Hirnwindungen
Hirnwindungen
Bild: Seitenansicht eines menschlichen Gehirns. Patrick J. Lynch; C. Carl Jaffe, Yale University. Dateiseite, CC BY 2.5. Unverändert eingebunden.
Einleitung
Warum sieht dein Gehirn nicht aus wie eine glatte Kugel? In diesem aiMOOC untersuchst du die Windungen und Furchen des Großhirns. Du arbeitest mit Bildern, einer Forschungsanimation und einem eigenen Papiermodell.
Deine Lernziele: Du unterscheidest Gyrus und Sulcus, erklärst den Zusammenhang zwischen Faltung und Oberfläche und findest wichtige Strukturen auf einer Gehirnkarte. Außerdem prüfst du, was Modelle zeigen können und warum eine Gehirnzeichnung kein Intelligenztest ist.
Lernweg: Betrachte zunächst die drei Abbildungen. Lies die kurzen Erklärungen, baue das Papiermodell und bearbeite die interaktiven Übungen. Wähle anschließend passende Projektaufgaben. Der Einstieg ist für die Sekundarstufe I gedacht; die schweren Aufgaben führen zur wissenschaftlichen Modellkritik.
Startfrage: Zeichne spontan die Oberfläche eines Gehirns. Notiere daneben deine Vermutung: Sind die sichtbaren Falten einzelne Nervenzellen, Spuren des Lernens oder eine Form des Gewebes? Überarbeite deine Antwort am Kursende.
Eine Landschaft aus Windungen und Furchen
Die Großhirnrinde, auch Kortex genannt, ist die äußere Gewebeschicht des Großhirns. Sie ist nur wenige Millimeter dick. Ihre Oberfläche bildet Erhebungen und Vertiefungen: Eine Hirnwindung heißt Gyrus, mehrere heißen Gyri. Eine Hirnfurche heißt Sulcus, mehrere heißen Sulci. Die Begriffe beschreiben die Form des Gewebes, nicht einzelne Gedanken. Quelle: University of Washington, Aufbau des Nervensystems
Bild: Gyrus und Sulcus in einer vereinfachten Darstellung. Albert Kok, gemeinfrei. Dateiseite. Unverändert eingebunden; die Fachbegriffe entsprechen den Begriffen im Text.
Bildauftrag: Fahre mit dem Finger eine Erhebung und anschließend eine Vertiefung nach. Sprich dabei: „Gyrus – Windung; Sulcus – Furche.“
Die Rinde gehört zur grauen Substanz: Dort befinden sich viele Nervenzellkörper und zahlreiche Verbindungen zwischen Zellen. Darunter liegt im Großhirn viel weiße Substanz mit Nervenfasern, die unter anderem verschiedene Gehirngebiete verbinden. Eine Windung enthält also sehr viele Zellen; sie ist keine einzelne Nervenzelle. Quelle: NINDS, Brain Basics
Merksatz: Die Rinde folgt dem Verlauf der Windungen und reicht in die Furchen hinein. Auf einer Seitenansicht ist deshalb nicht ihre gesamte Oberfläche zu sehen.
Viel Oberfläche auf begrenztem Raum
Ein gefalteter Kortex kann auf begrenztem Raum mehr Oberfläche unterbringen als eine glatte Hülle vergleichbarer äußerer Größe. Entscheidend ist der Vergleich: Falten macht ein vorhandenes Papierblatt nicht größer. Es verändert, wie viel Platz das Blatt in einer Richtung beansprucht. Beim wachsenden Gehirn entstehen dagegen gleichzeitig mehr Gewebe und eine veränderte Form. Quelle: Wyss Institute, Forschung zur Hirnfaltung
Dein Papiermodell
Material: ein Blatt Papier, ein Stift, ein Lineal und ein kleiner Karton oder ein aufgemaltes Rechteck als begrenzte Grundfläche.
Lege das Blatt zunächst flach hin. Falte es danach wie eine Ziehharmonika und versuche, es auf einer kleineren Grundfläche unterzubringen, ohne es zu zerreißen oder abzuschneiden. Markiere an deinem Modell einen Faltenberg als Gyrus und ein Faltental als Sulcus.
