertationen/schubert-stephan-nicolas-2003-09-26/HTML/chapter1.html

Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie (KSTH)
"Das Gehirn verfügt über einen hohen Metabolismus im Verhältnis zum restlichen Körper, ist sehr anfällig gegenüber Hypoxie und Ischämie und besitzt nur geringe Speichermöglichkeiten für Sauerstoff, energiereiche Phosphate und Kohlenhydrate. Ischämische Hirnschädigung wird durch eine Kombination einer Vielzahl von pathophysiologischer Faktoren verursacht. Auf der einen Seite spielt eine signifikante Alteration der zerebralen Perfusion eine Rolle, auf der anderen Seite werden viele biochemische und immunologische Kaskaden aktiviert, die eine sekundäre Zellschädigung begünstigen."

"Zum Zelluntergang führt eine hypoxische oder ischämische Schädigung mit Störung der Sauerstoffverfügbarkeit auf zellulärem Level, der oxidativen Energiegewinnung und der Glykolyse. Zusätzlich führen auch endotheliale Vorgänge, wie Komplementaktivierung und Bildung von Sauerstoffradikalen zum Zelluntergang."

https://de.wikipedia.org/wiki/Depolarisation_(Physiologie)

"Das Gehirn beansprucht 16-17% des Herzminutenvolumens und 20% des Sauerstoffbedarfes des Körpers. Die Perfusion des Erwachsenen beträgt 50ml/100g/min. Kommt es aufgrund einer Perfusionsminderung zu einer Sauerstoffminderversorgung des Gehirns kann dies zu reversiblen oder irreversiblen Schädigungen führen. Eine temporäre Verminderung des Blutflusses auf 20ml/100g/min zieht noch keine Veränderungen nach sich. Sinkt die Durchblutung dagegen auf 15ml/100g/min kommt es zum Erliegen elektrophysiologischer Vorgänge und bei einer Perfusion von weniger als 6-8ml/100g/min folgt der irreversible Funktionsverlust."

"Bei einer globalen Sauerstoff-Minderversorgung, ist nach 6-8 Sekunden jeglicher Sauerstoff verbraucht, es kommt nach 10-12 Sekunden zur Bewusstlosigkeit und nach 4-5 Minuten bereits zu nekrotischen Veränderungen. Wird eine globale Ischämie überlebt, kommt es zur Entwicklung einer verzögerten, selektiv neuronalen Vulnerabilität."

"Auf zellulärer Ebene kommt es als Folge der Ischämie zum kompletten Verbrauch von Sauerstoff und Glukose. Durch den daraus resultierenden Mangel an Energie in Form von ATP bricht das Ruhemembranpotential der Zellen zusammen. Daraus resultiert eine anhaltende Depolarisation der Zellen, die zur Öffnung präsynaptischer und somatodendritischer spannungsabhängiger Kalziumkanäle führt. Eine vermehrte Freisetzung von Glutamat in den Extrazellulärraum exzitotoxisch und aktiviert die Genexpression für Inflammationsgene."

"Glutamat selbst bindet an verschiedene Rezeptoren und bewirkt in der Folge eine erhöhte Freisetzung von Kalzium in den Intrazellulärraum (IZR). So wird über den ionotropen Glutamatrezeptor N-Methyl-D-Aspartat (NMDA) eine vermehrte Permeabilität für Kalzium, Natrium und Kalium bewirkt. Ihre Permeabilität in den Neuronen für Kalzium liegt um das fünfzigfache höher als die der AMPA-Rezeptoren (α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazol-propionsäure). Die physiologische Blockade dieses Rezeptors wird durch Magnesium sichergestellt. Über die AMPA-Rezeptoren erfolgt ein vermehrter Einstrom von Natrium. Durch die damit verbundene Depolarisation wird die Magnesiumblockade des NMDA-Rezeptors aufgehoben und es kommt zum indirekten Erhöhung des Kalzium-Einstroms. Durch Verbindung mit dem metabotropen Rezeptor wird Phospholipase C aktiviert und das entstehende Inositoltriphosphat (IP3) setzt Kalzium aus dem Extrazellulärraum frei. Zusammenfassend bewirkt das vermehrte intrazelluläre Kalzium den passiven Einstrom von Natrium und Chlorid, was die Ausbildung eines Ödems nach sich zieht."

"Durch den Anstieg des Kalziums über die Glutamat-Rezeptor-Bindung kommt es zur Aktivierung proteolytischer Enzyme, zur Aktivierung von Phospholipase A2 und Cyclooxygenase mit Entstehung freier Radikale, die zu Mitochondrienschäden führen können. Die geschädigten Mitochondrien setzen Cytochrom C frei und induzieren damit die Apoptose.
Dabei spielen sog. Caspasen eine Schlüsselrolle, die die DNA in Bruchstücke spalten. Neurone scheinen für den durch Caspasen induzierten apoptotischen Zelltod besonders anfällig zu sein. Vor allem trifft dies für die Nervenzellen der Penumbra zu. Eine Blockade der Caspasen könnte das Erliegen des Energiestoffwechsels in den Neuronen der Penumbra verhindern und somit das Volumen untergehender Neurone reduzieren."

"Am Ende der Kaskade steht die Apotptose. Diese ist ein dem physiologischen Zelltod verwandter aktiver Mechanismus, der von der Nekrose abgegrenzt werden kann. Letztere ist überwiegend bei akutem und vollständigem Verschluss der zerebralen Gefäße zu beobachten. Allerdings kann ein und derselbe Reiz aufgrund seiner Stärke sowohl nekrotische als auch apoptotische Vorgänge in Gang setzen."

"Der Gewebeuntergang nach zerebraler Ischämie kommt also durch das Zusammenspiel mehrerer Pathomechanismen zustande. Hierzu zählen die Exzitotoxizität, die Peri-Infarkt-Depolarisation, die Inflammation und die Apoptose. Alle vier Mechanismen können Ansatzpunkte für die Therapie des Schlaganfalles darstellen. Die Reperfusion ist jedoch stets das primäre Therapieziel, da zu Beginn der Ischämie immer eine Perfusionsstörung steht."

"Durch die Beeinträchtigung des Energiestoffwechsels führen komplexe Schadenskaskaden zum Gewebsuntergang. Die durch Glutamat vermittelte Exzitotoxizität, Peri-Infarkt Depolarisation, Inflammation und Apoptose stellen pathogenetisch die Hauptschadensmechanismen dar."

Die Gehirnzellen

Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark können sich nicht teilen. Daher haben alle Hirnschädigungen (Hirninfarkt, längerer Stillstand des Blutkreislaufes, ..., Parkinson oder Alzheimer) bleibende Schäden. Es ist nur möglich, wenn genügend Nachbarzellen vorhanden sind, dass diese die ausgefallenen Funktionen übernehmen. Der Patient hat hierbei die verlorengegangenen Funktionen (Gehen, Greifen, Sprechen, ...) wieder zu erlernen.