Histologie der Großhirnrindenschichten: Ein umfassender Überblick

Die Großhirnrinde, auch zerebraler Kortex genannt, ist der größte und am weitesten entwickelte Teil des menschlichen Gehirns und des zentralen Nervensystems (ZNS). Sie nimmt den oberen Teil der Schädelhöhle ein und besteht aus vier Lappen, die in zwei Hemisphären unterteilt sind, welche zentral durch das Corpus callosum verbunden sind. Die Rinde enthält erkennbare Gyri (Windungen), die durch Sulci (Furchen) getrennt sind. Die Großhirnrinde ist essentiell für das bewusste Erleben von Sinnesreizen und die Planung komplexer Aufgaben und Prozesse.

Einführung

Die Großhirnrinde ermöglicht das Bewusstsein und viele anspruchsvolle kognitive Funktionen - aber auch die Sensorik und die Motorik werden hier verarbeitet und generiert. Der überwiegende, entwicklungsgeschichtlich junge Teil ist der Neokortex. Er hat einen typischen, sechsschichtigen Aufbau, der im Folgenden besprochen wird. Zudem wird der Aufbau des Allokortex gestreift. Dieser ist entwicklungsgeschichtlich älter und hat 3-4 bzw. 5 Schichten.

Die Großhirnrinde ist 3-4 mm dick und enthält ca. 20 Milliarden Neurone sowie ca. ein Vielfaches an Gliazellen.

Die Lappen der Großhirnrinde

Die Großhirnrinde ist in vier Lappen unterteilt:

• Frontallappen: Der Anteil am weitesten anterior/superior des supratentoriellen Gehirns. Er ist maßgeblich an der motorischen Erzeugung von Sprache beteiligt, insbesondere durch das Broca-Areal, ein Areal des präfrontalen Cortex (Großhirnrinde), das sich meist in der linken Hemisphäre befindet. Der laterale Frontallappen wird durch die A. cerebri media (MCA) versorgt, der mediale/superiore Frontallappen durch die A. cerebri anterior (ACA). Die hinterste Struktur des Frontallappens ist der primäre motorische Kortex.
• Parietallappen: Liegt posterior zum Frontallappen und superior zum Okzipitallappen. Er ist an Prozessen der Empfindung und des Sprachverständnisses beteiligt. Medial wird er durch die A. cerebri anterior (ACA) versorgt, posterior durch die A. cerebri posterior (PCA). Er empfängt kontralateralen somatosensorischen Input vom ventralen Ncl. posteromedialis und dem ventralen Ncl. posterolateralis des Thalamus. Die vorderste Region des Parietallappens markiert der primäre somatosensorische Kortex.
• Okzipitallappen: Der am weitesten posterior gelegene Lappen des supratentoriellen Gehirns. Er ist für die visuelle Verarbeitung zuständig und wird durch die A. cerebri posterior (PCA) versorgt. Hier befindet sich der primäre visuelle Kortex in der hintersten Region des Gehirns.
• Temporallappen: Der anteriore/inferiore Anteil des supratentoriellen Gehirns. Er ist an auditorischen Funktionen, Gedächtnis und einigen Aspekten des Sprachverständnisses beteiligt. Äste der Aa. cerebri media (MCA) und cerebri posterior (PCA) versorgen ihn. Hier befindet sich der primäre auditive Kortex.

Zelluläre Architektur: Brodmann-Areale

Der Neuroanatom Korbinian Brodmann teilte bereits 1909 die Großhirnrinde (Cortex) in unterschiedliche Felder ein. Dabei ging er nach histologischen Kriterien vor - er unterschied diese Felder aufgrund ihres Zellaufbaus. Brodmanns Hirnkarte war nicht nur ein anatomisches Meisterstück, sondern auch mit der Vision verbunden, dass die Forschung eines Tages vollständigen Zugriff auf die intellektuelle und psychische Natur des Menschen haben würde.