Beobachte: Was verändert sich an der Breite des Modells? Was bleibt an der Papiermenge und an der Fläche des vollständig ausgebreiteten Blattes gleich?
Modellgrenze: Papier ist kein lebendes Gewebe. Es wächst nicht, besitzt keine Nervenzellen und wird von dir gefaltet. Das Modell veranschaulicht das Unterbringen einer Fläche, nicht den vollständigen biologischen Entstehungsprozess.
Wie entstehen Hirnwindungen?
Die Faltung wird Gyrierung genannt. Wichtige Furchen entstehen bereits vor der Geburt; die Gehirnentwicklung geht danach weiter. Untersuchungen mit vorgeburtlichem Ultraschall zeigen, dass verschiedene Furchen zu unterschiedlichen Entwicklungszeitpunkten erkennbar werden. Quelle: Toi und Mitarbeitende, Untersuchung zur vorgeburtlichen Sichtbarkeit von Hirnfurchen
Ein wichtiger mechanischer Erklärungsansatz betrachtet das unterschiedliche Wachstum äußerer und tieferer Gewebebereiche. Wenn die äußere Schicht stärker an Fläche zunimmt, können Spannungen entstehen und Falten ausbilden. Genetisch gesteuerte Zellprozesse, Wachstum und Gewebeeigenschaften wirken dabei zusammen. Die Erklärung „Der Schädel drückt ein fertiges Gehirn einfach zusammen“ greift zu kurz. Quelle: Wyss Institute, Gelmodell und Simulation der Faltung
Forschungsanimation: „Gyrification: How the Brain Got its Folds“, Wyss Institute, Harvard University. Englisch; die Bilder lassen sich mit den deutschen Erklärungen dieses Kurses erschließen. Video direkt öffnen.
Beobachtungsauftrag: Beschreibe, wie aus einer zunächst weniger gefalteten Oberfläche Erhebungen und Vertiefungen werden. Unterscheide anschließend eine Beobachtung aus dem Video von einer Erklärung des Vorgangs.
Wichtig: Ein erfolgreiches Gelmodell zeigt, dass ein physikalischer Mechanismus Falten hervorbringen kann. Es bildet nicht sämtliche Zellen, Entwicklungsschritte und Funktionen eines menschlichen Gehirns ab.
Orientierung auf der Gehirnkarte
Bild: Hauptwindungen und Hauptfurchen in Seitenansicht. NEUROtiker. Dateiseite und vollständige Legende, CC BY-SA 3.0. Unverändert eingebunden. Die Zahlen und Buchstaben sind Orientierungshilfen, keine Rangfolge.
| Zeichen im Bild | Struktur | Orientierung |
|---|---|---|
| B | Sulcus centralis | Die Zentralfurche liegt zwischen Stirn- und Scheitellappen. |
| 1 | Vordere Zentralwindung | Sie liegt vor der Zentralfurche; hier befindet sich der primäre motorische Kortex. |
| 2 | Hintere Zentralwindung | Sie liegt hinter der Zentralfurche; hier befindet sich der primäre somatosensorische Kortex. |
| F | Seitenfurche | Sie grenzt den Schläfenlappen von darüberliegenden Bereichen des Stirn- und Scheitellappens ab. |
Die Zuordnung im Bild folgt der Legende des Urhebers. Motorisch bedeutet hier: an der Steuerung willkürlicher Bewegung beteiligt. Somatosensorisch bezeichnet die Verarbeitung von Informationen aus dem Körper, beispielsweise Berührung. Die genannten Rindenfelder haben unterschiedliche Schwerpunkte, arbeiten aber nicht isoliert. Quelle: University of Washington, Funktionen der Großhirnrinde
Alltagsbeispiel: Du greifst nach einem Stift und spürst seine Oberfläche. Bewegung und Körperwahrnehmung müssen dafür zusammenwirken. Die Zentralfurche ist eine anatomische Grenze, keine undurchlässige Trennwand zwischen zwei unabhängigen Gehirnen.
