Gyri und Sulci: Struktur und Funktion des Gehirns

Das menschliche Gehirn ist eine komplexe Struktur, deren Funktionalität eng mit seiner Anatomie verbunden ist. Gyri (Hirnwindungen) und Sulci (Hirnfurchen) sind charakteristische Merkmale der Großhirnrinde, die eine entscheidende Rolle bei der Organisation und Leistungsfähigkeit des Gehirns spielen.

Sulci: Furchen als funktionelle Architekten

Ein Sulcus, definiert als eine schmale Furche oder Rinne auf der Oberfläche von Organen oder Geweben, ist weit mehr als nur ein anatomisches Merkmal. Sulci prägen nicht nur das Gewebe, sondern schaffen auch zusätzliche Oberfläche und ermöglichen so komplexe Funktionen, insbesondere im zentralen Nervensystem.

Sulci außerhalb des Gehirns

Auch außerhalb des zentralen Nervensystems erfüllen Sulci wesentliche Aufgaben. Im Herzen beispielsweise trennt der Sulcus coronarius die Vorhöfe von den Herzkammern und enthält wichtige Blutgefäße. Solche Rinnen strukturieren nicht nur das Organ, sondern tragen auch zur mechanischen Stabilität und effizienten Funktion bei. Im Bereich des Skelettsystems treten Sulci häufig auf Knochenoberflächen auf, wo sie als Führungskanäle für Sehnen, Nerven oder Blutgefäße dienen. Ein Beispiel ist der Sulcus intertubercularis am Oberarmknochen, durch den die Sehne des Musculus biceps brachii verläuft.

Sulci im Gehirn: Orientierungspunkte und funktionelle Trennung

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. 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.

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.

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Individuelle Unterschiede und Entwicklung 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.

Die Bildung der Sulci ist ein komplexer Prozess, der bereits in der embryonalen Entwicklung beginnt. In der frühen Phase der Gehirnentwicklung ist die Großhirnrinde zunächst glatt. Ab der 20. Schwangerschaftswoche beginnt sie sich zu falten und es entstehen Gyri und Sulci. Dieser Prozess, bekannt als Gyrifizierung, wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Einer der wichtigsten ist das Wachstum der Großhirnrinde, das schneller erfolgt als das Volumen des Schädels. Dieses räumliche Ungleichgewicht führt dazu, dass sich die Oberfläche des Gehirns faltet. Genetische Faktoren spielen hierbei eine zentrale Rolle, da sie die Muster und Tiefe der Sulci bestimmen. Auch Umweltfaktoren können die Entwicklung der Sulci beeinflussen.

Klinische Relevanz der Sulci

Sulci sind nicht nur anatomische Orientierungspunkte, sondern spielen auch in der Diagnostik und Therapie verschiedener Erkrankungen eine wichtige Rolle. 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. Auch bei traumatischen Hirnverletzungen können Sulci eine Rolle spielen. 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.

Gyri: Windungen als Zentren neuronaler Aktivität

Gyri (Windungen) sind die nach außen gewölbten Bereiche der Großhirnrinde, die durch die charakteristische Faltung des Gehirns entstehen. Diese Faltungen bilden eine Kombination aus Gyri und Sulci (Furchen), die es ermöglichen, eine größere Oberfläche im begrenzten Raum des Schädels unterzubringen. Gyri übernehmen eine entscheidende Rolle in der Organisation und Funktion des Gehirns, indem sie als Hotspots für neuronale Aktivität dienen und eine effektive Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen ermöglichen. Bestimmte Gyri sind direkt an höheren kognitiven Funktionen beteiligt, wie Denken, Problemlösen und Entscheidungsfindung.

Entstehung und funktionelle Bedeutung der Gyri

Die Gyri entstehen während der embryonalen Entwicklung durch ein Zusammenspiel von genetischen und mechanischen Faktoren. Bereits im zweiten Trimester beginnt die Großhirnrinde, sich zu falten. Diese Prozesse dienen nicht nur der Maximierung der Hirnoberfläche, sondern fördern auch die Effizienz der neuronalen Netzwerke.

