Gehirn

Das menschliche Gehirn ist das bei Weitem komplizierteste Gebilde im bekannten Universum. (Allen Frances)

Energiebedarf des Gehirns

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.

Eigenschaften des Gehirns

Das Gehirn empfängt massenweise Informationen, doch nur ein kleiner Teil davon wird tatsächlich so weit verarbeitet, dass er in unser Bewusstsein gelangt. Erlebtes, über das wir nicht berichten können, ist unbewusst. Dennoch lenkt die unbewusste Verarbeitung im Gehirn Handlungen und löst sie manchmal auch aus.

Das Gehirn umfasst rund 100 Mrd. Zellen. Etwa 10% davon sind spezialisierte, elektrisch aktive Nervenzellen (Neuronen), die untereinander mit Signalen kommunizieren. Das unterscheidet das Gehirn von allen anderen Organen. Die Signale sind zwar elektrisch, aber die Signalübertragung zwischen den Zellen erfolgt chemisch mithilfe sogenannter Neurotransmitter.

Das Gehirn besteht aus Modulen. Verschiedene Teile erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Die Module stehen untereinander in enger Verbindung und arbeiten stets im Wechselspiel miteinander und dem übrigen Körper. Funktionen unterer Ebenen (wie Sinnesempfingungen) sind meist strikt lokalisiert, während bei übergeordneten Funktionen (wie Gedächtnis und Sprache) die Hirnareale zusammenarbeiten.

Der Grundbauplan des Gehirns ist genetisch festgelegt. Wie beim ganzen Körper liegt allen Gehirnen dieselbe Anatomie zugrunde, und doch ist jedes einzigartig. "Selbst eineiige Zwillinge haben von Geburt an sichtbar unterschiedliche Gehirne, denn das Gehirn ist sehr sensibel für seine Umwelt. Die Unterschiede bewirken, dass jeder Mensch eine einzigartige Persönlichkeit hat."

Hirngewebe lässt sich wie ein Muskel trainieren, je nachdem, wie vie man es benutzt. Lernt jemand eine Fertigkeit wie Klavierspielen oder Mathematik und übt sie aus, vergrößert sich der damit befasste Teil des Gehirns. Zudem arbeitet er effizienter, sodass die Ausübung ver Fertigkeit immer besser gelingt.

Das Gehirn ist sehr kompakt. Würde man alle Windungen glatt streichen, entstünde eine Oberfläche von rund 2.300 cm². Zwischen den rund 100 Mrd. Neuronen des Gehirns gibt es mehr potentielle Verbindungen, als es Atome im Universum gibt. Beim Fötus bilden sich 250.000 Neuronen pro Minute. Ein Mensch wird praktisch mit allen Neuronen geboren, doch die neuronale Netzwerke sind noch unreif. Der präfontrale Cortex ist erst mit Ende 20 ausgereift. Je nach Art des Neurons beträgt die Leitungsgeschwindigkeit 1 bis 100 Meter pro Sekunde. Wir nutzen das Gehirn in seiner Gesamtheit. An komplexen Funktionen wie Erinnerung sind viele Areale beteiligt. Man verliert im Alter keine Gehirnzellen, doch lassen manche Funktionen nach. Durch Übung lassen sich bestehende Vernetzungen bewahren und sogar neue bilden. Das Hirngewebe hat keine Schmerzrezeptoren. Es registriert somit Schmerzreize aus dem gesamten Körper, aber nicht aus sich selbst.

Aufbau des Gehirns

Anatomie des Gehirns

Das Gehirn lässt sich morphologisch, entwicklungsgeschichtlich und funktionell in folgende Abschnitte gliedern:

• Medulla oblongata (verlängertes Mark)
• Pons(Brücke)
• Mesencephalon (Mittelhirn)
• Diencephalon (Zwischenhirn)
• Cerebellum (Kleinhirn)
• Telencephalon (Großhirn)

Diese Gehirnregionen werden zusammengefasst:

• Hirnstamm = Medulla oblongata + Pons + Mesencephalon
• Rautenhirn (Rhombencephalon) = Medulla oblongata + Pons + Cerebellum
• Hinterhirn (Metencephalon) = Pons + Cerebellum

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 Bewusstseins und unserer 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.

Siehe: Kleinhirn

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 Herzstillstand 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 (EPMS)).
• Pons
  Der Pons ist Durchgang für alle Bahnen, die davor- und dahintergelegene Bereiche des ZNS 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.