Das Gehirn räumlich erkunden
Öffne das interaktive 3D-Gehirnmodell von BrainFacts und der Society for Neuroscience. Die Oberfläche und Beschreibungen sind englischsprachig.
Erkundungsauftrag: Vergleiche Seitenansicht und Ansicht von oben. Suche die beiden Großhirnhälften und betrachte, welche Teile der Oberfläche in der jeweiligen Ansicht verdeckt bleiben. Nutze bei technischen oder sprachlichen Schwierigkeiten stattdessen die Abbildungen dieses Kurses.
Sprachhilfe: „Cerebral cortex“ bedeutet Großhirnrinde, „frontal lobe“ Stirnlappen und „parietal lobe“ Scheitellappen.
Hirnwindungen, Lernen und vorschnelle Urteile
Beim Lernen verändern sich unter anderem Verbindungen und Signalübertragung zwischen Nervenzellen. Diese Anpassungsfähigkeit gehört zur Neuroplastizität. Eine neu gelernte Vokabel lässt sich deshalb nicht als neue, einzelne große Hirnwindung auf einer Zeichnung markieren. Quelle: University of Washington, Brain Plasticity
Form ist nicht automatisch Leistung: Die sichtbaren Windungen beschreiben zunächst die Anatomie. Um eine Lernleistung zu beurteilen, brauchst du beispielsweise eine passende Aufgabe und eine nachvollziehbare Auswertung. Aus dem Zählen von Falten auf zwei Abbildungen folgt daher noch keine belastbare Rangfolge der Intelligenz.
Prüffrage: Welche Daten fehlen dir, wenn jemand mit zwei Gehirnfotos beweisen möchte, dass eine Person „klüger“ sei? Unterscheide Beobachtung, Vermutung und tatsächlich geprüfte Aussage.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste dein Wissen
Wie heißt eine einzelne Hirnwindung? (Gyrus) (!Sulcus) (!Axon) (!Synapse)
Was bezeichnet der Begriff Sulcus? (Eine Furche an der Gehirnoberfläche) (!Eine einzelne Nervenzelle) (!Eine Verbindung zwischen zwei Knochen) (!Eine Hälfte des Großhirns)
Welchen räumlichen Vorteil hat eine gefaltete Großhirnrinde? (Sie bringt eine große Oberfläche auf begrenztem Raum unter) (!Sie macht Nervenzellen überflüssig) (!Sie ersetzt die Blutversorgung) (!Sie verhindert den Austausch zwischen Gehirngebieten)
Was bleibt beim Falten eines unbeschädigten Papierblattes gleich? (Die Fläche des vollständig ausgebreiteten Blattes) (!Die Breite des gefalteten Modells) (!Die Anzahl der sichtbaren Falten) (!Die Höhe des gefalteten Modells)
Welche Aussage beschreibt die Entwicklung wichtiger Hirnfurchen richtig? (Sie beginnen sich bereits vor der Geburt auszubilden) (!Sie entstehen erst beim Lesenlernen) (!Sie erscheinen erst nach dem Ende des Körperwachstums) (!Sie bilden sich für jede Erinnerung einzeln neu)
Welcher Vorgang ist ein wichtiger mechanischer Ansatz zur Erklärung der Hirnfaltung? (Unterschiedliches Wachstum verbundener Gewebeschichten) (!Das Einprägen fertiger Gedanken in die Oberfläche) (!Das regelmäßige Zusammenziehen der Kopfhaare) (!Das vollständige Aushärten der Großhirnrinde)
Welche beiden Hirnlappen trennt die Zentralfurche voneinander? (Stirnlappen und Scheitellappen) (!Schläfenlappen und Hinterhauptslappen) (!Kleinhirn und Hirnstamm) (!Linke und rechte Großhirnhälfte)
Welche Funktion gehört zum Schwerpunkt der vorderen Zentralwindung? (Steuerung willkürlicher Bewegung) (!Ausschließliches Speichern aller Erinnerungen) (!Produktion der Schädelknochen) (!Ausschließliche Verarbeitung von Gerüchen)
Welche Information wird im primären somatosensorischen Kortex verarbeitet? (Berührung der Körperoberfläche) (!Die chemische Zusammensetzung eingeatmeter Luft als Geruch) (!Die Tonhöhe eines gehörten Tons als Höreindruck) (!Die Helligkeit eines gesehenen Lichtpunkts als Seheindruck)
Welche Aussage über Lernen ist fachlich angemessen? (Lernen kann Verbindungen und Signalübertragung zwischen Nervenzellen verändern) (!Jede neue Vokabel erzeugt eine eigene große Hirnwindung) (!Eine Gehirnzeichnung zeigt unmittelbar die Schulnoten einer Person) (!Nach der Geburt können sich neuronale Verbindungen nicht mehr verändern)
Memory: Begriffe verbinden
Finde die sechs zusammengehörenden Paare.
