Unser Gehirn, oft mit einer Walnuss verglichen, ist ein komplexes Organ, das etwa 100 Billionen Synapsen beherbergt und uns zuDenken und Kommunikation befähigt. Die Furchen und Windungen der Großhirnrinde sind dabei kein Zufall, sondern das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels von Genen, mechanischen Kräften und evolutionären Anpassungen. Dieser Artikel beleuchtet die Funktionen der Hirnfurchen, ihre Entstehung und ihre Bedeutung für die Gesundheit und neurologische Erkrankungen.
Die Bedeutung der Hirnfaltung
Die Hirnfaltung, auch Gyrifizierung genannt, ermöglicht es unserem Gehirn, eine große Anzahl von Zellen auf vergleichsweise kleinem Raum unterzubringen und miteinander zu verkabeln. Könnte man die Großhirnwindungen im menschlichen Kopf glätten, würde die Gehirnfläche um vier DIN-A4-Blätter größer werden. Die Großhirnrinde ist etwa dreimal so groß beim Menschen wie die innere Oberfläche des Schädels. Das heißt, wenn man die Großhirnrinde in den Schädel einbringen möchte, dann muss sie aufgefaltet werden. So schafft das Gehirn Kompartimente, in denen die Zellen synchron feuern, während die Furchen Zellen eher trennen.
Evolutionäre Aspekte der Hirnfaltung
Schon Ur-Säugetiere vor Millionen von Jahren hatten gefaltete Gehirne, über die Hirnfaltung entschieden immer die Lebensumstände einer Art. Tiere mit wenig oder gar nicht gefurchten Gehirnen leben meist in Gruppen und auf engem Raum, während andere Säugetiere mit starken Faltungen eher in sozialen Verbänden leben, die sich über große Gebiete ausweiten können. Die Evolution hat unterschiedlichste Gehirne hervorgebracht - vom einfachen Nervenzellknoten der Urwürmer bis zum komplexen Denkorgan der Menschenaffen. Der evolutionäre Erfolg der Säugetierarten mit glatter Großhirnrinde zeigt, dass ein ungefurchtes Gehirn nicht unbedingt von Nachteil sein muss. Es scheint vielmehr so zu sein, dass die Hirnfaltung für diese Arten keinen Überlebensvorteil darstellte und im Laufe der Evolution wieder verloren ging.
Die Entstehung der Hirnfurchen: Ein komplexes Zusammenspiel
Die Entstehung der Furchen in unserem Gehirn ist ein Rätsel, das bisher nur in Teilen gelöst ist. Schon seit dem 19. Jahrhundert geht die Forschung davon aus, dass mechanische Kräfte für die charakteristischen Erhebungen und Gräben in der Hirnrinde verantwortlich sind. Die Untersuchungsergebnisse bestätigten schließlich die alte Annahme, dass die Gehirnwindungen bei Primaten wie Menschen durch mechanische Kräfte entstehen, nämlich durch eine Faserspannung, die von Nervenverbindungen in der Hirnoberfläche ausgeübt wird. Demnach werden Gehirnregionen, die durch viele Nervenfasern miteinander verbunden sind, während der embryonalen und frühkindlichen Entwicklung des Gehirns zueinander gezogen - es entstehen die typischen Hügel, die unser Gehirn bisweilen wie einen Schwamm aussehen lassen. Furchen oder Täler entstehen dagegen in den weniger stark vernetzten Regionen zwischen den Hügeln. Letztlich lässt sich die Idee so ausdrücken, dass die Gestalt des Gehirns in etwa so zustande kommt wie die Gestalt einer gestopften Socke. Dort, wo man also viele Fäden durchführt, werden die Regionen zu einem Hügel zusammengezogen, und dort, wo wenig Fäden laufen , bildet sich eine Furche, ein Tal aus. Letztlich ist es beim Gehirn nicht viel anders als bei einer Socke: Mechanische Kräfte setzen so an, dass durch die Zugspannung Nervenfasern die Hügel zusammengezogen werden und sich dazwischen die Täler ausbilden.