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Brodmanns Karte ist auch deshalb so brisant, weil sie einen uralten Streit zu entscheiden hilft, ob das Gehirn, insbesondere die Hirnrinde, bei bestimmten Aufgaben wirklich lokal spezifisch an bestimmten Stellen reagiert oder ob die Leistung eine Leistung der gesamten Hirnrinde ist. Brodmann lag mit seiner Hirnkarte in der Tendenz richtig.

Die Jülicher Forscher geben nur noch Wahrscheinlichkeiten dafür an, wo ein bestimmtes Areal gefunden werden kann. Dabei orientieren sie sich an so genannten Voxels, an winzig kleinen Raumeinheiten, in die man das Gehirn aufteilt. Das Gehirn wird so als flexibles Organ kartographiert, das sich auch verändern kann. Die Karte vom Gehirn wird dynamisch.

Die Schichten des Neokortex

Der Neokortex, auch Isokortex genannt, stellt den größten Teil der Großhirnrinde dar und ist für höhere kognitive Fähigkeiten zuständig. Er zeichnet sich durch eine sechsschichtige Struktur aus, die von der Oberfläche bis zur Tiefe nummeriert wird:

• Schicht I: Lamina molecularis (Molekularschicht): Die oberflächlichste Schicht, die reich an Nervenfasern und Gliazellen ist. Sie enthält wenige Neuronen, hauptsächlich Cajal-Retzius-Zellen und Interneurone.
• Schicht II: Lamina granularis externa (Äußere Körnerschicht): Diese Schicht ist dicht gepackt mit kleinen, granulären Neuronen, den sogenannten Körnerzellen, und einigen Interneuronen.
• Schicht III: Lamina pyramidalis externa (Äußere Pyramidenschicht): Dominiert von kleinen bis mittelgroßen Pyramidenzellen, die apikale Dendriten in Richtung der Molekularschicht senden. Diese Schicht ist wichtig für interkortikale Verbindungen.
• Schicht IV: Lamina granularis interna (Innere Körnerschicht): Empfängt den Großteil des thalamokortikalen Inputs und enthält verschiedene Neuronentypen, darunter Sternzellen und Interneurone.
• Schicht V: Lamina pyramidalis interna (Innere Pyramidenschicht): Enthält die größten Pyramidenzellen des Kortex, einschließlich der Betz’schen Riesenzellen im primären motorischen Kortex. Diese Schicht projiziert zu subkortikalen Strukturen wie den Basalganglien, dem Hirnstamm und dem Rückenmark.
• Schicht VI: Lamina multiformis (Polymorphe Schicht): Die tiefste Schicht des Kortex, die eine heterogene Population von Neuronen und Gliazellen enthält. Neurone dieser Schicht projizieren hauptsächlich zum Thalamus.

Der Allokortex: Archikortex und Paläokortex

Der Allokortex macht nur einen geringen Teil der Großhirnrinde aus. Er beinhaltet den Paleokortex (am ältesten) und den Archikortex (am zweitältesten). Der Paleokortex beinhaltet den Bulbus und Tractus olfactorius sowie den Kortexbereich der Hirnbasis. Funktionell ist ihm das Riechhirn zugeordnet. Der Archikortex beinhaltet den Hippocampus.

Der Hippocampus als Beispiel für den Archikortex

Der Hippocampus ist eine unverzichtbare Struktur im menschlichen Gehirn, die von der Form her an ein Seepferdchen oder sogar eine Biskuitrolle erinnert. Als zentraler Bestandteil des limbischen Systems ist er neben der Regulation von Emotionen und Verhalten auch für Lernprozesse verantwortlich.

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Der Hippocampus befindet sich an der medialen Seite des unteren Temporallappens und bildet hier zudem die Wand des Unterhorns des Seitenventrikels. Der Name “Hippocampus” stammt dabei aus dem Griechischen und bedeutet “Seepferdchen”, da die Form des Hippocampus an ein Seepferdchen erinnert.