| Gyrus | Erhebung der gefalteten Gehirnoberfläche |
| Sulcus | Vertiefung zwischen Hirnwindungen |
| Kortex | Fachbegriff für die Rinde |
| Gyrierung | Ausbildung der Hirnfaltung |
| Neuroplastizität | Anpassungsfähigkeit neuronaler Strukturen und Funktionen |
| Zentralfurche | Grenze zwischen Stirn- und Scheitellappen |
Drag and Drop: Ordne richtig zu
| Ziehe den passenden Begriff zur Beschreibung. | Beschreibung |
|---|---|
| Vordere Zentralwindung | Bereich vor der Zentralfurche mit dem primären motorischen Kortex |
| Hintere Zentralwindung | Bereich hinter der Zentralfurche mit dem primären somatosensorischen Kortex |
| Seitenfurche | Furche oberhalb des Schläfenlappens |
| Weiße Substanz | Gewebe mit vielen verbindenden Nervenfasern unter der Großhirnrinde |
| Papiermodell | Vereinfachung zum Unterbringen einer großen Fläche auf kleinerer Grundfläche |
Kreuzworträtsel
Gesucht sind die Fachbegriffe aus dem Kurs. Jede Lösung besteht aus einem Wort.
| Gyrus | Wie heißt eine einzelne Hirnwindung? |
| Sulcus | Wie heißt eine einzelne Hirnfurche? |
| Kortex | Welcher im Kurs verwendete Fachbegriff bedeutet Rinde? |
| Gyrierung | Wie heißt die Ausbildung der Hirnfaltung? |
| Zentralfurche | Welche Furche trennt Stirn- und Scheitellappen? |
| Neuroplastizität | Wie heißt die Anpassungsfähigkeit neuronaler Strukturen und Funktionen? |
LearningApps
Die folgende Einbettung ist eine externe Themensuche, keine eigens für diesen Kurs erstellte oder fachlich geprüfte Einzel-App. Die Erreichbarkeit und die angezeigten Treffer können variieren. Wähle nur Übungen, deren Begriffe du mit den Quellen dieses Kurses abgleichen kannst. Die kursinternen Übungen funktionieren unabhängig von dieser zusätzlichen Suche.
Falls die Einbettung leer bleibt, kannst du die Themensuche direkt öffnen.
Lückentext
Offene Aufgaben
Wähle Aufgaben passend zu deinem Lernstand. Nutze eigene Zeichnungen oder die angegebenen frei verwendbaren Bilder mit korrektem Herkunfts- und Lizenznachweis.
Leicht
- Hirnwindungen zeichnen: Zeichne eine wellige Gewebeschicht im Querschnitt. Beschrifte eine Erhebung mit Gyrus und eine Vertiefung mit Sulcus; ergänze jeweils das deutsche Wort.
- Papiermodell der Hirnfaltung: Baue das Ziehharmonikamodell und dokumentiere den flachen sowie den gefalteten Zustand mit zwei Fotos. Erkläre in drei Sätzen, was sich verändert und was gleich bleibt.