Genetische Faktoren
Forschende finden Gene, die die Hirnfaltung steuern und verändern an sich glatte Mäusegehirne. Wird bei der Maus das Gen für das Protein Cep83 ausgeschaltet, bilden sich plötzlich Furchen (fachsprachlich Sulci) und Erhebungen (Gyri). Ohne Cep83 vermehren sich die Vorläuferzellen der Neuronen während der Hirnentwicklung, sodass der Kortex stärker wächst - es entsteht ein Zellüberschuss. Die Forschenden beobachteten gleichzeitig, dass der Kortex sich mit dem Wachstum faltet. Einen ähnlichen Effekt beobachteten die Forschenden, nachdem sie bei den Mäusen das Protein Fgf10 deaktivierten: Das führte zu einer größeren Anzahl von neuronalen Vorläuferzellen, einer Verdickung des Kortex. Allerdings noch nicht zu einer gefalteten Struktur, was sich mit früheren Studien deckte, in denen Vorläuferzellen vermehrt wurden.
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Zelladhäsionsmoleküle
Aus der bisherigen Studienlage ging hervor, dass die Falten in unserem Gehirn vermutlich entstehen, weil die neuronalen Vorläuferzellen zum einen schnell wachsen und zum anderen, weil die Zellen schnell wandern. Deshalb schauten sie sich als dritte Genfamilie die Zelladhäsionsmoleküle an, die beeinflussen, wie Nervenzellen aneinanderhaften. Nachdem die Forschenden die Moleküle Flrt1 und Flrt3 ausschalteten, wanderten Nervenzellen schneller und trennten sich leichter von Nachbarzellen. Die stärksten Veränderungen der Hirnanatomie entstanden im Zusammenspiel von deaktivierten Flrt1/3 Genen und stillgelegten Genen, die Cep83 und Fgf10 kodieren. Hier traten bei fast allen genveränderten Tieren Falten im Kortex auf. Menschen haben die Gene, die Flrt1 und Flrt3 kodieren, auch: Allerdings sind die bei Menschen fünf- bis zehnmal inaktiver.
Zweistufiges Modell der Hirnfaltung
Die neuen Erkenntnisse deuten auf ein zweistufiges Modell der Hirnfaltung hin: In einem gefalteten Gehirn werden zunächst mehr Vorläuferzellen und daraus mehr Neuronen gebildet. Diese können sich in der zweiten Stufe durch das Fehlen von molekularen Klebstoffen ungeordnet und frei ausbreiten, was zur Faltenbildung führt. Die FLRT-Mäuse ermöglichen nun das Testen dieser Hypothese: Wird die Nervenzellenzahl in diesen Mäusen künstlich erhöht, sollte sich der Kortex falten. Verhaltenstests mit diesen Tieren könnten zeigen, ob die Kortexveränderung auch seine Rechenleistung erhöht.
Sulci und Gyri: Anatomische Merkmale der Hirnrinde
Ein Sulcus (Furche) ist weit mehr als nur ein anatomisches Merkmal. Sulci strukturieren Gewebe, schaffen zusätzliche Fläche und ermöglichen damit komplexe Funktionen, insbesondere im zentralen Nervensystem. Auch in anderen Körperregionen wie dem Herzen tragen Sulci zu wesentlichen physiologischen Prozessen bei. Ein Sulcus ist in der Anatomie als schmale Furche oder Rinne definiert, die sich auf der Oberfläche von Organen oder Geweben befindet. Diese Strukturen treten in unterschiedlichen Körperregionen auf und variieren je nach Funktion und anatomischer Umgebung. Im zentralen Nervensystem sind Sulci besonders prominent ausgeprägt. Sie trennen die sogenannten Gyri (Hirnwindungen) voneinander und sorgen durch die Faltung der Großhirnrinde für eine deutliche Oberflächenvergrößerung.
Wichtige Sulci im Gehirn
Ein zentraler Sulcus ist der Sulcus centralis, der die Grenze zwischen dem Frontallappen und dem Parietallappen markiert. Ein weiterer wichtiger Sulcus ist der Sulcus lateralis (auch Sylvische Fissur genannt), der den Temporallappen vom Frontal- und Parietallappen trennt. Der Sulcus calcarinus ist eine weitere Schlüsselstruktur im Gehirn, die sich im Okzipitallappen befindet.
Individuelle Ausprägung der Sulci
Die großen Sulci, wie der Sulcus centralis oder der Sulcus lateralis, befinden sich bei allen Menschen an vergleichbaren Positionen. Kleinere Sulci hingegen zeigen individuelle Unterschiede in Tiefe und Verlauf. Diese Variationen werden von genetischen Faktoren beeinflusst, stehen jedoch auch in Zusammenhang mit der Aktivität und Nutzung spezifischer Gehirnregionen.