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Die Gyrifizierung steht in engem Zusammenhang mit der funktionellen Organisation des Gehirns. Sulci entstehen oft in Bereichen, in denen verschiedene neuronale Netzwerke aufeinandertreffen. Diese räumliche Trennung ermöglicht eine effizientere Kommunikation und funktionelle Spezialisierung. Daher wird die Bildung der Sulci als ein wichtiger evolutionärer Vorteil angesehen, der das komplexe Denken und die hohe Anpassungsfähigkeit des menschlichen Gehirns unterstützt.

Spezifische Gyri und ihre Funktionen

Die Gyri des Gehirns unterscheiden sich nicht nur in ihrer Funktion, sondern auch in ihrer Lage und Spezialisierung. Jede Region des Gehirns weist charakteristische Hirnwindungen auf, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen:

• Gyrus praecentralis: Dieser Gyrus enthält den primären motorischen Kortex, der für die Ausführung willkürlicher Bewegungen zuständig ist. Dabei wird der Körper somatotop organisiert.
• Gyrus postcentralis: Hier befindet sich der primäre somatosensorische Kortex, der taktile Reize wie Berührung, Schmerz und Temperatur verarbeitet.
• Gyrus frontalis superior: Dieser Gyrus ist an der Kontrolle von Aufmerksamkeit und Arbeitsgedächtnis beteiligt.
• Gyrus frontalis inferior: In seiner linken Hemisphäre befindet sich das Broca-Areal, das essenziell für die Sprachproduktion ist.
• Gyrus temporalis superior: Dieser Gyrus spielt eine zentrale Rolle bei der Verarbeitung von Sprache und auditorischen Signalen. Er arbeitet eng mit anderen Hirnregionen zusammen, um gesprochene Worte zu verstehen.
• Gyrus temporalis medius und inferior: Sie sind für die Verarbeitung visueller und multimodaler Informationen verantwortlich.
• Gyrus fusiformis: Dieser Gyrus ist auf die Gesichtserkennung spezialisiert.
• Gyrus cinguli: Dieser Gyrus ist Teil des limbischen Systems und verbindet kognitive mit emotionalen Prozessen. Er ist unter anderem an der Regulation von Emotionen, der Gedächtnisbildung und der Verarbeitung von Schmerz beteiligt.
• Gyrus parahippocampalis: Diese Struktur ist wichtig für die Bildung des Kurzzeitgedächtnisses.
• Gyrus temporalis medialis und inferior: Diese Strukturen sind wichtig für das Langzeitgedächtnis.
• Uncus: Dieser ist eine wichtige Struktur des olfaktorischen Systems.

Klinische Bedeutung der Gyri

Die Struktur und Funktion der Gyri spielen nicht nur für die normale Gehirnaktivität eine zentrale Rolle, sondern sind auch bei vielen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen von Bedeutung.

• Lissenzephalie: Diese seltene Entwicklungsstörung führt zu einer stark reduzierten oder fehlenden Faltung der Großhirnrinde. Betroffene zeigen oft schwere geistige Behinderungen, epileptische Anfälle und motorische Beeinträchtigungen.
• Polymikrogyrie: Bei dieser Störung bilden sich viele kleine, unregelmäßige Gyri.
• Bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit schrumpfen bestimmte Gyri durch den Verlust von Neuronen und Synapsen.
• Bestimmte psychiatrische Erkrankungen wie Schizophrenie und Depression stehen ebenfalls im Zusammenhang mit Veränderungen in der Gyri-Struktur.

Forschungsmethoden zur Untersuchung der Gyri

Die Gyri stehen im Zentrum der modernen Hirnforschung, da sie zentrale Hinweise zur funktionellen Organisation und den Mechanismen des Gehirns liefern.

• Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI): Diese Methode visualisiert Hirnaktivitäten in Echtzeit, indem sie Veränderungen im Sauerstoffgehalt des Blutes misst.
• Ein weiteres Forschungsfeld beschäftigt sich mit der Plastizität der Gyri. Diese beschreibt die Fähigkeit des Gehirns, sich an Veränderungen anzupassen, etwa nach einer Verletzung. Studien zeigen, dass benachbarte Gyri oft Funktionen übernehmen können, die durch Schädigungen verloren gegangen sind.

