Die Funktion des präfrontalen Cortex (PFC)

Der präfrontale Cortex (PFC), auch Stirnhirn genannt, ist der vorderste Bereich des Frontallappens und gilt als eine der wichtigsten Strukturen im Gehirn, wenn es darum geht, was den Menschen ausmacht. Er ist maßgeblich an höheren kognitiven Funktionen wie Aufmerksamkeit, Denken, Entscheidungsprozessen und Planung beteiligt und wird oft als der Sitz der Persönlichkeit angesehen. Viele Fachleute bezeichnen ihn als den Regisseur im Gehirn, als Träger unserer Kultur und überhäufen ihn mit weiteren Superlativen.

Anatomische Grundlagen

Lage und Struktur

Der Frontallappen ist die größte Hirnstruktur des Menschen und nimmt den gesamten vorderen Teil des Cortex bis zur Zentralfurche ein. Der PFC ist der vorderste Bereich des Frontallappens, der sich vor dem motorischen und prämotorischen Cortex befindet. Der Begriff „Frontal“ leitet sich von dem lateinischen Wort „frons“ ab, das „Stirn“ bedeutet. Der präfrontale Cortex (PFC) ist also „der Cortex, der vor der Stirn liegt“. Dies stimmt natürlich nicht ganz, denn vor der Stirn liegt dieser Cortex natürlich nicht!

Die Rinde des Großhirns - der Cortex cerebri - bedeckt fast das gesamte von außen sichtbare Gehirn. Sie ist stark gefaltet und durchzogen von zahlreichen Furchen, wodurch voneinander abgrenzbare Bereiche entstehen. Jede Großhirnhälfte (Hemisphäre) gliedert sich in vier von außen sichtbaren Lappen, die Lobi: den Stirnlappen (Frontallappen), Scheitellappen (Parietallappen), Schläfenlappen (Temporallappen) und Hinterhauptslappen (Okzipitallappen). Hinzu kommt der Insellappen (Lobus insularis), der tief in der seitlichen Großhirnfurche verborgen liegt und von außen nicht sichtbar ist. Etwa 90 Prozent des Cortex bestehen aus dem evolutionär jungen Neocortex, der durchgehend aus sechs Zellschichten aufgebaut ist.

Funktionelle Unterteilung

Innerhalb des PFC lassen sich verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen - allerdings auch überlappenden - Funktionen unterscheiden:

• Dorsolateraler PFC (DLPFC): Dieser Bereich, der - salopp gesagt - oben außen liegt, ist vor allem für das Arbeitsgedächtnis, das Geschichts- und Zukunftsbewusstsein sowie die Handlungsplanung und das Voraussehen der Folgen einer Handlung (Antizipation) zuständig.
• Ventrolateraler PFC (VLPFC): Dieser Bereich, der darunter zum Bauch hin liegt, spielt eine Rolle bei der gerichteten Aufmerksamkeit und der Unterdrückung von Störungen.
• Dorsomedialer PFC (DMPFC): Dieser Bereich, der oben innen, also an der medialen Seite des PFC liegt, ist an der Verarbeitung von Emotionen und der Steuerung des Sozialverhaltens beteiligt.
• Orbitaler PFC (OFC): Dieser Bereich, der - wie sein Name sagt - den Augenhöhlen aufliegt, wird auch als orbitofrontaler Cortex oder ventraler PFC bezeichnet. Er ist ebenfalls für das Sozialverhalten zuständig und übt eine Kontrolle auf andere Hirnbereiche aus, um gegebenenfalls für die soziale Situation unpassende Handlungen zu unterdrücken. Damit übernimmt er auch die Kontrolle über Aggression und soziale Annäherung. Er führt visuelle und somatosensorische Informationen zusammen, um ein Gesamtbild der Situation zu generieren, aus der heraus Verhalten bestimmt wird. Manche Autoren teilen vom orbitalen PFC das ganz vorn gelegene Gebiet als frontomedialen, frontopolaren oder anterioren PFC ab.

