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NEUROWISSENSCHAFT

Kosmos Gehirn - Forschung im 21. Jahrhundert

Von Prof. Dr. Michael Madeja

Als der französische Staatspräsident Sarkozy seine Pläne zur Bekämpfung der Alzheimer-Erkrankung skizzierte, bezeichnete er das 21. Jahrhundert als „Jahrhundert des Gehirns“. Diesen Begriff hat Sarkozy aber nicht erfunden, sondern er taucht in den letzten Jahren an vielen Stellen scheinbar gleichzeitig auf und ist eine Fortsetzung des 1990 vom amerikanischen Präsidenten Georg Bush ausgerufenen Jahrzehnt des Gehirns. Vom Jahrzehnt des Gehirns zum Jahrhundert des Gehirns – eine bemerkenswerte Karriere. Eine Karriere, die aber zunächst wenig über die tatsächliche Bedeutung der Hirnforschung in den nächsten Jahrzehnten aussagt, denn wie der Physik-Nobelpreisträger Niels Bohr einmal witzelte: „Voraussagen sind schwierig, insbesondere wenn sie sich auf die Zukunft beziehen.“

Nein, der Begriff „Jahrhundert des Gehirns“ sagt vor allem etwas über das Selbstbewusstsein der Hirnforscher und über die Erwartungen der Gesellschaft an die Hirnforschung. Und beide sind hoch. Nur als Beispiele: Hirnforscher lokalisieren den Glauben an Gott in einer Windung des Gehirns und nennen das Ganze Neurotheologie, Philosophen sehen sich genötigt, aus den Erkenntnissen der Hirnforschung, aus der Neurowissenschaft ein System der Neuroethik zu generieren. Die Delphi-Studie von 1998 erwartet die größten Fortschritte im kommenden Jahrzehnt von der Hirnforschung. Hirnforscher veröffentlichen ein „Manifest“, in dem sie die Neurowissenschaft zur Leitdisziplin erklären usw. Viel Selbstbewußtsein, viele Erwartungen.

Worum geht es aber eigentlich: zunächst einmal um etwa ein kg wabbeliger und wenig ästhetisch aussehender Substanz. Das Gehirn: Zunächst einmal nur eines der Organe unseres Körpers, nicht das größte, nicht das schwerste. Aber das Gehirn ist ein Organ der Superlative: darin Leitungsstrecken mit einer Gesamtlänge von mehr als 1 Mio. km, Geschwindigkeiten der Informationsübertragung von 360 km/h, teilweise auch Lichtgeschwindigkeit, mehr als 10 Milliarden Zellen, etwa 70 Billionen Verbindungen, pro Sekunde 1000 analoge Rechenoperationen und das alles mit 100 Watt – der Leistung einer Glühbirne. Das Gehirn ist ein Organ der Superlative, das vermutlich komplexeste System, das die Menschheit kennt und wahrscheinlich der faszinierendste Forschungsgegenstand, den die Menschen jemals angegangen haben.

Das äußere Aussehen des menschlichen Gehirns lässt diese Komplexität noch nicht erkennen. Das Gehirn sieht von außen betrachtet eigentlich ganz einfach aus. Es füllt den oberen Teil des Kopfes aus. Die Unterseite des Gehirns liegt im vorderen Teil des Kopfes in Höhe der Augenbrauen, reicht weiter hinten bis zur Mitte der Ohren und setzt sich in einen stilartigen Abschnitt, das Rückenmark, nach unten in den Hohlraum der Wirbelsäule fort. Dieser Abschnitt des Nervensystems reicht von der Mitte der Ohren bis auf die Höhe der untersten Rippe. Die Begrenzung auf den oberen Teil des Körpers ist auch der Grund, warum Brüche des oberen Teils der Wirbelsäule zur Querschnittslähmung führen können, während dies bei Brüchen der Wirbelsäule unterhalb der Rippen nur sehr selten der Fall ist.

Von der Unterseite des Gehirns und in regelmäßigen Abständen aus dem Rückenmark gehen die Nerven hervor, die fadenartige erscheinen und die je weiter sie vom Rückenmark oder Gehirn entfernt sind, immer verzweigter und dünner sind. So ist der dickste Nerv, der bei Bandscheibenproblemen oft betroffene Ischiasnerv, in der Nähe der Wirbelsäule daumendick, während die dünnsten Nerven weitaus dünner als ein Haar sind.