- Fachbegriffe als Lernkarten: Gestalte sechs Lernkarten mit Begriff, eigener Erklärung und kleiner Skizze. Verwende Gyrus, Sulcus, Kortex, Zentralfurche, Gyrierung und Neuroplastizität.
- Gehirnkarte lesen: Suche in der nummerierten Abbildung B, F, 1 und 2. Erstelle dazu eine eigene Legende und prüfe sie anschließend an der Dateiseite.
Standard
- Erklärvideo zur Hirnfaltung: Produziere ein Video von höchstens 90 Sekunden mit deinem Papiermodell. Erkläre den räumlichen Vorteil und nenne ausdrücklich zwei Grenzen des Modells.
- Wachstum und Faltung beobachten: Halte die Forschungsanimation an drei selbst gewählten Stellen an und zeichne jeweils eine vereinfachte Oberflächenform. Trenne in deiner Auswertung sichtbar zwischen Beobachtung und mechanischer Erklärung.
- Bewegung und Wahrnehmung: Entwickle eine Bildfolge zum Greifen nach einem Stift. Ordne Bewegung und gefühlte Berührung den passenden Zentralwindungen zu und ergänze den Hinweis, dass weitere Gehirngebiete beteiligt sind.
- Lernen ohne neue Gedankenfalten: Schreibe einen verständlichen Faktencheck zur Behauptung „Für jede gelernte Vokabel entsteht eine neue Hirnwindung“. Belege deine Korrektur mit der Quelle zur Neuroplastizität und erkläre den Unterschied zwischen Gewebeform und Zellverbindungen.
Schwer
- Wissenschaftliche Modelle vergleichen: Vergleiche Papiermodell, Gelmodell und biologisches Gehirn in einer Tabelle. Untersuche Wachstum, Material, Faltenbildung und Nervenzellfunktionen; markiere für jedes Modell eine geeignete und eine ungeeignete Fragestellung.
- Eine Forschungsfrage entwickeln: Entwirf einen Versuch am vereinfachten Schichtmodell zur Frage, wie unterschiedliches Wachstum die Faltung beeinflussen könnte. Beschreibe eine veränderte Größe, eine beobachtete Größe, einen Vergleich und mögliche Störfaktoren; ein Experiment mit Lösungsmitteln ist nicht erforderlich.
- Anatomie und Leistungsurteile: Verfasse eine begründete Stellungnahme zur Behauptung „Mehr sichtbare Falten bedeuten automatisch höhere Intelligenz“. Erkläre, welche Informationen Bilder liefern, welche zusätzlichen Daten nötig wären und warum eine bloße Korrelation noch keine Ursache beweist.
- Virtuelle Ausstellung zur Großhirnrinde: Gestalte vier digitale Ausstellungstafeln zu Begriffen, räumlichem Vorteil, Entstehung und Lernen. Ergänze Bildrechte, mindestens drei fachliche Quellen sowie eine Station, an der Besuchende die Grenze eines Modells beurteilen.
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Lernkontrolle
- Oberfläche und Grundfläche unterscheiden: Eine Schülerin behauptet, ihr gefaltetes Papier besitze jetzt weniger Oberfläche. Korrigiere die Aussage mit einem nachvollziehbaren Vergleich zwischen ausgebreiteter Fläche und beanspruchter Grundfläche.
- Grenzen einer Gehirnzeichnung: Auf einer Seitenansicht sind nur Teile der Hirnrinde sichtbar. Erkläre mit den Begriffen Gyrus und Sulcus, weshalb sich daraus die gesamte Rindenoberfläche nicht einfach ablesen lässt.
- Die Zentralfurche als Orientierung: Erkläre anhand einer Skizze die Lagebeziehung zwischen Zentralfurche, vorderer und hinterer Zentralwindung. Verbinde die Skizze mit dem Beispiel Greifen und Berührung.
- Vom Gelmodell zur Erklärung: In einem Gelmodell entstehen Falten, obwohl kein Schädel vorhanden ist. Erkläre, welche einfache Behauptung das infrage stellt und weshalb das Modell dennoch nicht die vollständige Gehirnentwicklung beweist.
