Die Erforschung des menschlichen Gehirns ist ein komplexes und fortlaufendes Unterfangen. Ein wichtiger Schritt in diesem Prozess war die Kartierung des Kortex, insbesondere die Entwicklung der Brodmann-Areale. Dieser Artikel beleuchtet die Geschichte, Bedeutung und den aktuellen Stand der Kartierung des Kortex, wobei der Fokus auf den Brodmann-Arealen liegt.
Die Anfänge der Hirnforschung
"Die Anatomie ist der Schlüssel und das Steuerruder der Medizin." Dieser Satz aus dem 17. Jahrhundert, den Cécile und Oskar Vogt einer ihrer gemeinsamen Publikationen voranstellten, unterstreicht die Bedeutung der anatomischen Erforschung des Gehirns.
Erste Unterteilungen des Hirngewebes
Franz Joseph Gall (1758-1828) nahm eine erste Unterteilung des Hirngewebes vor. Er erkannte, dass das Gehirn keine solide Masse ist, sondern eine "große, in regelmäßigen Falten liegende Haut". Gall unterteilte das Hirngewebe in graue und weiße Substanz. Zellkörper und ihre kurzen Fortsätze bilden die graue Substanz, während die weiße Substanz aus den Axonen der Neurone besteht. Auf der Hirnoberfläche beschrieb man Windungen (Gyri) und Furchen (Sulci), jedoch existierte keine einheitliche Nomenklatur.
Politische Konnotationen der Gehirnmodelle
Ende des 19. Jahrhunderts bekamen die Modelle des Gehirnaufbaus eine politische Konnotation: War das Großhirn hierarchisch oder gleichberechtigt organisiert? Funktionierte es von oben nach unten oder umgekehrt? Der Psychiater Paul Flechsig (1847-1929) gilt als einer der "Väter der Neuroanatomie". Er entdeckte den Tractus spinocerebellaris dorsalis als wesentliche Verbindung zwischen Kleinhirn und Hirnrinde und unterteilte die Hirnoberfläche in Sinnes- und Assoziationsfelder. Sein Modell verglich Flechsig mit der Monarchie. Dabei standen drei hierarchisch organisierte Assoziationszentren an der Spitze, das Projektionszentrum entsprach dem Parlament.
Das Ehepaar Vogt und der Nervenarzt Theodor Meynert vertraten dagegen ein eher republikanisch organisiertes Modell des Großhirns (Düweke). Demnach leiten Projektionsfasern Sinneseindrücke aus der Peripherie an den Cortex, wo sie durch Assoziationsfasern verknüpft und untereinander abgestimmt werden. Beide vertraten die sogenannte Lokalisationslehre. Neurologische Störungen ließen sich damit verorten: 1868 beschrieb der französische Neurologe Paul Broca die motorische Aphasie, sechs Jahre später lokalisierte Carl Wernicke die sensorische Aphasie in der linken oberen Temporalwindung. Versuche, auch für psychische Störungen einen Ort in der Hirnrinde zu finden, führten jedoch nicht zum Erfolg.
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Korbinian Brodmann und die Zytoarchitektonik
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts begannen Anatomen wie Korbinian Brodmann sowie Cécile und Oskar Vogt, systematisch die Feinstruktur der Hirnrinde zu studieren. Die damalige Gewebetechnik (Histologie) und die Mikroskopie hatten einen Stand erreicht, der es erlaubte, wenige tausendstel Millimeter dicke Schnitte von Hirngewebe anzufertigen, diese zu färben und unter dem Mikroskop zu studieren. Den Forschern fiel auf, dass in der Hirnrinde Größe, Struktur, Packungsdichte und Schichtung der Zellen - die "Zytoarchitektonik" - örtlich variierte.
Brodmanns Beitrag zur Kartierung des Kortex
Korbinian Brodmann schuf gemeinsam mit Oskar Vogt die technischen Voraussetzungen für die Herstellung großflächiger Hirnschnitte. Er fand, dass die Großhirnrinde von Säugetieren und Menschen aus sechs Schichten aufgebaut ist - ein großer Fortschritt gegenüber der Situation zuvor. Durch ihre Benennung in Zahlen blieb Brodmanns Hirnkartierung für weitere Forschung offen, auch spätere Forscher konnten seine Nomenklatur verwenden.