Das Großhirn: Zusammenspiel von Gyri, Sulci und anderen Strukturen

Das Großhirn, der größte Teil des menschlichen Gehirns, lässt sich in Kortex (Hirnrinde), Medulla (subkortikales Marklager) und nukleäre Abschnitte (Kerngebiete) unterteilen. Kortex und Kerngebiete des Gehirns bilden als Sitz der Perikaryen von Nervenzellen die graue Substanz. Das Marklager beherbergt v. a. Nervenzellfortsätze, die von Oligodendrozyten mit einer Myelinscheide umgeben werden. Das Marklager tritt dadurch makroskopisch als weiße Substanz in Erscheinung.

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Die Fissura longitudinalis cerebri teilt das Großhirn in zwei symmetrische Hemisphären, welche makroskopisch, jedoch nicht funktionell identisch sind. Die Gyrierung der Hirnrinde führt zu einer starken Oberflächenvergrößerung. Das ausgedehnte Wachstum des Großhirns in der Entwicklung spiegelt sich in der Form des Ventrikelsystems wider. Das Großhirn wird in vier Lappen gegliedert, die durch konstante Sulci begrenzt werden: Frontal-, Parietal-, Temporal- und Okzipitallappen. In der Tiefe des Sulcus lateralis (Sylvische Fissur) befindet sich die Insula, ein ursprünglich oberflächlich gelegenes Rindenareal, das durch Wachstumsprozesse benachbarter Hirnareale (Opercula) überdeckt wird. Das Areal zwischen Sulcus parietooccipitalis und Sulcus calcarinus wird aufgrund seiner keilartigen Form als Cuneus bezeichnet.

Die Großhirnrinde lässt sich in den jüngeren, 6-schichtigen Isokortex und den älteren, 3- bis 5-schichtigen Allokortex unterteilen. Der Isokortex macht mit 92 % den größten Anteil aus. Zum Allokortex werden vereinfacht die Riechrinde und der Hippocampus gezählt. Der 3-schichtige Hippocampus ist Teil des limbischen Systems. Er zeichnet mit seiner Ausbreitung vom rostralen Ende des Balkens bis in den mesialen Temporallappen am Unterhorn des Seitenventrikels ebenfalls das Wachstum der Großhirnhemisphären nach. Die Pyramidenzelle ist das charakteristische Projektionsneuron der Großhirnrinde und ist v. a. in der Lamina III und V des Isokortex lokalisiert. Körnerzellen prägen v. a. die Lamina II und IV. Alle anderen Neurone werden unter dem Begriff Nicht-Pyramidenzellen zusammengefasst.

Zytoarchitektonische Besonderheiten ermöglichen die Einteilung der Großhirnrinde in 44 Areale nach Brodmann (1868-1918). Die individuelle Ausbildung einzelner Areale ergibt eine Nummerierung von 1 bis 57 mit Lücken in der Zählfolge. Die thalamokortikalen Fasern als Input für die primären sensiblen Rindenfelder bedingen eine besonders breite Ausbildung der Lamina IV. In den primären motorischen Rindenfeldern ist sie dagegen eher unterrepräsentiert. In diesen Rindenfeldern steht der Output über die Lamina V im Vordergrund.

Werden morphologische Unterschiede mit funktionellen Analysen gekoppelt, kann der Kortex in primäre Rindenfelder und Assoziationsfelder unterteilt werden. Primäre Rindenfelder sind Gebiete mit strenger somatotoper Gliederung, die motorische Efferenzen oder sensorische Afferenzen für verschiedene Körperteile nicht proportional auf dem Kortex abbilden. Für den primär-motorischen und primär-somatosensorischen Kortex wird die Somatotopie in Form des Homunculus widergespiegelt. Primäre sensible Rindenfelder dienen der ersten kortikalen Verarbeitung und ermöglichen eine bewusste Wahrnehmung. Sekundäre Rindenfelder sind den primären unmittelbar benachbarte, unimodale Assoziationsareale mit gnostischen Funktionen (Erkennen). Tertiäre Rindenfelder dagegen ermöglichen höhere integrative Leistungen durch Projektionen aus verschiedenen Rindenfeldern. Sie können lateralisiert sein. Die Sprache zählt beispielsweise zu den höheren kortikalen Funktionen. Sie wird durch komplexe Verschaltungen mehrerer Assoziationsareale erst möglich.