Die Informmationen aus der Umwelt gelangen über die verschiedenen Sinnesorgane ins Gehirn. Dort werden sie in spezifische, sogenannte primäre sensorische Felder (Areale) geleitet. Unter diesen Informationen sind auch Inputs aus unserem Körper. Fehlen äußere Reize, sind die Areale dennoch aktiv: man nimmt an, dass sie dann jene Erlebnisse produzieren, die wir als Träume, Halluzinationen und Imagination kennen. - Meist empfangen wir über viele sensorische Felder gleichzeitig Informationen, wie etwas visuelle und auditive Signale bei einem Feuerwerk. Die Signale werden oft an Assoziationsfelder weitergeleitet, die alle Informationen bündeln. Gelangen diese Informationen ins Bewusstsein, entsteht eine multisensorische Wahrnehmung.

Bewegung

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

Bestimmte Hirnareale sind darauf spezialisiert, Bewegungen auszulösen. Module des Hirnstamms steuern automatisch innere Vorgänge wie die Atembewegungen von Lunge und Brustkorb, Herzschlag und die Verengung oder Erweiterung der Blutgefäße zur Regelung des Blutdrucks. Bei bewussten Handlungen sendet der primäre motorische Cortex über Kleinhirn und Basalganglien Signale an die Skelettmuskulatur, um Bewegung zu erzeugen.

Denken

Denken ist die Summe aller kognitiven Tätigkeiten.

Das Gehirn nutzt Sinneseindrücke, Wahrnehmungen und Emotionen, um Handlungen zu planen. Manchmal kommt es dabei zu interner Gehirnaktivität, zu Gedanken. Die innere Verbalisierung entsteht in den motorischen Arealen, ohne äußerlich sichtbar zu sein. Bestimmte Aktivitäten im Hippocampus erleben wir als Sich-Erinnern.

Sprache

Sprache bedeutet, selbst zu sprechen (Sprachproduktion) als auch zu analysieren, was andere sagen, um dessen Bedeutung zu erfassen. Dem zugrunde liegt die Fähigkeit des Gehirns, Objekte mit abstrakten Symbolen (Wörtern, Zeichen, Gedanken) zu verbinden und diese anderen Menschen mit Worten zu vermitteln. Neben der Kommunikation mit anderen Menschen ermöglicht dies, über die eigenen Gedanken und Ideen refletiv nachzudenken.

Emotionen

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

Bestimmte Reize, aber auch Gedanken und Vorstellungen, aktivieren das limbische System, besonders die Amygdala, und rufen körperliche Veränderungen hervor. Bewusste Gefühle entstehen, wenn das libische System Signale an Assoziationsfelder im präfrontalen Cortex sendet, die zum Bewusstsein beitragen. Bei Heranwachsenden werden Emotionen vor allem von der Amygdala verarbeitet.

Lernen

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

Einiges von dem, was wir erleben, verändert Neuronen nachhaltig, sodass die vom ursprünglich Erlebten bewirkte neuronale Aktivität später wieder abrufbar sind. So entstehen Erinnerungen, das Gedächtnis, dank dessen wir uns in unserem Verhalten von früheren Erfahrungen leiten lassen können.

Zusammengefasst

Die einzelnen Teile des Gehirns besitzen alle ihre speziellen Aufgaben. In der Gesamtheit jedoch bringen sie die Leistung hervor, die wir an unserem Gehirn bewundern:

• Großhirn
  Das Großhirn besteht aus einer linken und einer rechten Gehirnhälfte, die mit dem sogenannten Balken miteinander verbunden sind. Über den Balken tauschen sich die beiden Gehirnhälften Informationen aus. Die rechte Hirnhälfte ist vor allem für die linke Körperhälfte zuständig und hat eher eher den Überblick über das Ganze, die linke Hirnhälfte ist für die rechte Körperhälfte zuständig und ist stärker auf Deteails spezialisiert. Trotzdem werden Aufgaben von beiden Gehirnhälften gemeinsam und gleichzeitig erledigt.
  Die Großhirnrinde (Cortex) nimmt mehr als 50% der Gehirnmasse ein und ist Sitz von Bewusstsein, Verstand, Handlungsplanung, Vorstellung, Gefühlen, Sprache und logischem Denken.
• Kleinhirn
  Im Kleinhirn lernen wir alle unsere motorischen Abläufe, gehen, balancieren, tanzen, auf der Tastatur blind tippen, ... Es übernimmt alle Routinen, damit das Großhirn für das Denken frei ist.
• Hirnstamm
  Der Hirnstamm ist evolutionsgeschichtlich unser ältester Teil des Gehirns. Zu ihm zählen Mittelhirn, Brücke und verlängertes Mark. Durch den Hirnstamm kommen und gehen alle vom und zum Rückenmark verlaufenden Informationen.
  Der Hirnstamm ist zuständig für die Atmung und nimmt Einfluss auf das Herz. Er schüttet verschiedene Botenstoffe aus, darunter Noradrenalin, Serotonin und Dopamin, die uns sehr in unserem Fühlen und Denken beeinflussen.
• Zwischenhirn
  Das Zwischenhirn besitzt 5 Areale, von denen diese sehr wichtig sind:
  • Thalamus
    Er wird oft als "Tor zum Bewusstsein" bezeichnet, denn er leitet die für das Bewusstsein wichtigen Informationen oder auch Anfragen an die Großhirnrinde weiter. Bis auf unser Geruchsinn laufen alle Sinneneindrücke über den Thalamus zum Großhirn.
  • Hypothalamus
    Er regelt alle wichtige Grundfunktionen unseres Körpers: Wach-Schlaf-Rhythmus, Hunger- und Durstgefühl, Flüssigkeits-, Wärme- und Hormonhaushalt. Unsere Triebe und Affekte werden von ihm gesteuert.
• Limbisches System
  Es ist für die Entstehung und Verarbeitung von Emotionen zuständig. Funktional gehören auch verschiedene Gebiete des Cortex dazu.
• Arbeitsgedächtnis
  Es befindet sich im präfrontalen Cortex. Es behält wichtige Informationen der Gegenwart, so z.B. den Anfang des Satzes. Es greift auf Informationen zu, die wir zum Erfassen einer Situation, zum Lösen komplexer Aufgaben und für das Lernen neuen Wissens brauchen.