"Vergleichende Lokalisationslehre der Grosshirnrinde"
Nach einigen Vorarbeiten veröffentlichte Korbinian Brodmann 1909 seine Ergebnisse zur Zytoarchitektur der Großhirnrinde: „Vergleichende Lokalisationslehre der Grosshirnrinde: in ihren Prinzipien dargestellt auf Grund des Zellenbaues“. Darin teilte er die Großhirnrinde nach histologischen Kriterien in 52 Felder ein, die nach ihm als Brodmann-Areale bekannt sind. Dabei war sein Ziel, „ein vollständiges Bild des Rindenbaues und seiner örtlichen Modifikationen in allen Teilen zu erhalten und möglicherweise auf diesem Wege zu einer auch für die Klinik verwertbaren topographisch-lokalisatorischen Gliederung der Rindenfläche zu gelangen“.
Funktionelle Bedeutung und Grenzen der Brodmann-Areale
Brodmann erkannte zwar in Ansätzen die funktionelle Bedeutung der Areale, etwa den primär-motorischen Cortex im Gyrus praecentralis des Frontallappens (Area 4), doch er verstand sich als Anatom und war bezüglich der Verknüpfung bestimmter Funktionen mit den von ihm beschriebenen Feldern zurückhaltend. Eine Spekulation über die Lokalisation komplexer psychischer Vorgänge in einzelnen Arealen lehnte er ab.
Technische Voraussetzungen für Brodmanns Forschung
Cécile und Oskar Vogt begründeten die Zytoarchitektonik, welche sich mit der Zusammensetzung von Geweben beschäftigt: Man färbt Gewebeareale an und versucht unter dem Mikroskop, strukturelle Unterschiede zwischen ihnen zu finden. Die Vogts untersuchten die Verbindungen von Nervenzellen (Myeloarchitektonik) und unterteilten die Großhirnrinde in 200 Felder. Brodmann widmete sich der Frage der Lokalisation und suchte aus der räumlichen Anordnung der Nervenzellen Strukturmerkmale abzuleiten. Dazu bedurfte es spezifischer technischer Voraussetzungen, denn Gehirngewebe ist weich. Deshalb musste es zunächst in Paraffin gebettet und gehärtet werden. Dazu fertigte man mit dem Makrotom dickere Scheiben an, die man mit Paraffin durchtränkte. Dann wurden mit dem Doppelschlittenmikrotom sehr dünne Schnitte hergestellt, die nach Färbung mit Methylethylenblau oder Kresylviolett unter dem Mikroskop betrachtet und fotografiert werden konnten.
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Kritik und Weiterentwicklung der Brodmann-Areale
Im Lauf der Zeit verschlechterte sich das Verhältnis zwischen Vogt und Brodmann. Die Gründe dafür sind nicht geklärt. Die Ablehnung seiner Habilita-tionsschrift „Die cytoarchitektonische Kortexgliederung der Halbaffen“ durch Theodor Ziehen 1910 traf Brodmann schwer. Er verließ Berlin und folgte einem Ruf Robert Gaupps an die Tübinger Klinik, wo er sich ein Jahr später habilitierte.
Das Erbe Brodmanns
Weil sich für Brodmann kein Ersatz fand, wurde die von ihm geleitete Abteilung aufgelöst. Nur vier Monate später starb auch Brodmanns Frau. Die kleine Tochter wuchs bei den Großeltern auf. In den folgenden Jahren angefertigte Hirnkarten, etwa die der Vogts und des Wiener Neuroanatomen Constantin von Economo, hatten viel mehr Felder. In ihrem Standardwerk von 1937 ignorierten die Vogts Brodmann, doch andere Forscher nahmen auf ihn Bezug und orientierten sich an seiner Arbeit. Otfried Foerster und Karl Kleist, deren Arbeiten im angloamerikanischen Sprachraum breit rezipiert werden, verwendeten Brodmanns Hirnkartierung als Grundlage.