Vernetzung

Der PFC ist mit nahezu allen anderen Gehirngebieten direkt oder indirekt verbunden und kann aktivierend oder hemmend auf sie einwirken. Von fast allen sensorischen Assoziationscortices wird der PFC informiert, dazu vom Hypothalamus, den Raphe-Kernen, dem ventralen Tegmentum. Wechselseitig ist er verbunden mit dem Septum, der Amygdala, dem Nucleus caudatus und der Pons. Eine prominente Faserverbindung führt zudem zum primären motorischen Cortex.

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Entwicklung des PFC

Die Reifung des PFC ist ein sehr langer Prozess, der sich bis ins frühe Erwachsenenalter hineinzieht. Die Axone von Nervenzellen unternehmen lange Reisen bis in den PFC und erreichen ihre volle Innervationsdichte dort erst im Alter von 18-20 Jahren. Dadurch ist der PFC in den Jahren davor überaus plastisch, d.h. veränderbar. Dies hat den Vorteil, dass er sehr lernfähig ist. So kann sich ein Kind oder Jugendlicher den sozialen Regeln und Verhaltensweisen in seinem Umfeld anpassen und als Erwachsener ein passendes Sozialverhalten an den Tag legen.

Bei Kindern von drei bis sechs Jahren kommt es insbesondere in den frontokortikalen Hirnbereichen, welche die Planung und Organisation von Handlungen sowie die Konzentrationsfähigkeit auf bestimmte Aufgaben steuern, zu einer deutlichen Volumenzunahme. Bei Jugendlichen von sechs bis zwölf Jahren lässt sich insbesondere eine verstärkte Ausformung und Vergrößerung in solchen kortikalen Regionen nachweisen, die eine besondere Bedeutung für räumliches Vorstellungsvermögen, und abstraktes Denken besitzen. Kurz vor der Pubertät kommt es dann zu einer zweiten Phase des weiteren Ausbaus neuronaler Verschaltungen im frontalen Kortex, der erneut mit einer messbaren Volumenzunahme einhergeht. Eine weitere Umstrukturierungsphase beginnt nach der Pubertät. Das alles heißt, dass nicht nur die frühe Kindheit, sondern die gesamte Jugendphase eine entscheidende Entwicklungsphase darstellt, in der das Gehirn durch die Art seiner Nutzung gewissermaßen "programmiert" wird. Das Ausmaß und die Art der Vernetzung neuronaler Verschaltungen, insbesondere im frontalen Kortex, hängt also ganz entscheidend davon ab, womit sich Kinder und Jugendliche besonders intensiv beschäftigen, zu welcher Art der Benutzung ihres Gehirns sie im Verlauf des Erziehungs- und Sozialisationsprozesses angeregt werden.

Funktionen des PFC

Der PFC ist an einer Vielzahl von kognitiven, emotionalen und sozialen Funktionen beteiligt. Dazu gehören:

• Exekutive Funktionen: Der präfrontale Bereich ist massiv vernetzt und wird gemeinhin mit den exekutiven Funktionen assoziiert. Dazu gehören eine gerichtete Aufmerksamkeit - die Störendes auch unterdrücken kann -, die Organisation komplexer Handlungen als Ablauf von Einzelschritten, die Planung - auch die zeitliche Planung in Form einer sinnvollen Reihenfolge -, die fortlaufende Überwachung und Funktionen des Arbeitsgedächtnisses. All diese Aspekte betreffen primär den dorsolateralen PFC Orbitofrontal werden zudem die emotionalen und motivationalen Aspekte einer Entscheidung verhandelt.
  • Arbeitsgedächtnis: Ein gutes Arbeitsgedächtnis. Das bedeutet, dass sich die Kinder Regeln merken oder eine Aufgabe selbstständig erledigen können.
  • Impulskontrolle: Das ist kurz gesagt die Fähigkeit, erst „zu denken, dann zu handeln“, also spontanen Impulsen zu widerstehen.
  • Geistige Flexibilität: So nennt man die Fähigkeit, eine Situation aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten und sich auf neue Anforderungen schnell einzustellen.
• Persönlichkeit und Charakter: Damit spielt er für Persönlichkeit und Charakter eine tragende Rolle.
• Sozialverhalten: Der PFC ist für das Sozialverhalten zuständig. Er übt eine Kontrolle auf andere Hirnbereiche aus, um gegebenenfalls für die soziale Situation unpassende Handlungen zu unterdrücken (z.B. Aufspringen usw.). Damit übernimmt er auch die Kontrolle über Aggression und soziale Annäherung.
• Emotionale Regulation: Der PFC spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung von Gedanken, Gefühlen und Emotionen und ist Sitz des motorischen Sprachzentrums. Dank ihm können wir die Konsequenzen einer Handlung voraussehen, die Zukunft planen und uns längerfristig auf eine bestimmte Sache konzentrieren.