Beim Gehirn selbst fallen von außen betrachtet drei Teile auf:

Zum einen der durch unregelmäßige Furchungen charakterisierte Teil, der den ganzen oberen Teil des Gehirns bildet und aufgrund seiner Größe als Großhirn bezeichnet wird. Das Großhirn ist der Teil, in dem die meisten und vor allem die höchsten geistigen Leistungen des Menschen ablaufen.

Vom Großhirn abgesetzt, an seiner Unterseite und etwa im Bereich hinter den Ohren liegt ein mehr regelmäßig und feiner gefurchter Teil des Gehirns, der beim Menschen kleiner als das Großhirn ist und entsprechend als Kleinhirn bezeichnet wird. Dieser Hirnteil hat vor allem Aufgaben bei der Steuerung der Muskeln. Bei Vögeln, die beim Fliegen sehr viel komplexere Bewegungen ausführen müssen als die Menschen, die wir uns beim Gehen nur auf einer Ebene bewegen, ist das Kleinhirn daher im Verhältnis zum Großhirn auch viel größer.

Als dritter und letzter Teil ist dann noch der ebenfalls an der Unterseite des Gehirns liegende, baumstammartige Anteil des Gehirns zu nennen, der in das Rückenmark übergeht und Hirnstamm heißt. Dieser Teil ist Leitungsbahn oder Umschaltstation zwischen Gehirn und Rückenmark und enthält daneben noch Bereiche, die lebenswichtige Funktionen wie Schlafen und Atmen steuern. Daher sind Verletzungen im Hirnstamm von den Ärzten besonders gefürchtet, da sie leicht zum Tod führen können.

Wenn man das Gehirn von vorne und oben betrachtet, sieht man vor allem die Masse des Großhirns, die in der Mitte von einer großen Furche, etwa von der Höhe der Nasenwurzel nach hinten laufend, das Großhirn in zwei gleich große Abschnitte teilt, die grob an zwei Halbkugeln erinnern und dementsprechend auch als Hemisphären des Großhirns bezeichnet werden. Diese Teilung spiegelt den symmetrischen Aufbau unseres Körpers wider, also dass wir zwei Arme, zwei Beine, zwei Augen haben. Jede Hemisphäre ist dabei grundsätzlich für eine Körperseite zuständig, jedoch in gekreuzter Weise, so dass die linke Hirnhälfte den rechten Arm steuert und die rechte den linken Arm. Deshalb zeigen zum Beispiel Lähmungen der rechten Körperseite dem Arzt an, dass die Hirnschädigung in der linken Großhirnhemisphäre liegt.

Diese grundsätzliche symmetrischen Zuständigkeit ist aber kein ganz festes Prinzip und gibt es aber auch Funktionen, die ganz oder weitestgehend nur von einer Großhirnhälfte übernommen sind, zum Beispiel die Sprache, die in der Regel im linken Anteil des Großhirns lokalisiert ist. Und es gibt Funktionen, die das Zusammenwirken beider Hirnhälften erfordern, zum Beispiel das Abschätzen von Entfernungen und das räumliche Sehen, das über die Verrechnung der Bildinformationen beider Augen erfolgt. Für diese Aufgaben sind die beiden Hirnhälften miteinander verbunden.

Das Gehirn ist also relativ einfach strukturiert: drei große Hirnteile, aus denen Rückenmark und Nerven hervorgehen. Dieser Aufbau lässt noch nichts von der Komplexität des inneren Aufbaus des Gehirns erahnen. Dazu müssen wir uns das Innere des Gehirns ansehen.

Um eine Ansicht des Inneren des Gehirns zu bekommen, kann man sich vorstellen, das Großhirn an einer Stelle ganz durchzuschneiden, etwa wie man beim Essen einen Blumenkohl auf dem Teller halbiert. Wenn man dann auf die Schnittfläche sieht, fällt zunächst auf, dass das Gehirn bis auf wenige Hohlräume massiv ist. Diese Hohlräume sind mit einer besonderen Flüssigkeit des Gehirns, dem Liquor, gefüllt. Der Liquor füllt auch den Raum zwischen der Oberfläche des Gehirns und der Schädelinnenseite aus.