Am distalen “Schwanzende” (um auf die Seepferdchen-Analogie zurückzugreifen) findet man makroskopisch zehenähnliche Vorwölbungen (“Digitationes hippocampi”), welche dem Hippocampus eine tatzenähnliche Form verleihen. Aufgrund der gezahnten Struktur bezeichnet man dieses distale Stück auch als “Gyrus dentatus”. Direkt daran anschließend befindet sich zudem das Ammonshorn (“Cornu ammonis”). Beide Strukturen werden im engeren Sinne dem Hippocampus zugerechnet.

Der Gyrus dentatus ist einer der wenigen Orte im Zentralen Nervensystem, wo man auch noch beim Erwachsenen neuronale Stammzellen nachweisen kann. Die wichtigsten Zuflüsse (Afferenzen) erreichen den Hippocampus über ein Nervenbündel namens “Tractus perforans”. Der Tractus perforans kommt aus der Area entorhinalis und enthält Impulse aus diversen anderen Hirnbereichen, darunter beispielsweise Riechhirn und Thalamus. Efferenzen vom Hippocampus verlaufen ausgehend vom Subiculum hauptsächlich über den Fornix cerebri, welcher zu den Mamillarkörpern zieht. Somit bildet der Hippocampus eine wichtige Struktur innerhalb des sogenannten “Papez-Neuronenkreis”.

Der Gyrus dentatus setzt sich aus drei Schichten zusammen. Dahingegen kann man das Cornu ammonis histologisch nochmals in vier verschiedene Bereiche unterteilen, die von “CA1” bis “CA4” durchnummeriert werden.

Eine seiner Hauptfunktionen besteht darin, episodische Erinnerungen zu verarbeiten und zu konsolidieren. Darüber hinaus spielt der Hippocampus eine wichtige Rolle bei der räumlichen Orientierung und dem Navigationsverhalten. Er hilft dabei, mentale Landkarten der Umgebung zu erstellen und ermöglicht dadurch eine adäquate Orientierung in der Umwelt. Der Hippocampus ist schließlich auch an der Regulation von Emotionen beteiligt.

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Führt man sich die vielfältigen und komplexen Funktionen nochmals vor Augen, so wird klar, dass Ausfälle im Bereich des Hippocampus schwere kognitive Beeinträchtigungen nach sich ziehen können. Bei Verlust von Nervenzellen in diesem Gebiet können Informationen nicht mehr vom Kurz- in das Langzeitgedächtnis übertragen werden. Daneben steht der Hippocampus womöglich auch mit weiteren Erkrankungen in Zusammenhang. Beispielsweise gibt es gewisse Formen der Epilepsie, wobei Anfälle durch Spontanentladungen in hippocampalen Neuronen ausgelöst werden.

Neurohistologische Methoden zur Untersuchung der Großhirnrinde

Die Untersuchung der Großhirnrinde erfordert verschiedene neurohistologische Methoden, die es ermöglichen, die zelluläre Architektur, die Faserverbindungen und die Neurotransmitter-Rezeptoren zu visualisieren.

Vorbereitung des Gewebes

Für die histologische Untersuchung ist eine sorgfältige Vorbereitung des Gewebes entscheidend. Dazu gehören:

1. Fixierung: Die Fixierung dient dazu, das Gewebe zu stabilisieren und den Autolyseprozess zu stoppen. Ein gängiges Fixiermittel ist Formaldehyd (Formalin). Das frische Schweinegehirn ist sehr zerfließlich weshalb es vorsichtig angefasst werden muss um keine Strukturen zu zerstören. Die Hemisphären werden in ein großes Kunststoffgefäß gelegt und mit 8% Formalin in 0,9 NaCl in 20% Ethanol übergossen. Das Formalingemisch sollte je nach Menge des Schweinegehirns ca. 2-mal gewechselt werden alle 24 Stunden. Die Gesamtfixierzeit betrug 3 Tage um ein ausreichendes Eindringen des Formalins zur gewährleisten. Dabei härtet das Gewebe aus und kann später leichter verwendet werden. Im Anschluss wurde das Formalin durch 40% Ethanol ersetzt. Das Ganze wurde mehrmals ausgewaschen, sodass nach 2 Tagen und 2 Wechsel mit 40% Ethanol das meiste Formalin aus dem Gewebe entfernt werden konnte und bereits eine milde Vorentwässerung erreicht wurde.
2. Entwässerung: Um das Gewebe für die Einbettung in Paraffin vorzubereiten, muss das Wasser entfernt werden. Dies geschieht durch eine aufsteigende Alkoholreihe (z.B. Ethanol oder Isopropanol). Im Anschluss erfolgte das 2-malige Auswaschen mit 80% Isopropanol nach jeweils 24 Stunden. Dadurch lässt sich eine schrittweise Entwässerung erzielen, das Formaldehyd wird Großteils ausgewaschen und das Gewebe ist bereits teilweise etwas Entwässert. Die Gewebsstücke können auch im 80% Isopropanol für lange Zeit aufbewahrt werden. Bei Aufbewahrung in 100% Isopropanol/Ethanol härtet das Gewebe zu stark aus und kann nach einiger Zeit nicht mehr bzw. schlechter verarbeitet werden. Isopropanol ist zur Lagerung Ethanol generell vorzuziehen, da es zu einer geringeren Härtung führt. Die Entwässerung wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Dazu müssen die einzelnen Schritte länger erfolgen, pro Alkoholstufe ca. 3 Stunden, im Ethanol 96% und Isopropanol und n-Butanol jeweils 4 Stunden mit je 2x Wechsel. Das langsamere Entwässern bei Raumtemperatur hat bei ZNS Gewebe den Vorteil weniger Schrumpfungsartefakte zu verursachen, insbesondere im Kleinhirn. In allen Schritten und Lösungen darf ausschließlich destilliertes Wasser verwendet werden!
3. Einbettung: Das entwässerte Gewebe wird in Paraffin eingebettet, um es zu stabilisieren und das Schneiden dünner Schnitte zu ermöglichen. Das Paraffin wird bei ca. 55°C 3-mal gewechselt, die ersten 2 Stufen zu 6 Stunden, die letzte Paraffinstufe zu 12 Stunden. Im Anschluss kann ausgegossen und ausgehärtet werden und Paraffinblöcken angefertigt werden. und kann auch Jahre später noch problemlos weiterverarbeitet werden.
4. Schneiden: Mit einem Mikrotom werden dünne Schnitte (ca. 8-10 µm) vom Paraffinblock angefertigt. Im Anschluss werden ca. 8-10 µm dünne Schnitte (nicht zu dünn da sonst die Fasersysteme nicht so gut abgebildet werden) angefertigt und auf Glycerin-Gelatine beschichtete Objektträger (am unteren Ende!) aufgelegt, mit einer Pipette vorsichtig mit etwas destilliertem Wasser unterspritzt, sodass der gesamte Paraffinschnitt von Wasser umgeben ist (aber nicht zu viel) und im Anschluss auf der ca. 48°C warmen Wärmplatte vorsichtig aber vollständig gestreckt. Schnitte durch ZNS Strukturen gelingen in aller Regel vollkommen problemlos. Das Paraffin der Schnitte sollte beim Strecken glasig werden aber nicht schmelzen da es sonst zu Zerreißungen kommen kann. Das ZNS Gewebe hält zwar gut zusammen aber vor allem bei den Schnitten im Cerebellum und Hippocampus können sich relativ einfach Risse bilden und die Strukturen zerfließen. Die Objektträger werden dann schräg gestellt sodass überschüssiges Wasser ablaufen kann, Luft getrocknet und sind nach ca. 6 Stunden zur weiteren Verarbeitung bereit.
5. Entparaffinieren: Vor der Färbung muss das Paraffin entfernt werden. Im Anschluss erfolgten das Entparaffinieren über 2-mal Xylol, 1x n-Butanol, 1x Isopropanol, 1x Ethanol 96%, 1x Ethanol 50% und anschließend dest. Wasser 3-mal gewechselt.

