Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das eine Vielzahl von Funktionen steuert, darunter auch die Motorik. Dieser Artikel bietet eine detaillierte bildliche Darstellung der motorischen Areale im Gehirn und erläutert, wie diese Bereiche zusammenarbeiten, um Bewegungen zu planen, zu initiieren und auszuführen.
Die Wahrnehmung von Bewegung: Ein erster Schritt
Bewegung wird vom Gehirn mit hoher Priorität wahrgenommen, da sie potenziell lebenswichtige Informationen liefert. Die Verarbeitung von Bewegung beginnt bereits auf der Sehbahn und wird im visuellen Cortex von spezialisierten Zellen weitergeführt. Dies ermöglicht es uns, Bewegungen auch aus dem Augenwinkel wahrzunehmen, was für das Erkennen von Gefahren oder potenziellen Nahrungsquellen von Bedeutung ist.
Der Cortex: Die Großhirnrinde als Schaltzentrale
Der Cortex, insbesondere der Cortex cerebri (Großhirnrinde), spielt eine zentrale Rolle bei der Steuerung der Motorik. Der Cortex ist eine Ansammlung von Neuronen, die typischerweise in Form einer dünnen Oberfläche angeordnet sind. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, wodurch zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci) entstehen. Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex etwa 1.800 cm².
Sensorik als Grundlage jeder Bewegung
Jede Bewegung beginnt mit Wahrnehmung. Das Gehirn erstellt von jeder Körperregion eine Art innere Landkarte. Diese Landkarten können durch Verletzungen, Inaktivität, monotone Belastungen oder Schmerz an Qualität verlieren. Um die Bewegungsqualität, Koordination oder Kraft zu verbessern, sollte man mit der Sensorik beginnen.
Praktische Tipps zur Aktivierung der Sensorik:
- Aufwecken von Muskelgruppen: Vor dem Training eines Gelenks oder einer Muskelgruppe kann man diesen Bereich mit einfachen Reizen "aufwecken". Zum Beispiel vor einer Hüftmobilisation die Außenseite der Hüfte und das Gesäß sanft reiben oder beklopfen.
- Visuelle Reize: Visuelle Reize aktivieren sowohl den visuellen Kortex als auch somatosensorische Anteile des Parietallappens. Zum Beispiel mit den Augen einem Ball oder Stift folgen, den man langsam quer an seinem Gesichtsfeld vorbeiführt.
- Passive Bewegung: Wenn der Körper durch eine andere Person (Trainer, Therapeut, Partner) passiv bewegt wird, ohne dass man selbst Kraft aufwendet, erhöht das die sensorische Rückmeldung an das Gehirn. Zum Beispiel ein Trainer bewegt die Schulter passiv durch eine Außenrotation.
Die Anatomie des Gehirns: Eine Übersicht
Das Gehirn (Encephalon) ist der Teil des zentralen Nervensystems, der innerhalb des knöchernen Schädels liegt und diesen ausfüllt. Es besteht aus unzähligen Nervenzellen, die über zuführende und wegführende Nervenbahnen mit dem Organismus verbunden sind und ihn steuern.
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Gewicht und Volumen des Gehirns
Das Gehirnvolumen beträgt beim Menschen etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse. Das Gewicht macht mit 1,5 bis zwei Kilogramm ungefähr drei Prozent des Körpergewichts aus. Ein Mensch hat ungefähr 100 Milliarden Gehirnzellen, die das zentrale Nervensystem aufbauen und untereinander verknüpft sind. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt.
Die Hauptbestandteile des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
Gliazellen
Die Nervenzellen im Gehirn sind eingebettet in ein stützendes Gewebe aus Gliazellen.
Hirnhäute
Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater, Arachnoidea und Pia mater.
Die Funktionen der einzelnen Hirnregionen
Die verschiedenen Anteile der Großhirnrinde übernehmen ganz unterschiedliche Funktionen.