Weitere Funktionen übernehmen diese Hirnteile:

• Amygdala
  Es ist unser Angstzentrum.
• Hippocampus
  Er ist für das Lernen und sich Erinnern wichtig. Er weiß, wo welche Informationen liegen.
• Gyrus cinguli
  Er ist für unsere Konzentration, Aufmerksamkeit und Schmerzverarbeitung zuständig. Er regelt unsere Emotionen und stellt Kontakte zwischen dem Cortex und unbewusst arbeitenden Zentren her.
• Insula
  Die Inselrinde ist für unser Geschmacksempfinden zuständig, mischt aber auch bei Ekel und Schmerzwahrnehmung mit.
• Papez-Kreis
  Er verbindet den Gyrus cinguli mit dem Thalamus und dem Hypothalamus.

Antonio Damasio benennt als die Aufgaben des Gehirns:

1. Die Interozeption (Wahrnehmung des Körpers) mit ihren Überwachungsaufgaben, die Weiterentwicklung eines älteren, primitiveren Systems, in dem Moleküle im Blut wandern können und unmittelbar sowohl aus zentrale als auch aus periphere Nervenstrukturen einwirken. Dieser alte Weg der chemischen Interozeption setzt das Nervensystem darüber in Kenntnis, was im Organismus vorgeht. Auch diese alte Route verläuft in beide Richtungen, von der Peripherie zum Gehirn und umgekehrt.
2. Die Signale für die Wahrnehmung der Eingeweide bei bewussten Lebewesen, wie dem Menschen, werden im Gehirn unbewusst überwacht und ggf. korrigiert. Sie liefert auch bewusste Gefühle und wird damit für uns fassbar. Damit können Reaktionen durch bewusste Entscheidungen herbeigeführt werden. Gleichzeitig profitieren sie von den unbewussten Vorgängen.
3. Die Überwachung und Regelung für eine angemessene Homöostase. Diese war in Vielzellern eine vorteilhafte evolutionäre Entwicklung. Sie ist in doppelter Hinsicht nützlich: als unmittelbare Information über den Ist-Stand des Körpers und in Verbindung damit auch für die Erwartung künftiger Zustände.

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.

"Der Mechnanismus der monogamen Partnerwahl soll sich beim Menschen schon vor etwa 3,5 Millionen Jahren entwickelt haben, und er hat seinen evolutionären Vorteil zum Schutz der Familie im Laufe der Evolution bewiesen. Aber eine enorme Belastung für unser Gehirn bleibt er trotzdem."

"Unser Markenzeichen ist ein phantastisches Gehirn von anderthalb Kilo, das aus ungefähr 100 Milliarden Hirnzellen, unseren Neuronen, besteht. Das sind fünfzehnmal mehr, als es Menschen auf Erden gibt. Mit Hilfe höchst spezialisierter Kontaktstellen, der Synapsen, stellt jede Hirnzelle Kontakt zu etwa 10.000 anderen Hirnzellen her. Unser Gehirn enthält gut 100.000 Kilometer Nervenfasern. Dennoch sind die grundlegenden Eigenschaften einer Nervenzelle, wie das Empfangen, Leiten, Verarbeiten und Verschicken von Impulsen, an sich nicht spezifisch für Nervengewebe."