Spezifische Färbemethoden

Verschiedene Färbemethoden werden eingesetzt, um spezifische Strukturen in der Großhirnrinde hervorzuheben:

• Hämatoxylin und Eosin (H&E): Eine Standardfärbung, die Zellkerne blau (Hämatoxylin) und das Zytoplasma rosa (Eosin) färbt.
• Nissl-Färbung: Färbt die Ribosomen im Zytoplasma der Neuronen und ermöglicht die Visualisierung der zellulären Architektur.
• Silberimprägnierung nach Bielschowsky: Diese Färbung dient der Darstellung von Neurofibrillen und Axonen. Es wird eine feuchte Kammer in einer Petrischale vorbereitet. Dazu wird der Boden der Petrischale mit Küchen-/Toilettenpapier ausgelegt und mit dest. Wasser befeuchtet. Der Objektträger wird aus dem dest Wasser genommen und oberhalb des Schnittes wird mit einem alten Paraffinblock eine Grenze gezogen (das verhindert die Ausbreitung und das verlaufen der Silbernitratlösung). Der Objektträger wird im Anschluss so eingelegt, dass er leicht schräg nach unten in Richtung des Schnittes abfällt. Im Anschluss wird der Schnitt mit 20% Silbernitratlösung überschichtet, der gesamte Schnitt soll schön bedeckt sein, verwendet man zu viel, oder liegt der Objektträger zu schräg in der feuchten Kammer besteht die Gefahr, dass das Silbernitrat abläuft. Die Im Voraus gesetzte Paraffinteillinie verhindert ein Verlaufen der Silbernitratlösung nach oben. Im Anschluss wird die Feuchte Kammer geschlossen und mit einem Kartondeckel vollständig lichtgeschützt bedeckt und 3 Stunden an einem erschütterungsfreien Ort stehen gelassen. Im Anschluss wird die Silbernitrat Lösung in ein Reagenzglas abgegossen, der Schnitt zügig (max. kurz eintauchen/wenige Sekunden) durch dest. Wasser gezogen und für 5 Minuten in eine Lösung aus 5ml Formalin 20% - 10 ml Ethanol - 35 ml Wasser eingestellt und vorsichtig hin- und herbewegt (dadurch verhindert man störende Niederschläge ein bisschen), der Schnitt färbt sich jetzt maximal hellbraun. Währenddessen wird die abgekippte Silbernitrat Lösung solange vorsichtig mit Ammoniak Lösung versetzt, sodass sich der Niederschlag gerade wieder auflöst (nimmt man zu wenig erhält man später Niederschläge, nimmt man zu viel misslingt die Färbung oder fällt zu schwach aus). Danach wird der Schnitt kurz in 10% Ethanol eingestellt und abgespült. Danach wird der Schnitt wieder in der feuchten Kammer leicht schräg gelegt und für 2-3 Minuten mit der ammoniakalischen-Silbernitrat Lösung überschichtet. Danach wird der Schnitt kurz durch dest. Wasser gezogen und im Anschluss wieder für 3-5 Minuten die obige Lösung aus 5ml Formalin 20% - 10 ml Isopropanol - 35 ml Wasser eingestellt. Jetzt färbt sich der Schnitt dunkelbraun. I m Anschluss in dest. Wasser für 5 Minuten einstellen und mehrmals wechseln. Überschichten der Schnitte mit einer 0,2% Gold(III)chlorid Lösung für ca. 2 Minuten, die Braunfärbung geht jetzt in ein grau-violett über. Danach kurz mit Aqua dest. Waschen und dann für 5 Minuten in 5% Natriumthiosulfat Lösung einstellen, wieder in Aqua dest. Waschen, mehrmals wechseln und dann über aufsteigende Alkoholreihe über Xylol entwässern und mit Malinol/Histokitt eindecken.
• Silberimprägnation nach Bodian: Ähnlich der Bielschowsky-Färbung, wird diese Methode zur Darstellung von Nervenfasern verwendet. Zur Vorbereitung müssen die Schnitte mind. 12 Stunden in 5% Essigsäure gestellt werden, damit eine Mitfärbung des Bindegewebes verhindert wird. Im Anschluss wird die 1% Bodian Lösung hergestellt, indem das Protargol in einem Becherglas auf 35°C dest. Wasser gestreut wird. Im Dunkeln wartet man bis sich das Pulver abgesetzt und zu einem großen Teil gelöst hat (ca. 10 Minuten). Erst dann darf es geschüttelt oder gerührt werden. Im Anschluss wird die Protargol Lösung in ein Tablettenglas gefüllt und pro 100ml mit ca. 4g metallisches Kupfer in Form von Schnipsel aus einem Kupferkabel zugefügt. Danach werden die Objektträger eingestellt, das Gefäß mit Alufolie lichtdicht verpackt und für 24 Stunden bei 37°C im Wärmeschrank belassen. Im Anschluss werden die Objektträger kurz in dest. Wasser gespült und danach für 10 Minuten in eine Lösung aus 10 ml Formalin 20% - 1g Hydrochinon Lösung - 90 ml Aqua dest. eingestellt. Im Anschluss wird in 3-mal gewechseltem dest. Wasser …
• Weil-Färbung: Ermöglicht die Differenzierung zwischen myelinisierten und unmyelinisierten Fasern.
• Immunhistochemie: Verwendet Antikörper, um spezifische Proteine in den Zellen zu detektieren, wie z.B. Neurotransmitter, Rezeptoren oder zellspezifische Marker.