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Die Funktion der Hirnfurchen in verschiedenen Hirnregionen
Die verschiedenen Anteile der Großhirnrinde übernehmen ganz unterschiedliche Funktionen. Die verschiedenen Hirnregionen sind durch Assoziationsfasern verbunden, die einzelne Cortexareale einer Hemisphäre verbinden, wie den präfrontalen Cortex mit den motorischen Cortices.
Frontallappen
Im Frontallappen liegt unter anderem die Präzentralregion. Hier befinden sich die beiden Rindenfelder, die die motorische Rinde (Areas 4 und 6) bilden. Die motorische Rinde ist das Hauptursprungsgebiet der Nachrichtenvermittlung für Muskelaktivitäten. Ein weiteres Rindenfeld (Area 8) gilt als das Blickzentrum für willkürliche Augenbewegungen. Schädigungen im Bereich der ganz vorn und an der Unterseite liegenden Rindengebiete des Frontallappens haben manchmal schwere Persönlichkeitsveränderungen zur Folge.
Parietallappen
Im Scheitellappen (Parietallappen) liegt unter anderem die Postzentralregion. verschiedene Formen der Agnosie.
Temporallappen
In den Schläfenlappen liegt unter anderem die Hör- und die Sprachregion. Im hinteren Bereich der oberen Schläfenlappenwindung (Gyrus temporalis superior) der dominanten Hemisphäre liegt das sensorische oder Wernicke Sprachzentrum, bei dessen Schädigung eine Störung des Wortverständnisses eintritt (sensorische Aphasie). Man nimmt außerdem an, dass die Schläfenlappenrinde eine wichtige Rolle der bewussten und unbewussten Verfügbarkeit der eigenen Vergangenheit und der in ihr gemachten Erfahrungen spielt, ohne die man sich in seiner Umwelt nicht zurechtfinden würde. Im Schläfenlappen liegt auch der Hippocampus, eine Sehpferdchen-förmige Struktur, die hauptsächlich für die Gedächtnisbildung zuständig ist. Bei einem Hirntumor im Schläfenlappen (temporaler Hirntumor) können unter anderem Hör- und/oder Sprachstörungen auftreten. Ist der Hippocampus mitbetroffen, sind oft Gedächtnisstörungen die Folge.
Okzipitallappen
Im Hinterhauptslappen liegt die Sehregion. Area 17 bildet die Endigungsstätte aller Sehbahnen, die Sehrinde. Schädigungen im Bereich des Hinterhauptslappens (zum Beispiel durch einen okzipitalen Hirntumor) können zu einer Rindenblindheit führen.
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Klinische Relevanz der Hirnfurchen
Die genaue Kenntnis der Sulci ist nicht nur für die Anatomie, sondern auch in der Neurologie und Neurochirurgie von Bedeutung. Veränderungen in der Form oder Tiefe der Sulci, wie sie etwa bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Demenz auftreten, können wichtige diagnostische Hinweise liefern.
Neurologische Erkrankungen
Mit ihren Forschungsergebnissen haben die Wissenschaftler nicht nur eine der ältesten Fragen der Hirnforschung beantwortet, sondern tragen laut Claus Hilgetag auch zum Verständnis bestimmter Krankheitsbilder bei: Ich glaube es ist ganz wichtig, dass wir eine systematische experimentelle Bestätigung geliefert haben für die Hypothese, die es schon seit einiger Zeit gab: dass eben die Verbindungsstruktur der Nerverfasern und die Gestalt des Gehirns zusammenhängen. Das ist deswegen wichtig, weil Bild gebende Untersuchungen in den letzten Jahren gezeigt haben, dass es systematische Abweichungen gibt zwischen den Gehirnen von Normalprobanden und bestimmten Patientengruppen, zum Beispiel Patienten mit Krankheiten wie Autismus oder Schizophrenie. Bei denen zeigen sich systematische Abweichungen der Lage und der Gestalt der Gehirnwindungen. Und bisher wusste man nicht genau, auf welchen Mechanismus das zurück zu führen ist.