Bei den massiven Teilen des Gehirns ist die außen liegende, wenige Millimeter dicke Schicht grau und wird entsprechend als graue Substanz bezeichnet. Da die graue Substanz wie die Rinde eines Baumes das Gehirn umhüllt, wird diese Schicht als Hirnrinde oder Cortex bezeichnet. Die Hirnrinde ist der eigentliche Ort der Informationsverarbeitung und der höchsten menschlichen Leistungen und ist größer als bei fast allen Tieren. Dies wird durch die Faltung der Hirnrinde erreicht, die von außen als Furchung des Großhirns erscheint, ebenso wie man ein großes Stück Stoff nur in eine kleine Schachtel bekommt, wenn man den Stoff faltet oder zusammenknüllt. Wenn die Hirnrinde ungefaltet wäre, müsste unser Kopf so groß wie bei einem Elephanten sein. Das würde einige Probleme erbringen, nicht nur, dass der Kopf dann ziemlich schwer wäre, sondern auch, dass die Informationswege innerhalb des Gehirns zu lang würden.

Unter der Hirnrinde liegt eine sehr viel hellere Gehirnmasse ab, die als weiße Substanz bezeichnet wird. Ihre Farbe kommt vor allem durch den hohen Fettanteil zustande, so wie auch Butter und Bratfett nahezu weiß sind. Die weiße Substanz hat Leitungs- und Verbindungsfunktion innerhalb des Gehirns. In der weißen Substanz im Inneren des Gehirns liegen inselartig eingebettet andere Teile grauer Substanz, die als Hirnkerne bezeichnet werden und deren Aufgabe in spezialisierten, nicht bewusst wahrgenommenen Funktionen liegt.

Betrachten wir den inneren Aufbau des Gehirns nun noch etwas näher. Wenn man ein Stückchen des Gehirns, vielleicht einen Fingernagel großen Teil, auf die Ausmaße eines Einfamilienhauses vergrößern würde, könnte man erkennen, dass das Gehirn aus kleinen Bausteinen besteht, den Nervenzellen. Grundsätzlich handelt es sich um winzige, flüssigkeitsgefüllte Säckchen mit Ausstülpungen. Die Größe des Köpers einer Nervenzelle beträgt etwa ein hunderstel Millimeter, so dass bei dem gedanklichen Vergrößerungsbeispiel jede Nervenzelle so groß wie ein Würfelzuckerstück wäre.

Da das Größenverhältnis von Nervenzelle zum Gehirn etwa dem vom Würfelzuckerstück zum Haus entspricht, ist offensichtlich, dass Nervenzellen winzig sind und dass es davon eine ganze Menge in unserem Gehirn geben muss. Bisher gibt es zur Anzahl der Nervenzellen im Gehirn nur Abschätzungen, die sich zwischen zehn und hundert Milliarden Nervenzellen bewegen. Auch diese Zahl ist zu groß, um sie sich wirklich vorzustellen. Für unsere Verhältnisse reicht der sogar noch untertreibende Vergleich, dass es in jedem Gehirn so viele Nervenzellen gibt, wie Menschen auf der gesamten Erde, also ein paar hunderttausend gefüllte Fußballstadien, ausverkaufte Rockkonzerte oder Städte.

Neben der Winzigkeit und ungeheuer großen Anzahl haben die Nervenzellen noch andere ganz besondere Charakteristika: So haben die Nervenzellen besondere Formen, die in den verschiedenen Hirnanteilen sehr unterschiedlich sind und die vor allem durch sehr dünne und lange Ausstülpungen der Nervenzellen bestimmt sind, durch die Fortsätze der Nervenzellen. Diese sind ebenfalls flüssigkeitsgefüllt und können daher eher als winzige Schläuche angesehen werden. Nervenzellfortsätze können beim Menschen bis zwei Meter lang sein und haben eine Dicke von wenigen bis einem tausendstel Millimetern. Wenn man also einen Nervenzellfortsatz auf die Höhe eines Hochhauses vergrößern würde, wäre er immer noch weit dünner als ein Haar.