- Form und Lernen auseinanderhalten: Begründe, warum du nach dem Lernen eines Gedichts keine neue große Hirnwindung auf einer Zeichnung eintragen solltest. Nutze den Begriff Neuroplastizität und beschreibe eine passende Veränderung auf der Ebene neuronaler Verbindungen.
- Quellen begründet auswählen: Vergleiche eine unbelegte Bildunterschrift mit einer Forschungsdarstellung eines Instituts. Begründe deine Quellenwahl anhand von Urheberschaft, Nachweisen, erklärtem Modell und benannten Grenzen, statt nur auf eine ansprechende Gestaltung zu achten.
Orientierung für die Auswertung: Eine überzeugende Antwort verwendet passende Fachbegriffe, erklärt einen Zusammenhang, bezieht ein konkretes Beispiel ein und benennt eine Grenze der eigenen Aussage. Überarbeite unklare Antworten nach dem Quellenvergleich.
Lernnachweis
Wissen: Du kannst Windung, Furche und Großhirnrinde unterscheiden sowie Gyrierung und Neuroplastizität in eigenen Worten erklären.
Fertigkeiten: Du liest eine beschriftete Gehirnkarte, orientierst dich an der Zentralfurche und unterscheidest Beobachtung von Erklärung.
Produkte: Dein Lernportfolio enthält eine beschriftete Skizze, die Dokumentation deines Papiermodells und mindestens ein selbst gewähltes Produkt aus den offenen Aufgaben.
Transfer: Du erläuterst den räumlichen Vorteil einer gefalteten Fläche, ohne zu behaupten, Falten erzeuge zusätzliche Papierfläche. Du erkennst außerdem, dass ein Gelmodell weder Denken noch die gesamte Gehirnentwicklung nachbildet.
Reflexion: Vergleiche deine Antwort auf die Startfrage mit deinem heutigen Verständnis. Ergänze die Sätze: „Das kann ich jetzt erklären …“, „An meinem ersten Modell war irreführend …“ und „Dazu brauche ich noch einen Beleg …“.
OER und Wikipedia
Frei verwendbare Abbildungen: Die drei eingebundenen Commons-Dateien besitzen die jeweils angegebenen Lizenzen. Beachte bei Weiterverwendung Urheberschaft, Lizenzlink und gegebenenfalls die Kennzeichnung eigener Änderungen. Die Forschungsanimation und das externe 3D-Modell sind davon getrennte Angebote; ihre Einbettung oder Verlinkung bedeutet nicht, dass sie dieselbe freie Lizenz besitzen.
Wikipedia zur Vertiefung: Der deutschsprachige Artikel zur Großhirnrinde bietet weiterführende Begriffe und Literatur. Vergleiche einzelne Aussagen mit den wissenschaftlichen und universitären Quellen dieses Kurses.
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Quellen zum Nachprüfen
Eric H. Chudler, University of Washington: Divisions of the Nervous System. Englisch; Grundlagen zu Kortex, Gyri, Sulci und verbundenen Gehirnsystemen.
NINDS: Brain Basics – Know Your Brain. Englisch; Überblick über Gehirnaufbau und Gewebe.
Toi und Mitarbeitende: How early are fetal cerebral sulci visible at prenatal ultrasound and what is the normal pattern of early fetal sulcal development?. Englisch; wissenschaftliche Untersuchung zur vorgeburtlichen Entwicklung.
Wyss Institute, Harvard University: How the brain gets its folds. Englisch; Forschungsdarstellung mit Animation zum mechanischen Modell.
Eric H. Chudler, University of Washington: Functional Divisions of the Cerebral Cortex. Englisch; motorische und sensorische Funktionsschwerpunkte.
University of Washington: Brain Plasticity. Englisch; Grundlagen der Veränderbarkeit neuronaler Verbindungen durch Erfahrung.
Society for Neuroscience: 3D Brain. Englisch; interaktives räumliches Anschauungsangebot.
Verknüpfte Lernbereiche