"Eine primitive Nervenzelle ist bereits vor etwa 650-543 Millionen Jahren entstanden, im Präkambrium. Hohltiere (Coelenterata) hatten schon damals ein diffuses Nervennetzwerk mit echten Neuronen und Synapsen. Von Anfang an verwendeten diese Nervenzellen chemische Botenstoffe, deren schrittweise molekulare Evolution sich bis zu den eng verwandten chemischen Botenstoffen in unserem Gehirn nachverfolgen lassen. Das bei den Forschern beliebeste Hohltier ist der kleine Polyp Hydra, der insgesamt nur 100.000 Zellen besitzt. Bei Hydra gibt es schon eine Verdichtung des Nervennetzwerks im Kopf und im Fuß, was als ein erster evolutionärer Ansatz zur Entstehung des Gehirns und Rückenmmarks gesehen werden kann. Im Nervensystem von Hydra ist ein chemischer Botenstoff zu finden, der sowohl unserem Vasopressin als auch unserem Oxytocin ähnelt."

Charles Darwin schrieb im Jahr 1871 in "Die Abstammung des Menschen": "Niemand, denke ich, zweifelt daran, dass im Verhältnis zu seinem Körper die bedeutende Größe des Gehirns des Menschen verglichen mit den Verhältnissen beim Gorilla oder Orang, in enger Beziehung zu seinen höheren geistigen Kräften steht ... Auf der anderen Seite denkt niemand daran, dass der Intellekt zweier Tiere oder zweier Menschen genauso gemessen werden kann durch den Kubikinhalt ihrer Schädel."

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.

Unser Gehirn macht nur ca. 2% der Körpermasse aus, benötigt jedoch zur Aufrechterhaltung seiner Funktionen bei körperlicher Ruhe ca. 20% des zirkulierenden Blutes. Hieraus errechnet sich ein Bedarf von etwa 55 ml pro 100 g Gehirngewebe pro Minute. Sinkt die Durchblutung auf unter 40 ml pro 100 g pro Minute, kommt es zu schrittweisen Verlusten der Hirnfunktionen, bei unter 15 ml pro 100 g pro Minute ist die kritische Grenze des Strukturstoffwechsels unterschritten. Die Gehirnzellen können nicht mehr ihre Zellmembranstruktur aufrecht erhalten. Es kommt es durch Wassereinstrom in die Gehirnzellen zu einem Hirnödem und schließlich zum Zelltod.

Durch das Gehirn strömen pro Minute etwa 750-1.000 ml Blut. Etwa 350 ml fließen durch jede A. carotis interna und 100-200 ml durch das vertebrobasiläre System. Beim Kleinkind beträgt pro Minute die Durchblutung pro 100 g Gehirn etwa 100 ml, beim Erwachsenen ca. 50 ml und im hohen Alter etwa 40 ml. Die Durchblutung des weißen Substanz ist mit etwa 16 ml/100 g/min konstant, die der grauen Substanz des Kortex ist im Durchschnitt mit 85 ml/100 g/min etwa 4-mal so hoch und variabel. Das Gehirn verbraucht täglich etwa 75 l Sauerstoff (3,3 ml/100 g/min) und etwa 115 g Glucose (5,3 mg/100 g/min).
Eine Verminderung der Gehirndurchblutung auf bis zu 20 ml/100 g/min lässt das Gehirn noch normal arbeiten. Fällt die Gehirndurchblutung auf unter 20 ml/100 g/min, akkumulieren exzitatorische Aminosäuren wie z.B. Glutamat. Sinkt die Gehirndurchblutung unter 15 ml/100 g/min, so tritt im Gehirn eine elektrische Stille ein. Bei Werten von ca. 8 ml/100 g/min tritt ein irreversibler Funktionsverlust ein.

Bei plötzlich fehlender Durchblutung des Gehirns (z.B. durch Herzstillstand) findet sich nach ca. 6-8 sec in der grauen Substanz im Gehirn kein Sauerstoff mehr, nach ca. 10-12 sec tritt Bewusstlosigkeit ein, nach ca. 30-40 sec tritt im Gehirn elektrische Stille ein, nach 3-4 min ist die freie Glucose verbraucht. Nach 3-4 min kann es zu ersten nekrotischen Prozessen in Nervenzellen kommen. Nach mehr als 9 min führt es in der Regel zum irreversiblen Hirnfunktionsausfall (=Hirntod).

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 Arterie.