Auswirkungen von Schädigungen des PFC

Angesichts dieser verantwortungsvollen Aufgaben müssten die Symptome bei Schädigung des PFC massiv sein. Das bestätigt einer der bekanntesten Patienten der Hirnforschung - der Amerikaner Phineas Gage. Er war Vorarbeiter bei der Eisenbahn, als ihn 1848 ein fürchterlicher Unfall ereilte: Eine fünf Zentimeter dicke Eisenstange schoss ihm durch die linke Wange und trat oben rechts am Schädel wieder aus. Der gesamte PFC war schwer geschädigt und im Grunde war es ein Wunder, dass Gage nicht nur den Unfall, sondern auch die Infektionen danach überlebte. Doch seine Persönlichkeit hatte sich, wie sein damaliger Arzt John D. Harlow festhielt, dramatisch verändert: War er vorher als freundlich und zuverlässig bekannt gewesen, wurde Gage nach dem Unfall rechthaberisch, impulsiv und teilweise unflätig. Auch war er nicht in der Lage, vernünftig zu planen und daher sehr unzuverlässig.

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.

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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.

Der PFC im Kontext des Gehirns

Zusammenspiel mit anderen Hirnregionen

Der PFC ist eng mit anderen Hirnregionen verbunden und arbeitet mit diesen zusammen, um komplexe Aufgaben zu bewältigen. So erhält er beispielsweise Informationen aus den sensorischen Arealen, dem limbischen System und dem motorischen Cortex.

Das limbische System, ein evolutionär sehr alter Bereich unseres Gehirns. Wichtig für das limbische System und mit ihm eng verbunden sind der Hypothalamus, das Steuerzentrum für Hormone, und der Thalamus, das Tor zum Bewusstsein. Ein passender Name, denn der Thalamus fungiert als Filter. Dort entscheidet sich, welche Informationen - also das, was wir sehen, hören oder fühlen - zur Großhirnrinde weitergeleitet werden und ins Bewusstsein rücken.

Einfluss des Stammhirns

Was geschieht, wenn das Stammhirn dem Großhirn dazwischenfunkt? Wir neigen dazu, alles quantifizieren zu wollen, doch bei den wichtigen Dingen, ist genau das nicht möglich. Unser uraltes instinktives Selbsterhaltungsprogramm sorgt naturgegebener maßen dafür, dass wir mit Aggression und Kampf auf unsere vermeintlichen Feinde reagieren. Wenn Sie jetzt denken, dass wir doch längst die Voraussetzungen eines zivilisierten und humanen Wesens mitbringen, haben Sie natürlich Recht. Dennoch überlagert, besonders in Stresssituationen, unser Stammhirn jene Gesinnung, aus der unsere Handlungen entstehen. Der älteste Teil unseres Gehirns - der Hirnstamm (Stammhirn) - hat sich im Laufe der Evolution schon vor ca. 500 Millionen Jahren entwickelt. Sie kennen den Ausdruck Stammhirn möglicherweise auch als »Reptilien- oder Krokodilhirn«. Im Laufe der Evolution entwickelten sich in unserem menschlichen System neue Gehirnareale, die die Regie, anstelle des Stammhirns hätten übernehmen sollen.