Moderne Hirnkartierung: "Julich Brain"
Seit Mitte der 1970er-Jahre arbeiteten Forscher im Hirnforschungszentrum Jülich an einer Karte des gesamten Gehirns, die weit über Brodmanns Kartierung hinausgehen sollte (Projekt „Brain Mapping“). Im letzten Jahr haben Jülicher und Düsseldorfer Forscher unter der Leitung von Katrin Amunts „Julich Brain“, den ersten 3-D-Atlas des Gehirns und die bisher umfangreichste digitale Karte der Zytoarchitektur des Gehirns, im Fachmagazin „Science“ vorgestellt. Der Atlas bildet die Variabilität der Hirnstruktur mit mikroskopischer Auflösung ab. Im Rahmen des europäischen „Human Brain“-Projekts dient er dazu, Informationen über das Gehirn räumlich exakt zu verknüpfen. „Zum einen wird der digitale Hirnatlas dazu beitragen, Ergebnisse von Bildgebungsstudien, etwa von Patienten, genauer zu interpretieren“, sagt Katrin Amunts, Direktorin am Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin. „Zum anderen soll er Grundlage für eine Art ,Google Earth‘ des Gehirns werden - denn die Zellebene bildet die beste Basis, um Wissen über ganz unterschiedliche Facetten des Gehirns zusammenzuführen.“
Die neue Cortex-Karte von Glasser und Kollegen
Matthew Glasser und seine Kollegen stellten in der aktuellen Ausgabe von Nature eine neue Karte des Gehirns vor. "Wir haben jetzt eine Karte erstellt, die mehrere Eigenschaften gleichzeitig berücksichtigt: Zellstruktur, Funktion, Verbindungsstärken und Topographie. Dadurch haben wir mehr Areale gefunden als mit jeder einzelnen Eigenschaft alleine möglich gewesen wäre". Möglich wurde diese detaillierte Analyse, weil die Wissenschaftler auf die Daten eines amerikanischen Großprojekts zurückgreifen konnten. Für das "Human Connectome Project" wurden in den letzten Jahren 420 junge, gesunde Erwachsene im Magnetresonanztomografen gescannt. Die Hälfte dieser Daten benutzen Matthew Glasser und David van Essen um ein Standard-Gehirn zu berechnen, das als Grundlage für die Kartierung diente. Anhand der übrigen 210 Datensätze überprüften sie ihr Ergebnis. Sie fütterten einen Computeralgorithmus mit Beschreibungen jedes einzelnen gefundenen Areals. Auf dieser Grundlage konnte der Computer die Karte in jedem einzelnen Gehirn rekonstruieren. Mit dem multi-modalen Ansatz kamen sie auf eine Unterteilung des Kortex in 360 Areale. Rund 200 mehr als man bislang kannte.
Bedeutung der Brodmann-Areale heute
Schüler lernen sie im Unterricht. Sie fehlt in keinem Buch über das menschliche Gehirn. Und selbst Wissenschaftler und Ärzte nutzen sie noch zur Orientierung: die Gehirnkarte von Korbinian Brodmann, die er 1909 veröffentlicht hat. Dass Brodmanns Karte stark veraltet ist und auf ihr viele Areale falsch eingeteilt sind, ist Wissenschaftlern seit langem klar - erst jetzt aber wird eine neue erstellt. menschlichen Gehirns. "Die Forscher arbeiten noch mit Brodmanns Karte, weil seine Einteilung relativ einfach erscheint", sagt Amunts SPIEGEL ONLINE. Wissenschaftlich verlässlich sei seine Karte aber nicht.
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Das Frontallappensyndrom
Die Klinik kennt inzwischen einige Fälle wie den von Gage. So können Schädigungen der orbitofrontalen Region zum Beispiel zu pseudo-depressiven Störungen führen. In diesem Fall sind die Patienten antriebslos bis hin zu Apathie, reduziert im sexuellen Verhalten und zeigen wenig Emotion. Nahezu umgekehrt ist die pseudo-psychopathische Störung. Diese Patienten zeigen eine motorische Unruhe, sind distanz- und hemmungslos. Speziell im sexuellen Bereich verlieren sie das Gefühl für soziale Konventionen und zeigen ein übermäßiges Verlangen. Heute zählt man Symptome wie diese zum Frontallappensyndrom, das entsprechend der vielfältigen Aufgaben des frontalen Cortex und dem hohen Grad seiner Vernetzung unterschiedliche Aspekte hat.