Blutversorgung des Gehirns bei Hirntod

Bei steigendem Hirndruck wird die Hirndurchblutung zunächst dadurch aufrecht erhalten, indem der systemische arterielle Mitteldruck des Körperkreislaufes durch den Cushing-Reflex ansteigt. Bei weiterem Anstieg des Hirndrucks, wird dieser Mechanismus überfordert. "Erreicht der Hirndruck den arteriellen Mitteldruck des Körperkreislaufes, resultiert ein kompletter Durchblutungsstillstand, d.h. ein Totalinfarkt (Schlaganfall) aller Hirngefäße oberhalb der knöchernen Schädelbasis mit nachfolgendem Durchblutungsstillstand (Stase) des Blutes in allen Gefäßen bis hin zu den kleinsten Kapillaren. Dieser Zustand kann durch apparative Untersuchungen der Hirndurchblutung (Doppler-Schalluntersuchung, Hirnperfusionsszintigraphie, Angiographie) nachgewiesen werden."

Evolution des Gehirns

Gehirne haben nur Tiere. Alle Tiere müssen auf Veränderungen des inneren und äußeren Milieus reagieren, um zu überleben. So entwickelten sich Zellen, die empfindlich für Reize wie Licht oder Vibration sind. Diese Sinneszellen sind wiederum mit anderen Zellen verbunden, die bewirken können, dass der Organismus auf den Reiz reagiert. Ein solches Netz aus Nervengewebe ist eine Art einfachstes Gehirn. Im Laufe der Evolution hat das Gehirn große Veränderungen durchgemacht. Dies wird nachfolgend in groben Schritten aufgezeigt:

• Wirbellose
  Bei Wirbellosen, wie z.B. Würmern, durchzieht ein loses Netzwerk reaktiver Fasern als Nervensystem den ganzen Körper. Manchmal enthalten solche Netzwerke kleine Ansammlungen von Nervenzellen (Ganglien). Diese sind Vorläufer der Strukturen, die in manchen Gruppen zum ZNS wurden.
  Die Hydra besitzt ein einfaches Nervensystem, das aus lose miteinander vernetzten Sinneszellen mit Knoten aus miteinander verbundenen Zellen (Ganglien).
  Der Regenwurm besitzt ein einfaches Gehirn, das Oberschlundganglion. Es ist mit dem auf der ganzen Länge verlaufenden Bauchmark
• Fische
  Das Großhirn der Fische erhält von den Sinnesorganen sensorische Signale und kombiniert sie mit Informationen von inneren Organen und Nerven, um die Aktivität zu steuern. Das Kleinhirn ist groß, da es die Bewegung und Druckmessung koordiniert.
• Amphibien
  Das Gehirn der Amphibien ähnelt dem der Fische, doch ist das Großhirn von Nervengewebe überdeckt. Die Region dient vor allem dazu, Gerüche wahrzunehmen. Das Großhirn ist deutlich größer als das Kleinhirn.
• Reptilien
  Heutige Reptilien zeigen ein weiterentwickeltes Großhirn. Der Riechkolben ist verhältnismäßig groß und hoch entwickelt.
• Vögel
  Das Gehirn der Vögel gleicht dem der Reptilien, nur ist das Kleinhirn sehr ausgeprägt, da es Gleichgewicht und Flughaltung steuert. Trotz des großen Riechkolben haben nur wenige Vögel einen guten Geruchssinn, so etwa der Kiwi.
• Säugetiere
  Bei Säugetieren ist das Großhirn deutlich größer als das Kleinhirn. Die Oberfläche des Großhirns ist der Cortex. Er ist stark gefaltet, sodass - verglichen mit dem eher glatten Reptiliengehirn mehr davon in den Schädel passt.
• Mensch
  Das Gehirn der Menschen ist vom Großhirn dominiert. Seine Rinde ist stark gewunden und gefurcht, damit möglichst viel davon Platz findet. Das Kleinhirn ist ebenfalls groß. Es steuert komplexe Bewegungen.

Gene und Gehirn

Unsere genetischen Anlagen beeinflussen im Gehirn den Spiegel der Neurotransmitter, diese wiederum komplexe Funktionen, wie Persönlichkeit, Gedächtnis und Intelligenz. Auch Umwelteinflüsse wirken sich auf die Aktivität der Gene aus. Daher hängt die Gehirnfunktion auch von Faktoren wie Ernährung, Umgebung, sozialem Netzwerk und Stress ab.

Einige Gene im Genom codieren für die Proteinmoleküle, aus denen Serotonin besteht, einem der Neurotransmitter, die unsere Stimmung regulieren. So kommt es, dass eine Person über mehr, die andere über weniger Serotonin verfügt, was wiederum eines Disposition für Depression oder Essstörungen mit sich bringen kann. Gleiches trifft auch für andere Botenstoffe zu.