Bedeutung für Lernen und Entwicklung

Wissenschaftler gehen davon aus, dass den exekutiven Funktionen eine Schlüsselrolle sowohl hinsichtlich des Lern- und Schulerfolges als auch in Bezug auf die sozial-emotionale Entwicklung zukommt. Wer sein angestrebtes Ziel nicht aus den Augen verliert, flexibel reagiert und sich nicht allzu leicht ablenken lässt, lernt erfolgreicher. Wer in der Lage ist, die eigenen Wünsche und Bedürfnisse auch mal hintanzustellen, andere Meinungen zu akzeptieren und sein Verhalten bei Frust zu kontrollieren, kommt in sozialen Situationen besser zurecht. Daher sind die exekutiven Funktionen auch für die pädagogische Praxis interessant.

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Wie lässt sich nun eine Verbesserung all jener Kompetenzen erreichen, die neben dem später in der Schule erworbenen Wissen entscheidend dafür sind, ob und wie junge Menschen die Herausforderungen annehmen und meistern können, die sich in ihrer weiteren Ausbildung und im späteren Berufsleben stellen? Das Fatale daran ist: Diese Kompetenzen lassen sich nicht unterrichten. Das gilt insbesondere für die sogenannten komplexen Fähigkeiten wie vorausschauend zu denken und zu handeln (strategische Kompetenz), komplexe Probleme zu durchschauen (Problemlösungskompetenz) und die Folgen des eigenen Handelns abzuschätzen (Handlungskompetenz, Umsicht), die Aufmerksamkeit auf die Lösung eines bestimmten Problems zu fokussieren und sich dabei entsprechend zu konzentrieren (Motivation, Konzentrationsfähigkeit), Fehler und Fehlentwicklungen bei der Suche nach einer Lösung rechtzeitig erkennen und korrigieren zu können (Einsichtsfähigkeit, Flexibilität) und sich bei der Lösung von Aufgaben nicht von aufkommenden anderen Bedürfnissen überwältigen zu lassen (Frustrationstoleranz, Impulskontrolle).

Verankert werden diese Metakompetenzen in Form komplexer Verschaltungsmuster in einer Hirnregion, die sich im vorderen Großhirnbereich befindet: im Stirnlappen, dem präfrontalen Kortex. Die in anderen Hirnregionen gespeicherten Gedächtnisinhalte werden in diesen Netzwerken des präfrontalen Kortex zu einem Gesamtbild zusammengefügt und mit den in tiefer liegenden subkortikalen Hirnbereichen generierten Signalmustern verglichen. Die so erhaltenen Informationen werden für alle bewussten Entscheidungsprozesse und zur Modifikation bestimmter Verhaltensweisen genutzt. Je nach Erfahrungsschatz und individueller Ausprägung dieser Kontrollfunktionen können verschiedene Menschen ihr Verhalten in einer Situation, die Initiative erfordert, unterschiedlich gut steuern.

Als diejenige Region des menschlichen Gehirns, die sich am langsamsten ausbildet, ist der präfrontale Kortex in seiner Entwicklung auch in besonders hohem Maße durch das soziale Umfeld beeinflussbar. Die dort angelegten neuronalen und synaptischen Verschaltungsmuster werden nicht durch genetische Programme, sondern durch eigene Erfahrungen herausgeformt. Die Fähigkeit oder Unfähigkeit, sich erfolgreich Herausforderungen zu stellen, ist also keineswegs angeboren oder gar zufällig. Wie gut die Ausformung der genannten Metakompetenzen gelingt, liegt somit in der Hand derer, die das Umfeld eines jungen Menschen gestalten und mit ihm in einer emotionalen Beziehung stehen.

All das Wissen, die Erfahrungen, Fähigkeiten und Fertigkeiten, also all das, was Menschen der verschiedensten Kulturkreise hilft, sich in der Welt zurechtzufinden, muss von anderen Menschen übernommen werden. Keine dieser kulturspezifischen Leistungen ist angeboren.

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