Neurochirurgie
In der Neurochirurgie dienen Sulci als wichtige Orientierungspunkte. Chirurgen nutzen sie, um funktionell kritische Areale zu identifizieren und möglichst schonend zu operieren. Darüber hinaus gibt es angeborene Anomalien der Sulci, die als Hinweis auf Entwicklungsstörungen dienen können. Ein Beispiel ist die Polymikrogyrie, bei der die Hirnfurchen übermäßig klein und zahlreich sind.
Alzheimer-Demenz
Bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Demenz zeigt sich häufig eine deutliche Erweiterung der Sulci, insbesondere in den Temporallappen. Diese Veränderungen entstehen durch den Verlust von Nervenzellen und das Schrumpfen der Großhirnrinde.
Verletzungen und Anomalien
Auch bei traumatischen Hirnverletzungen können Sulci eine Rolle spielen. Darüber hinaus gibt es angeborene Anomalien der Sulci, die als Hinweis auf Entwicklungsstörungen dienen können. Ein Beispiel ist die Polymikrogyrie, bei der die Hirnfurchen übermäßig klein und zahlreich sind.
Forschung zur Mechanik des Gehirns
Dr. Silvia Budday will diesen Falten, also der Mechanik, des menschlichen Gehirns auf den Grund gehen. Wie reagiert Gehirnmasse, wenn an ihr gezogen oder sie gedrückt wird? Um herauszufinden, wie sich das Gehirngewebe mechanisch verhält, testet Dr. Silvia Budday totes Gehirngewebe, entweder Gehirnspenden von der Anatomie oder Schweinegehirne vom Schlachter. Die Gehirne untersucht sie dann stückchenweise, indem sie die einzelnen Stückchen einspannt und verformt. Dabei muss Silvia Budday extrem vorsichtig vorgehen, denn das Gehirngewebe ist sehr weich, komplex und es verhält sich je nach Belastungsmodus anders. Buddays Ziel ist es, 3D-Computer-Modelle des Gehirns zu erstellen. Diese Modelle setzen sich aus kleinen Würfeln zusammen, die die verschiedenen Gehirnareale repräsentieren. Es ist dann möglich, die Mechanik einzelner Würfel, also einzelner Gehirnareale, zu betrachten.
Anwendung in der Medizin
Auch bei der Diagnose von Krankheiten könnten Dr. Buddays Gehirnmodelle Anwendung finden. Durch einige Erkrankungen wie Epilepsie oder Schizophrenie verändern sich die mechanischen Eigenschaften des Gehirns. Wenn sich die Struktur ändert, nimmt das auch Einfluss auf die Funktion. Bei vielen Erkrankungen zeigen sich die Symptome jedoch erst, wenn es zu spät ist. Mithilfe der Modelle könnten sie früher erkannt werden.
Das Gehirn als vernetztes System
Im Gehirn dreht sich alles um die Vernetzung von Neuronen: Aufsteigende und absteigende Informationen müssen von einer Nervenzelle an die nächste weitergegeben werden, auch wenn diese sich in einem ganz anderen Hirnareal befindet. Man kann das Gehirn unter dem vernetzten Gesichtspunkt auch als „small world“ betrachten, in der jedes Neuron mit jedem beliebigen anderen über nur wenige Zwischenschritte verknüpft ist. Bei dieser Verknüpfung lassen sich im Cortex funktionell drei Arten von Fasern unterscheiden: Der Balken besteht aus Kommissurenfasern - sie verbinden beide Hemisphären miteinander. Neben dem Balken gibt es noch andere Kommissuren, wie die Commissura anterior, Commissura posterior und den Fornix. Projektionsfasern verbinden den Cortex mit subcorticalen Bereichen, wie z. B. dem Thalamus oder dem Hirnstamm. Eine der prominentesten Faserbahnen ist z. B. die Capsula interna.
Der Corpus callosum: Die Brücke zwischen den Hemisphären
Der Corpus callosum ist zur Verbindung der beiden Hemisphären das wichtigste Bahnsystem. Es trägt etwa 200 Millionen Fasern, die den Informationsaustausch ermöglichen. Die Fasern selbst bestehen aus den Axonen der Pyramidenzellen eines Cortexareals und verbinden dieses mit dem entsprechenden Areal der anderen Hemisphäre. Die Kommissurenfasern dienen zur Übertragung von Impulsen auf die jeweils andere Gehirnhälfte.