Der Motorkortex, ein zentraler Bereich im Gehirn, steuert und koordiniert Bewegungen. Als Teil des Frontallappens umfasst er verschiedene Areale, die von der Planung komplexer Bewegungsabläufe bis zur direkten Kontrolle der Muskulatur reichen. Der primäre Motorcortex löst Bewegungen aus und steuert den räumlich-zeitlichen Ablauf von Bewegungen. Seine Neurone sind größtenteils Ausgangspunkt für die Pyramidenbahn.
Funktionelle Anatomie des Motorkortex
Funktionell und anatomisch wird der Motorkortex in verschiedene Bereiche unterteilt:
Primär motorischer Kortex (M1): Liegt im Gyrus precentralis, anterior des Sulcus centralis. Er ist der eigentliche Motorkortex und wird auch kurz als M1 bezeichnet. Er erhält Afferenzen aus dem Nucleus ventralis anterolateralis des Thalamus, wo motorische Informationen aus dem Kleinhirn und den Basalganglien verarbeitet wurden. Efferenzen gehen über den Tractus corticonuclearis zu den somatoefferenten Hirnnervenkernen und über die Pyramidenbahn (Tractus corticospinalis) in Richtung der Peripherie. Damit ist der primär motorische Kortex hauptsächlich Taktgeber der willkürlichen Motorik, wobei er immer die kontralaterale Körperhälfte innerviert.
Prämotorischer Kortex: Verläuft entlang der Brodmann-Areale 6 und 8. Der supplementärmotorische Kortex ist ein Teil der prämotorischen Rinde, genauer gesagt dem medialen Teil. Funktionell steht bei diesem Teil die Bewegungsplanung im Vordergrund. Allerdings ziehen von hier aus auch Fasern weg, die eine direkte Auswirkung auf die Motorik ausüben. Vor allem aktivieren diese Fasern Teile des Gehirns, die der sogenannten Extrapyramidalmotorik zugeschrieben sind.
Frontales Blickzentrum: Übernimmt die Initiation der Augenbewegung. Die Informationen, die hier entstehen, beeinflussen die Motorik der kontralateralen Seite im Auge. Informationen, die dem frontalen Blickzentrum zugeführt werden, kommen aus der Sehrinde, die sich im Okzipitallappen der Großhirnrinde befindet. Um allerdings Bewegungen konkret auslösen zu lassen, müssen die efferenten Bahnen aus dem frontalen Blickzentrum zunächst in die Colliculi superiores und in die Formatio reticularis der Pons geschickt werden.
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Motorisches Sprachzentrum (Broca-Areal): Liegt in der Pars opericularis und Pars triangularis des Gyrus frontalis inferior im Frontallappen der Großhirnrinde. Hier wird jedoch nicht die spezifische Muskulatur zum Sprechen der Worte angesteuert, es handelt sich eher um das Formen der Sprache. Über verschiedene Efferenzen sendet das motorische Sprachzentrum Informationen beispielsweise an den Thalamus oder die Basalganglien, die für die Aussprache der geformten Worte wichtig sind. Auch efferente Bahnen zur primären motorischen Rinde existieren, von wo aus spezielle Hirnnervenkerne angesteuert werden können. Allerdings bekommt das motorische Sprachzentrum auch Afferenzen zugeführt. Zwei wichtige afferente Bahnen kommen aus der primären sowie sekundären Hörrinde (Wernicke-Zentrum), das dem Sprachverständnis dient.
Die Rolle des ersten Motoneurons
Im zentralen motorischen System wird über die pyramidale Bahn (Tractus corticospinalis), auch bezeichnet als erstes Motoneuron, ein motorisches Signal vom Motorkortex über das Rückenmark weitergeleitet. Das extrapyramidale System dient der Modulation und Feinabstimmung der Bewegungsabläufe. Zum peripheren motorischen System zählen unter anderem als zweites Motoneuron das α-Motoneuron, die motorische Einheit sowie die motorische Endplatte. Dabei liegen die α-Motoneurone im Vorderhorn des Rückenmarks oder in den motorischen Hirnnervenkernen, wodurch sie die Verbindung zwischen dem zentralen Nervensystem und den Muskeln herstellen. Jede motorische Einheit besteht dabei aus einem α-Motoneuron und allen von ihm innervierten Muskelfasern, sodass eine koordinierte Aktivierung dieser Muskelfasern möglich ist.
Die Pyramidenbahn: Eine direkte Verbindung zur Muskulatur
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. In der Pyramidenbahn kreuzen 70 bis 90 Prozent (Tractus corticospinalis lateralis) der Fasern in ihrem Verlauf auf Höhe der Medulla oblongata auf die Gegenseite und bilden die sichtbaren Pyramiden.
Bewegung als Zusammenspiel verschiedener Hirnareale
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. Diese Hirnareale sind daher intensiv mit dem primären Motorcortex verschaltet. Ist die Entscheidung für eine Bewegung einmal gefallen, übernimmt der primäre Motorcortex: Er gibt letztendlich den Startschuss für eine Bewegung. Seine Neurone feuern aber auch schon in Erwartung einer Bewegung, also beispielsweise wenn ein Sprinter auf das Signal zum Losrennen wartet. Sogar, wenn wir uns nur vorstellen, einen Ball zu werfen, ist der primäre Motorcortex aktiv.