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Das Großhirn (Telencephalon)
Das Großhirn ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Es unterteilt sich in zwei weitgehend symmetrische Hälften (Hemisphären), die durch den sogenannten Balken (Corpus callosum) und weitere Nervenfasern miteinander in Verbindung stehen. Die meisten Funktionszentren kommen gleichermaßen in beiden Hirnhälften vor, einige Zentren jedoch gibt es nur einmal - wie etwa das Sprachzentrum. Jede Gehirnhälfte des Großhirns ist in vier Bereiche eingeteilt: Frontallappen, Parietallappen, Temporallappen, Okzipitallappen.
- Frontallappen (Stirnlappen): Befindet sich im vorderen Bereich des Großhirns und kontrolliert die Bewegungen und führt kognitive Prozesse aus. Hier sind die Funktionen von Intelligenz, Sprache (motorisches Sprachzentrum), Persönlichkeitsmerkmale sowie die Bewegungssteuerung zu finden.
- Parietallappen (Scheitellappen): Ist ein primär sensorisches Rindenfeld und ist für somatosensorische Funktionen zuständig.
- Temporallappen (Schläfenlappen): Befindet sich das Sprachzentrum, das für das Verständnis und die Verarbeitung von Sprache eine wichtige Rolle spielt. Der mittlere Teil des Temporallappens enthält den Hippocampus, der für das Gedächtnis von größter Bedeutung ist. Zellen des Schläfenlappens sind wichtig für das Gedächtnis, für Gefühle und Emotionen. Der Schläfenlappen beherbergt zudem die Hörrinde und das Sprachverständnis.
- Okzipitallappen (Hinterhauptlappen): Ist der hinterste und auch kleinste der vier Hirnlappen.
Das Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus. Im Thalamus treffen Informationen aus dem Körper und den verschiedenen Sinnesorganen ein. Der Thalamus leitet die Signale an das Großhirn weiter, nachdem er die Informationen im Vorfeld gefiltert hat. Dies vermeidet, dass das Hirn überlastet wird. Der Hypothalamus steuert als übergeordnetes Schaltzentrum zum Beispiel den Schlaf-Wach-Rhythmus, den Wasserhaushalt, die Schweißsekretion sowie Schmerz- und Temperaturempfinden. Er lässt sich sowohl über Nerven als auch durch Hormone beeinflussen. Der Hypothalamus steht in direktem Kontakt mit der Hirnanhangsdrüse (Hypophyse) und verbindet das Hormon- mit dem Nervensystem.
Der Hirnstamm (Truncus cerebri)
Der Hirnstamm ist der älteste Teil des Gehirns. Er befindet sich unter den anderen Abschnitten nahe dem Rückenmark und wird fast vollständig von beiden Hirnhälften, den Hemisphären, umschlossen. Im Nachhirn kreuzen die aus dem Rückenmark kommenden Nervenbahnen. Das führt dazu, dass Informationen einer Körperseite in der gegenüberliegenden Hirnhälfte verarbeitet werden. Im Hirnstamm befinden sich Nervenbahnen, die das Gehirn mit dem Rückenmark verbinden. Weiterhin liegt dort das Atemzentrum. Es regelt die Atmung, das Herz-Kreislauf-System und den Blutdruck. Der Hirnstamm ist für eine Vielzahl überlebenswichtiger Funktionen zuständig. Er koordiniert automatische Abläufe wie die Atmung und den Herzschlag, außerdem kontrolliert er auch Reflexe wie Husten, Harndrang, Erbrechen und Schlucken.
Das Kleinhirn (Cerebellum)
Das Kleinhirn liegt an der Basis des Schädels unter dem Hinterhauptlappen des Großhirns. Es stimmt Bewegungen aufeinander ab und speichert Abläufe, sodass nach einiger Übung bestimmte Bewegungen automatisch erfolgen. Verbindungen zur Großhirnrinde, zum Hirnstamm, zum Rückenmark und zum Gleichgewichtsorgan ermöglichen es dem Kleinhirn, seine wichtigen Funktionen zu erfüllen. Das Cerebellum gibt keine Bewegungsimpulse, vielmehr stimmt es Bewegungen fein ab, erhält die Muskelspannung und das Gleichgewicht. Das Kleinhirn hält Bewegungsprogramme bereit und stimmt Bewegungsabläufe ab. Die Hauptaufgabe des Kleinhirns besteht darin, Bewegungsabläufe zu steuern und zu koordinieren. So haben wir es beispielsweise dem Kleinhirn zu verdanken, wenn unser Gleichgewicht hergestellt und die Körperhaltung aufrechterhalten wird. Jede Bewegung unseres Körpers wird vom Kleinhirn blitzschnell analysiert.