Studien an eineiigen Zwillingen, die getrennt voneinander aufwuchsen, zeigten, dass beide trotzdem ähnliche Interessen, Eigenschaften und Persönlichkeiten besitzen. Somit üben die Gene offenbar einen starken Einfluss auf die Entwicklung des Gehirns aus. - Ein berühmtes Beispiel sind die beiden 'Jims', die mit 4 Jahren voneinander getrennt adoptiert wurden. Beide begangen mit 18 Jahren unter Spannungskopfschmerzen zu leiden, beide waren schlecht im Rechtschreiben, aber gut in Mathe. Beide ergriffen ähnliche Berufe im Gesetzesvollzug.

Gehirn und Persönlichkeit

Viele Persönlichkeitsmerkmale haben mit bestimmten Aktivitätsmuster im Gehirn zu tun. Eine Person, die beispielsweise eine große Menge erregender Neurotransmitter produziert, wird sich vermutlich nicht so stark nach Nervenkitzel sehnen, wie jemand, der starke Reize benötigt, um denselben Erregungszustand zu erreichen. Die Persönlichkeitsmarker im Gehirn:

• Extraverson
  dorsolateraler präfrontaler Cortex, anteriorer cingulärer Cortex, Thalamus
  Verringerte Aktivität im neuronalen Schaltkreis, der das Gehirn als Reaktion auf einen Reiz anregt. Es werden viel mehr Reize von außen benötigt, um sich angenehm erregt zu fühlen.
• Aggression
  cingulärer Cortex
  Personen mit einer Genvariante, die mit impulsiver Gewalt zu tun hat, weisen ein abnorm reduziertes Volumen und eine ungewöhnlich niedrige Aktivität des cingulären Cortex auf, der das Verhalten steuert.
• Sozialverhalten
  Striatum, Amygdala
  Bei sozial sicheren Personen reagiert das Striatum (Teil des Belohnungssystems) auf freundliche Menschen stärker als bei Schüchternen. Bei sozial Ängstlichen reagiert die Amygdala heftiger auf unfreundliche Personen.
• Streben nach Abwechslung
  Striatum, Hippocampus
  Wer Abwechslung liebt, verfügt eine bessere Verbindung zwischen Striatum und Hippocampus: Der Hippocampus sendet Signale an das Striatum (zuständig für Vergnügen), wenn er ein Erlebnis als neu erkennt.
• Kooperation
  Insula
  Kooperative Personen zeigen erhöhte Aktivität in der Insula, wenn sie sich ungerecht behandelt fühlen. Unkooperative Menschen registrieren Ungerechtigkeit nicht so stark. Ihr Sinn für Vertrauen ist unterentwickelt.
• Optimismus
  cingulärer Cortex, Amygdala
  Optimismus zeigt sich beim Ausmalen von positiven zukünftigen Ereignissen durch erhöhte Aktivität in der Amygdala und im anterioren cingulären Cortex.

Gehirn und Geschlecht

Geschlecht und sexuelle Orientierung spiegeln sich in der Anatomie und Funktionsweise des Gehirns wieder. Dabei spielen nicht nur die Gene eine Rolle, sondern auch kulturelle und umweltbedingte Einflüsse, denen es im Laufe des Lebens ausgesetzt ist. - Zwischen männlichem und weiblichen Gehirn gibt es eine Reihe struktureller und funktioneller Unterschiede. Bei Frauen sind Corpus callosum und Commissura anterior größer als bei Männern. Dies mag der Grund sein, warum Frauen ein stärkeres emotionales Bewusstsein haben als Männer und Emotionen auch besser in Worte fassen können. Bei komplexen Aufgaben nutzen Frauen beide Hirnhälften, Männer nur die Hälfte, die am besten dafür geeignet scheint. - Bei Homosexuellen ähneln wichtige Gehirnstrukturen, die mit Stimmung, Emotionen, Angst und Agression zu tun haben, denen von Heterosexuellen des anderen Geschlechts. So ist z.B. bei homosexuellen Männern die rechte Gehhirnhälfte etwas größer als die linke. Dies trifft auch bei homosexuellen Frauen zu.

Die Faser in männlichen Gehirnen verlaufen meist innerhalb der jeweiligen Gehirnhälfte. Bei Frauen verbinden die Fasern vor allem die linke und die rechte Gehirnhälfte. Das bedeutet jedoch nicht, dass Männer engstirniger und Frauen ganzheitlicher denken. Es zeigt vielmehr, dass es unterschiedliche Wege gibt, um zum gleichen Ergebnis zu kommen.

Auch wenn sich die Gehirnstrukturen von Männer und Frauen unterscheiden, so kommen sie dennoch zu gleichen Ergebnissen. So zeigte ein Experiment, dass Männer und Frauen gleich gut reimen. Sie aktivieren hierzu lediglich unterschiedliche Hirnareale.