Das ausgedehnte Wachstum der Großhirnbläschen führt zu einer charakteristischen Ausziehung der Seitenventrikel als Cornu frontale (Vorderhorn), Cornu occipitale (Hinterhorn) und Cornu temporale (Unterhorn). Der Ncl. caudatus (Schweifkern) als Teil der Basalganglien liegt den Seitenventrikeln von lateral an und folgt ihrem Verlauf. Auf diese Weise kommen das Caput nuclei caudati im Frontallappen und das ausgezogene Schweifende (Cauda nuclei caudati) am Dach des Unterhorns im Temporallappen zu liegen. Auf Horizontalschnitten ist der Ncl. caudatus deshalb doppelt angeschnitten. Entwicklungsgeschichtlich waren der Ncl. caudatus und das Putamen (Schalenkern) ein einheitliches Kerngebiet, das durch die Fasern der Capsula interna im dorsalen Bereich getrennt wurde (dorsales Striatum). Die zahlreichen streifenförmigen Zellbrücken zwischen Putamen und Ncl. caudatus haben zu der Bezeichnung Striatum (Streifenkern) geführt.

Die Capsula interna beinhaltet afferente und efferente Faserbindungen der Großhirnrinde. Im basalen Frontallappen befindet sich ein Bereich, in dem beide Kerne noch verbunden sind, der Ncl. accumbens (ventrales Striatum). Zwischen Capsula interna und Putamen liegt der Globus pallidus, dessen inneres und äußeres Segment funktionell verschieden verschaltet sind. Putamen und Globus pallidus (blasser Kern) werden aufgrund ihrer Form auch unter dem Begriff Ncl. lentiformis (Linsenkern) zusammengefasst. Der Thalamus („Schlafgemach“) ist ein großes Kerngebiet, das bilateral des dritten Ventrikels gelegen ist. Trotz ihrer topografischen Nähe zu den Strukturen des Großhirns sind der Globus pallidus und der Thalamus Teile des Diencephalons (Zwischenhirn). Im Temporallappen, rostral vom Hippocampus befindet sich ein affektives Zentrum, das Corpus amygdaloideum (Mandelkern). Das Claustrum ist ein subinsuläres Kerngebiet lateral des Putamens, dessen Funktion nicht geklärt ist.

An der Basis des Frontallappens liegt eine Gruppe von Kernen, die Einfluss auf die Grundaktivität des gesamten Organismus nimmt. Zu ihnen zählen die Ncll. septales (ungerichtete Aufmerksamkeit), der Ncl. accumbens (Belohnungszentrum) und der Ncl. basalis (Meynert, gerichtete Aufmerksamkeit).

Funktionelle Systeme des Gehirns

Die Anteile des zentralen Nervensystems bilden eine funktionelle Einheit. Das Ausmaß einer Läsion kann häufig erst erfasst werden, wenn Strukturen nicht einzeln, sondern im Kontext mit anderen Strukturen gesehen werden.

Limbisches System

Das limbische System bildet die Grundlage für assoziative Funktionen wie Steuerung des affektiven Verhaltens, Emotionen, Lernen und Gedächtnis. Es beeinflusst darüber hinaus kortikale Aktivitäten und vegetative Funktionen. Die zugehörigen kortikalen und subkortikalen Strukturen verteilen sich gürtelförmig (limbus = Gürtel) um den Balken und das Diencephalon (Zwischenhirn) an den medialen Seiten der Hemisphären.

Die Strukturen des limbischen Systems stehen in Rückkopplung zu allen sensiblen Rindenfeldern und dem Hypothalamus. Auf diese Weise stellen sie eine Brücke zwischen unwillkürlichen und willkürlichen Reaktionen auf die Außenwelt her. Neuere Erkenntnisse zeigen ein offenes System, das unter dem Einfluss zahlreicher anderer Hirnregionen steht.

Die Amygdala ordnet den sensiblen Impulsen eine positive oder eine negative Bewertung zu. Sie bildet die Basis des emotionalen Gedächtnisses und dient als übergeordnete Kontrollinstanz für das vegetative System. Zur Erfüllung dieser Aufgabe sind vielfältige Verschaltungen mit dem Hypothalamus, den basalen Kerngebieten (Ncll. septales, Ncl. basalis, Ncl. accumbens), der Habenula, dem Thalamus und den Kernen des Hirnstamms (Ncll. raphes, Formatio reticularis) nachgewiesen.