Funktionelle Karte des Gehirns
Mit dem heutigen Wissen lässt sich eine sogenannte funktionelle Karte des Gehirns erstellen. Da sich die meisten Hirnleistungen einer bestimmten anatomischen Hirnregion zuordnen lassen, weisen bestimmte Ausfälle - etwa Bewegungsstörungen, Sprachstörungen oder Sehstörungen - bereits auf krankhafte Veränderungen eines bestimmten Hirnareals hin. Dabei kann es sich zum Beispiel um Durchblutungsstörungen (Schlaganfall) oder gut- oder bösartige Gewebeneubildungen handeln.
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Die Rolle des primären motorischen Cortex (M1)
Der primäre motorische Cortex (M1; Area 4 nach Brodmann) nimmt eine bedeutende Funktion bei der Planung, Initiierung und Durchführung kontrollierter Bewegungen ein. Er steuert den räumlich-zeitlichen Ablauf von Bewegungen. Seine Neurone sind größtenteils Ausgangspunkt für die Pyramidenbahn. Bestimmte Areale auf dem primären Motorcortex sind für bestimmte Körperteile zuständig. Überproportional stark vertreten sind vor allem Hände und Zunge. Der primäre Motorcortex ist der Startpunkt von weiten Teilen der Pyramidenbahn, mit einer Million Axonen einer der längsten und größten Bahnen unseres zentralen Nervensystems. Hier entspringen also Nervenzellfortsätze, die ohne Unterbrechung durch den Hirnstamm und weiter bis ins Rückenmark ziehen, um von dort dann über so genannte Motoneurone Befehle an die Muskulatur weiterzugeben.
Der Homunculus: Eine bildliche Darstellung der Körperrepräsentation im Motorcortex
Der sogenannte Homunculus stellt schematisch dar, wo in der Hirnrinde die für die Motorik und die für die Sinneseindrücke zuständigen Nervenzellen liegen. Dabei zeigt sich, dass die Beine im oberen, die Arme im mittleren und die Zungen- und Gesichtsmuskeln im unteren Drittel der Rinde repräsentiert werden. Auffällig: Im Verhältnis zu ihrer tatsächlichen Größe nehmen die Nervenzellen der Hände, des Kopfes und des Schlundes sehr große Areale ein. Zeichnet man auf, wie der menschliche Körper auf der zweidimensionalen Hirnrindenoberfläche des Motorcortex repräsentiert ist, entsteht ein grotesk verzerrtes Männchen mit riesigen Händen und einer überproportional großen Zunge. Das zeigt: Nicht die Größe eines Körperteils entscheidet darüber, wie stark es auf dem Motorcortex repräsentiert ist, sondern das Ausmaß der Feinmotorik. Die Hände können besonders diffizile Bewegungen ausführen, bei Menschen ebenso die Zunge, weil das wichtig ist, um sprechen zu können. Daher sind diese Körperteile stark im Motorcortex vertreten.
Die Planung und Initiierung von Bewegungen
Die Entscheidung, beispielsweise den einen Muskel zu strecken und gleichzeitig einen anderen zu beugen, treffen jedoch hauptsächlich andere Gehirnareale: Der prämotorische und der supplementär-motorische Cortex planen und initiieren Bewegungen und komplexe Bewegungsmuster - der Motorcortex ist zwar ebenfalls Teil der Entscheidungsfindung, spielt aber eine untergeordnete Rolle. Ist die Entscheidung für eine Bewegung einmal gefallen, übernimmt der primäre Motorcortex: Er gibt letztendlich den Startschuss für eine Bewegung.