Frauen haben einen relativ höheren Anteil an grauer Substanz als Männer, also über mehr Gehirnzellen. Die Männer verfügen im Verhältnis über mehr weiße Substanz, also über mehr Leitungsbahnen, um die Zentren des Gehirns miteinander zu verbinden. - Bei Männer ist in der linken Hirnhemisphäre prozentual gesehen mehr graue Substanz als in der rechten. Bei Frauen wurde keine Asymmetrie festgestellt. Frauen sind hinsichtlich der Verbalisierung den Männern überlegen. Ihnen fielen in kürzerer Zeit mehr Begriffe ein, um Gegenstände zu benennen. Dafür waren MÄnner in der räumlichen Orientierung besser.

Bei Sprachaufgaben sind bei Männern die Sprachzentren in der linken Hirnhälfte aktiv, bei Frauen hingegen auch noch Gehirnareale in der rechten Hirnhälfte. Dazu wurde festgestellt, dass bei Frauen der Balken, der die beiden Hemisphären miteinander verbindet, größer als bei Männern.

"Forscher haben in ganz unterschiedlichen Studien herausgefunden, dass Männer bei motorischen Leistungen besser sind als Frauen, ferne eine bessere räumliche Orientierung haben. Frauen hingegen sind Männern im Hinblick auf das Langzeitgedächtnis und soziale Fähigkeiten überlegen."

Richard Haier ließ junge Mädchen 3 Monate lang das Computerspiel 'Tetris' spielen, bei dem besonders das räumliche Vorstellungsvermögen gefragt ist. Dabei stellte er anschließend eine Zunahme der Dicke der Hirnrinde in motorischen Zentren und in der Sehringe der Mädchen fest. "Das Gehirn verändert und entwickelt sich also, je nachdem, wie es beansprucht wird. Die Hirnfurchen, welche die motorische Hirnrinde beherbergen, sehen bei einem Schriftsteller nun einmal anders aus als bei einem Profi-Tennisspieler. Was ich damit sagen will: Ein weibliches Gehirn kann die gleichen Leistungen vollbringen wie ein männliches und umgekehrt - wenn es entsprechend trainiert wird. Nichtsdestotrotz sind männliche und weibliche Gehirne neurologisch gesehen von Natur aus verschieden - wenn auch nur ein bisschen."

Gehirn und Alter

Ab dem 20. Lebensjahr nimmt die Gehirnmasse jährlich um rund 1 g ab. Das Gehirn schrumpft, weil Neuronen absterben und nicht ersetzt werden. Alkoholgenuss - insbesondere Alkoholsucht - reduziert das Gehirn weiter. Studien belegen, dass Alkoholiker durchschnittlich 1,6% weniger Gehirnmasse haben als Abstinenzler. Bei einer anderen Studie führten die 60- bis 79-jährigen Testpersonen 6 Monate regelmäßig entweder Aerobic- oder Spannungs- und Dehnübungen aus. Bei allen wurde vor und nach diesen 6 Monaten ein MRT-Scan durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass das Gehirnvolumen derer, die Aerobic gemacht hatten, größer geworden war.

2015 wurde publiziert, dass an der Berliner Charité junge und alte Probanden in der MRT-Röhre bei einer Art einarmigem Bandigen-Spiel untersucht. Dabei wurde folgender Unterschied festgestellt: "Bei den jungen Probanden waren die Kerngebiete des Belohnungssystems während des Spielens und in der Gewinnsituation überaktiv. Dies bedeutet: hohe Motivation durch äußere Reihe und große Freude bei Erfolgserlebnissen. Bei den Älteren hingegen löste das Erlebnis des Gewinnens weniger starke Freude aus. Bei ihnen waren ehe jene Hirnareale aktiviert, die neue Erfahrungen in ein größeres Netzwerk integriert. Anders gesagt: Der ultimative Kick des Glückspiels blieb bei ihnen aus. Sie mussten nicht unbedingt gewinnen, ihnen war die Erfahrung des Spielens als solche wichtiger."