Mikroskopie

Die gefärbten Schnitte werden unter dem Mikroskop untersucht, um die zelluläre Architektur und die spezifischen Strukturen zu beurteilen. Dabei können verschiedene Mikroskopietechniken eingesetzt werden, wie z.B. Lichtmikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie oder Konfokalmikroskopie.

Funktionelle Aspekte und Konnektivität

Die verschiedenen Areale der Großhirnrinde sind durch komplexe neuronale Netzwerke miteinander verbunden. Diese Verbindungen ermöglichen die Integration von Informationen und die Ausführung komplexer kognitiver Funktionen. Die Konnektivität der Großhirnrinde kann mit verschiedenen Methoden untersucht werden, wie z.B. Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) oder funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT).

Klinische Relevanz

Veränderungen in der Struktur oder Funktion der Großhirnrinde können zu verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen, wie z.B. Alzheimer-Krankheit, Schlaganfall, Epilepsie, Schizophrenie oder Autismus. Die histologische Untersuchung der Großhirnrinde kann wichtige Informationen für die Diagnose und das Verständnis dieser Erkrankungen liefern.

Alzheimer-Krankheit

Bei der Alzheimer-Krankheit kommt es zu einem Verlust von Nervenzellen im Hippocampus und anderen Bereichen der Großhirnrinde. Dies führt zu Gedächtnisverlust, kognitiven Beeinträchtigungen und Verhaltensänderungen. Histopathologisch sind senile Plaques (Ablagerungen von Beta-Amyloid) und neurofibrilläre Tangles (Ansammlungen von Tau-Protein) charakteristisch.

Schlaganfall

Ein Schlaganfall entsteht durch eine Unterbrechung der Blutversorgung des Gehirns, was zu einem Sauerstoffmangel und zum Absterben von Nervenzellen führt. Je nachdem, welcher Bereich der Großhirnrinde betroffen ist, kann es zu verschiedenen neurologischen Ausfällen kommen, wie z.B. Lähmungen, Sprachstörungen oder Sensibilitätsstörungen.

Autismus-Spektrum-Störung

Gravierende Entwicklungsstörung, die sich oft in reduzierten sozialen Fähigkeiten, verminderter Kommunikation und stereotypem Verhalten ausdrückt.

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