Sensorische Rückkopplung und Bewegungskorrektur
Eine Bewegung ist aber keine Einbahnstraße: Sie wird nicht einmal in Gang gesetzt, um dann ohne Korrektur abzulaufen. So registriert der somatosensorischer Cortex über Propriozeptoren Parameter wie die Lage der einzelnen Körperteile, die Gelenkstellung und die Muskelanspannung und tauscht sich laufend mit dem primären Motorcortex aus.
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Die Repräsentation des Körpers im Motorcortex: Der Homunkulus
Etwa 400 Patienten operierte Penfield auf diese Weise. Das Ergebnis: Eine Karte des primären Motorcortex, in der verzeichnet war, welcher Bereich für welches Körperteil zuständig ist. Bekannt wurden solche Gehirn-Landkarten als Homunculus, lateinisch für „kleiner Mensch“. 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.
Bewegungskategorien statt einzelner Muskeln
Penfields Homunculus kann den Eindruck vermitteln, als gäbe es einen genau begrenzten Bereich von Nervenzellen auf der Hirnrinde, die etwa für einen bestimmten Muskel am Mittelfinger zuständig sind. Das Areal daneben wäre dann für einen anderen Muskel am Mittelfinger verantwortlich und aktivierte noch ein Areal weiter entfernt den gleichen Muskel am Ringfinger und so weiter. Aber diese auch von der Wissenschaft lange vermutete These erwies sich als falsch. Heute weiß man: So simpel und schematisch funktioniert der Motorcortex nicht. Auch die Untersuchungen anderer Forscher weisen in diese Richtung: Nicht einzelne Muskeln, sondern vielmehr Bewegungskategorien sind im primären Motorcortex repräsentiert.
Plastizität des Motorcortex
Das Gehirn mit seinen Milliarden von Nervenzellen ist keineswegs ein starres Gebilde, sondern verändert sich ständig - und zwar ein Leben lang. Das gilt ganz besonders für den primären Motorcortex. Bei einem Pianisten ist dieser Teil der Hirnrinde ganz anders organisiert als bei einem Bauarbeiter: Denn durch regelmäßiges Üben wird das Areal, in dem der trainierte Körperteil auf dem Motorcortex repräsentiert ist, größer. Und nach einer Amputation wird der Bereich, der bisher für diesen Körperteil zuständig war, umfunktioniert und übernimmt dann andere Aufgaben.
Klinische Bedeutung: Schädigungen des Motorkortex
Der Motorcortex ist von zentraler Bedeutung für die Steuerung der bewussten Bewegung, weshalb Schäden in diesem Bereich zu vielfältigen neurologischen Ausfällen führen können. Eine häufige Folge von Läsionen des Motorcortex sind Lähmungen, die je nach Ausmaß der Schädigung als Parese (teilweise Lähmung) oder Plegie (vollständige Lähmung) auftreten. Typische Formen sind die Hemiparese oder -plegie, bei der eine Körperhälfte betroffen ist, häufig in Folge eines Schlaganfalls. Eine weitere wichtige klinische Erscheinung ist die Spastizität, die durch eine Schädigung der Pyramidenbahn entsteht. Diese führt zu einer Übererregbarkeit der Reflexbögen und einer erhöhten Muskelspannung. Darüber hinaus kann es zu motorischer Apraxie kommen, einer Störung, bei der Patienten gezielte Bewegungsabläufe nicht mehr korrekt ausführen können, obwohl die Muskelkraft erhalten ist. Diese tritt häufig bei Schädigungen angrenzender motorischer Areale wie des prämotorischen oder supplementär-motorischen Cortex auf. Zusätzlich sind epileptische Anfälle eine mögliche Folge von Schädigungen des Motorcortex.
Forschungsperspektiven: DeMOTUS und die Revolutionierung der Bewegungsforschung
Viele Fragen in den Neurowissenschaften der Bewegung und der Neurorehabilitation bleiben unbeantwortet, weil es an Methoden fehlt, die eine Brücke zwischen der Funktion der Nervenzellen und der Funktion der Muskeln im großen Maßstab schlagen. Im Rahmen von DeMOTUS möchten wir die Art und Weise, wie wir menschliche Bewegungen untersuchen, revolutionieren. Wir werden neue Sensorik, eine biomimetische sehnengetriebene bionische Hand und Exoskelett, sowie digitale Zwillinge dieser Systeme entwickeln. Durch den Einsatz neuartiger intramuskulärer elektromyographischer Sensortechnik werden erforschen, wie das zentrale Nervensystem die motorischen Einheiten während synergistischer Hand- und Beinbewegungen steuert. Durch die Aufzeichnung von Hunderten von synergistischen Motoreinheiten und Echtzeit-Feedback der Aktivität der Motorneuronen wollen wir den ersten geschlossenen Feedback-Loop entwickeln, der es menschlichen Individuen ermöglicht, die Aktivität verschiedener Muskeln zu trennen und die so genannten invarianten Muskelsynergien zu entkoppeln.
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Neurofeedback und die selektive Aktivierung von Motoreinheiten
Wir stellen die Hypothese auf, dass Menschen mit einem geeigneten Neurofeedback basierend auf der Aktivität spinaler Motorneuronen lernen können, selektiv Pools motorischer Einheiten zu aktivieren, selbst wenn diese einem gemeinsamen kortikalen Input unterliegen. DeMOTUS wird grundlegende neurowissenschaftliche Forschung mit Lähmung aufgrund neuromuskulärer Erkrankungen verbinden. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt haben das Potential, das Leben von Menschen mit Schlaganfall und Querschnittlähmung zu verändern.
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