Weitere wichtige motorische Areale
Neben dem primären motorischen Kortex spielen auch andere Hirnareale eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Motorik:
- Prämotorischer Kortex (PMC): Plant und initiiert Bewegungen, insbesondere solche, die auf externen Reizen basieren.
- Supplementär-motorisches Areal (SMA): Plant und initiiert komplexe Bewegungssequenzen, insbesondere solche, die intern generiert werden.
- Basalganglien: Modulieren Bewegungen und spielen eine Rolle bei der Auswahl von Bewegungsplänen.
- Cerebellum: Koordiniert Bewegungen, sorgt für Präzision und Gleichgewicht und speichert erlernte Bewegungsabläufe.
Die Kommunikation zwischen den Gehirnzellen: Synapsen und Neurotransmitter
Die Gehirnzellen tauschen Informationen untereinander durch chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) über die Synapsen aus. Je mehr Synapsen eine Nervenzelle hat, desto mehr Informationen kann sie übertragen. Als Synapsen werden die Kontaktstellen zwischen den Neuronen bezeichnet. Neurotransmitter (chemische Botenstoffe) übertragen die Informationen. Man geht von rund 100 Milliarden Synapsen im menschlichen Gehirn aus. Statistisch wäre somit jedes Neuron mit 1.000 anderen verbunden und von jedem anderen Neuron aus in nur vier Schritten zu erreichen. Nicht nur die Neuronen sind an der Weitergabe von Informationen beteiligt: Auch die sie umgebenden Gliazellen spielen hierbei eine wichtige Rolle. Sie stellen Nährstoffe bereit und absorbieren verschüttete Neurotransmitter. Rund die Hälfte der gesamten Hirnmasse besteht aus Gliazellen.
Erkrankungen des Gehirns und ihre Auswirkungen auf die Motorik
Das Gehirn ist zwar durch die Schädelknochen geschützt, aufgrund seiner Empfindlichkeit jedoch auch sehr anfällig für Erkrankungen. Viele neurologische Erkrankungen können die Motorik beeinträchtigen:
- Schlaganfall: Kann zu Lähmungen oder anderen motorischen Defiziten führen, wenn er den motorischen Cortex oder andere wichtige motorische Areale betrifft.
- Parkinson-Krankheit: Führt zu Zittern, Steifigkeit und Bewegungsverlangsamung aufgrund des Absterbens von Dopamin-produzierenden Zellen in den Basalganglien.
- Multiple Sklerose (MS): Kann zu einer Vielzahl von motorischen Problemen führen, darunter Schwäche, Spastik und Koordinationsstörungen, aufgrund von Schäden an der Myelinscheide der Nervenfasern.
- Zerebralparese: Eine Gruppe von Erkrankungen, die die Bewegung und Koordination beeinträchtigen, verursacht durch Schäden am sich entwickelnden Gehirn.
Die Plastizität des Gehirns: Anpassung und Lernen
Das Gehirn ist keineswegs ein starres Gebilde, sondern verändert sich ständig - und zwar ein Leben lang. Diese Fähigkeit zur Anpassung und Veränderung wird als Plastizität bezeichnet. Die synaptische Plastizität gilt als Grundlage von Gedächtnis und Lernen. Als synaptische Plastizität bezeichnet man die Fähigkeit, Signale zur Übertragung von Informationen zwischen zwei Nervenzellen variieren zu können. Bei der Übertragung von Informationen kann die Synapse mehr oder weniger Botenstoffe ausschütten, um die Stärke der Signale zu regulieren. Im erwachsenen Gehirn werden fortlaufend neue Synapsen gebildet.
Die Bedeutung der Plastizität für die Rehabilitation
Die Plastizität des Gehirns spielt eine entscheidende Rolle bei der Rehabilitation nach neurologischen Schäden. Durch gezieltes Training und Stimulation können neue Nervenverbindungen gebildet und bestehende Verbindungen gestärkt werden, um verlorene Funktionen wiederherzustellen oder zu kompensieren.