Hierarchische Struktur

Cortex

Limbisches System

Mittelhirn

Hirnstamm

Der anatomische Aufbau des Gehirns entspricht ungefähr der mentalen Organisation. Höhere geistige Prozesse laufen meist in den oberen Regionen ab. Die unteren Abschnitte regeln grundlegende Vitalfunktionen:

• Cortex
  Die oberste Hirnregion ist der Cortex. Es ist vor allem mit bewussten Empfindungen, abstrakte Denkprozesse, Überlegungen, Planung, dem Arbeitsgedächtnis und ähnlichen übergeordneten geistigen Prozessen befasst.
• Limbische System
  Das limbische System im Innern dient mehr emotionalen und instinktiven Verhaltensweisen und Reaktionen. Es enthält auch das Langzeitgedächtnis.
• Mittelhirn
  Der Thalamus ist ein Vorverarbeitungs- und Schaltzentrum, vor allem für sensorische Informationen aus dem unteren Hirnstamm, die letztlich für die Hemisphären des Großhirns bestimmt sind.
• Hirnstamm
  Der Hirnstamm umfasst vegetative Hirnzentren, die auch bei Bewusstlosigkeit die Lebenfunktionen erhalten, u.a. Herzschlag und Atmung.

Vergleich: Gehirn mit Computer

Das menschliche Gehirn kommt mit einer Leistung von ca. 20 Watt aus. Der derzeit schnellste Supercomputer (Stand 2017) benötigt 18 MegaWatt und erbringt nicht die Leistung unseres Gehirns. Wollte man mit dieser Technik einen Supercomputer bauen, der die Leistung unseres Gehirns erbringt, würde dieser ein eigenes Kraftwerk benötigen.

Sonstiges

Dass verschiedene Hirnregionen bestimmte Aufgaben übernehmen, wird Lateralisation des Gehirns genannt.

"Die relative Größe des Gehirns in Bezug auf die Körpergröße hat hingegen einen klaren Bezug zur Qualität des Gehirns als informationsverarbeitende Maschine, wie es Darwin bereits 1871 notierte und Michael Hofmann 100 Jahre später nachwies."

"Durch diese evolutionäre Zunahme der Hirngröße hat sich die Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten, enorm erweitert. Die progressive Zunahme der Hirngröße im Laufe der Evolution ging einher mit längerer Schwangerschaftsdauer, einer längeren Periode des sich Entwickelns und Lernens, mit längerer Lebensdauer und einer Verringerung der Nachkommenzahl. Während der evolutionären Entwicklung des Menschen hat sich der Schädelinhalt im Zeitraum von 'nur' 3 Millionen Jahren mehr als verdreifacht, während sich die Lebenszeit verdoppelt hat."

"Das Gehirn des Menschen ist eine Fabrik für Gefühle. Für Freude, Glück und Zufriedenheit, aber auch für Hass, Aggression, Neid und Missgunst. Positive und negative Gefühle entstehen in unserem Gehirn durch das Zusammenspiel unterschiedlicher neuronaler Netzwerke mit Neurotransmittern und Hormonen. Um uns trunken vor Glück zu machen oder vor Zorn rasend, dass wir liebestaumelnd oder eifersüchtig nicht schlafen können, dafür benutzt das Gehirn altbewährte Programme, die auf gewohnte Weise ablaufen, um unsere Stimmung zu beeinflussen."

Zitate

Da ist erstens der Hirnstamm, der sich um die grundlegenden Lebensfunktionen wie Atmung, Herzschlag und Verdauung kümmert. Er ist eine Art Technikzentrale und schließt direkt am Rückenmark. Auf dem Hirnstamm sitzt, zweitens, das Kleinhirn. Es sorgt unter anderem dafür, dass wir nicht vornüber fallen, denn es steuert die Bewegung - was ein gewaltiger Rechenaufwand ist. Dann kommt, drittens, das Zwischenhirn. Es kontrolliert (oder auch nicht) unter anderem den Sexualtrieb, den Appetit, das Schlafen und Aufwachen und koordiniert die Sinneswahrnehmungen. Der Thalamus, eines seiner drei Teile (neben dem Hypothalamus und der Hirnanhangdrüse, der sogenannten Hypophyse), wird gern das "Tor zum Bewusstsein" genannt. Das Großhirn, viertens, ist der Boss von allem. Es macht rund 80 Prozent der Hirnmasse aus. Denken, Lieben, Hassen, Erinnern, Sprechen, der unstillbare Drang, eine ganze Staffel von 'Game of Thrones" in einem Rutsch durchzugucken, oder die Lust, lieber einen Aufsatz von Derrida zu lesen: ... Dieses Großhirn wiederum besteht aus einem für Gefühle zuständigen tiefer liegenden Teil, dem limbischen System, und viele verschiedenen Arelen auf der Großhirnrinde, die sich alle um ihre speziellen Aufgaben kümmern.

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
• http://www.aerztekammer.at/kundmachungen-der-oak1/-/asset_publisher/R6z0/content/15-10-2013-erster-europaischer-tag-der-wiederbelebung-kinder-retten-leben/10431

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.

Anhang

Siehe auch:

Siehe auch: EKP und EP und SEP