Für die längerfristige Speicherung bewusster Gedächtnisinhalte sind intakte Strukturen des Papez-Neuronenkreises Voraussetzung. Ein wichtiger Eingang in das System stellt der Gyrus cinguli als Verbindung zu sensorischen Rindenarealen dar. Ein wichtiger Ausgang erfolgt über die Corpora mamillaria zu den Strukturen des Mesencephalons (Formatio reticularis mit Area tegmentalis ventralis, Ncll. raphes). Eine Schädigung von Strukturen des Papez-Neuronenkreises führt zu einem Verlust des Kurzzeitgedächtnisses. Bei Morbus Alzheimer sind der entorhinale Kortex und der Hippocampus, bei der Wernicke-Enzephalopathie die Corpora mamillaria betroffen. Der Ncl. basalis (Meynert) ist bei neurodegenerativen Erkrankungen häufig mitbetroffen.

Motorisches System

Das motorische System ermöglicht es uns, über Bewegungen mit der Außenwelt zu interagieren. Die Anteile des motorischen Systems sind hierarchisch organisiert. Um eine willentliche Bewegung einzuleiten, werden multiple Areale im frontalen und parietalen Kortex bis zu 2 Sekunden vor der Ausführung aktiviert. In den Assoziationsarealen wird die Notwendigkeit einer Bewegung festgestellt. Der prämotorische Kortex entwickelt einen Plan, der an den primär-motorischen Kortex weitergegeben wird. Neben der Pyramidenbahn als wichtigste Efferenz werden Fasern zu Assoziationskortex, Basalganglien, Kleinhirn und Hirnstammkernen als modulierende Feedback-Systeme entsandt. Sie gleichen eine geplante Bewegung mit dem aktuellen Zustand des Körpers ab. Die absteigenden motorischen Bahnen, welche die Aktivität von α- und γ-Motoneuronen beeinflussen, gehen vom Kortex (Pyramidenbahn) und vom Hirnstamm (extrapyramidalmotorische Bahnen) aus.

Es ist entdeckt worden, dass elektrische Stimulationen von bestimmten Arealen des menschlichen Kortex Bewegungen der kontralateralen Körperseite auslösen können. Das Areal mit dem geringsten Schwellenwert wird als primärer motorischer Kortex (Area 4) bezeichnet. Im Gyrus praecentralis reicht er von der medialen Hemisphärenoberfläche über die Mantelkante hinweg bis zur Sylvischen Fissur. Nach rostral schließen sich lateral der prämotorische Kortex und medial der supplementär-motorische Kortex (beide Teile der Area 6) an. Das frontale Augenfeld (Teil der Area 8) zur Durchführung konjugierter Augenbewegungen (Hirnnerven III, IV und VI) grenzt an den dahinter gelegenen prämotorischen Kortex.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass bestimmte Regionen im Gyrus praecentralis für die Innervation bestimmter Muskelgruppen des Körpers zuständig sind. Da diese Somatotopie nicht proportional abgebildet ist, spricht man von einer verzerrten Karte des menschlichen Körpers (Homunculus). An der medialen Fläche in der Fissura longitudinalis befinden sich die Repräsentationsgebiete für Fuß und Unterschenkel. Die Bein- und Beckenregion wird über die Mantelkante hinweg nach lateral abgebildet. Daran schließen bis zur Sylvischen Fissur die Gebiete für Rumpf, obere Extremität, Gesicht und Zunge an. Körperregionen, in denen sehr kleine Muskelgruppen oder gar einzelne Muskeln für feine Bewegungen angesteuert werden müssen, besitzen überproportional große Repräsentationsgebiete. Der supplementär-motorische und prämotorische Kortex besitzen ebenfalls eine somatotope Gliederung.

Die Basalganglien sind subkortikale Kerngebiete, die als Teil des motorischen Systems an der Initiation und Modulation von Bewegungen sowie der Regulation des Muskeltonus beteiligt sind. Sie werden zum extrapyramidal- motorischen System (EPMS) gerechnet und bilden komplexe Schleifen zur Beeinflussung des motorischen Kortex. Die Motorik wird durch Wahrnehmung, Emotionen und Motivation beeinflusst. Ausfälle in den einzelnen Kerngebieten führen zu einer Verschiebung im Regelkreis und einer gesteigerten oder verminderten Erregung des motorischen Kortex. Eine Degeneration der Neurone in der Substantia nigra verursacht durch ein Ungleichgewicht im Regelkreis eine Hypokinese beim Morbus Parkinson.

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