Der Unterschied in Funktion und Zusammenspiel von Hippocampus und Hypothalamus

Unser Körper ist darauf ausgelegt, uns bestmöglich vor Gefahren zu schützen, wobei das Gehirn eine entscheidende Rolle spielt. Das Gehirn besteht aus dem Großhirn, Zwischenhirn, Kleinhirn und dem Hirnstamm. Der Hirnstamm ist für grundlegende Steuermechanismen und Reflexe zuständig. Das Zwischenhirn, bestehend aus Thalamus, Hypothalamus, Subthalamus und Epithalamus, vermittelt Signale an das Großhirn, wobei der Thalamus Informationen der Sinnesorgane gliedert. Das Großhirn besteht aus zwei Hemisphären, die durch den Corpus callosum verbunden sind und in vier Lappen unterteilt sind, die verschiedene Funktionen steuern.

Das limbische System, ein entwicklungsgeschichtlich alter Bereich des Gehirns, der sich zwischen dem Neocortex und dem Hirnstamm befindet, ist das Zentrum der Emotionen und beeinflusst Sexualverhalten, vegetative Funktionen und das Gedächtnis.

Die Stressreaktion: Ein Zusammenspiel verschiedener Hirnregionen

Die Stressreaktion, die ursprünglich auf Gefahren für Leib und Leben ausgerichtet war, wird heute oft durch Bedrohungen des Selbstwertgefühls oder Versagensängste ausgelöst. Unabhängig von der Ursache läuft die Stressreaktion nach einem alten Muster ab, bei dem verschiedene Hirnregionen zusammenarbeiten, um uns für Kampf oder Flucht vorzubereiten.

Die Amygdala: Die "Angstzentrale" des Gehirns

Die Amygdala, ein mandelförmiger Komplex von Nervenzellen im unteren Bereich des Gehirninneren, ist eine wichtige Hirnregion für die Erleben von Stress und Angst. Sie ist Teil des limbischen Systems und steuert psychische und körperliche Reaktionen auf stress- und angstauslösende Situationen. Bei Signalen, die höhere Aufmerksamkeit erfordern, feuern ihre Nervenzellen, wodurch wir wacher und aufmerksamer werden. Ab einer bestimmten Schwelle der Nervenaktivität setzt die Amygdala die Stressreaktion in Gang und aktiviert so die Kampf- und Flucht-Reaktion.

Zwei Wege der Stressreaktion

Um die Kampf- und Fluchtreaktion auszulösen, nutzt die Amygdala zwei Wege:

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• Der schnelle Weg: Über das sympathische Nervensystem, das den Körper auf Aktivität einstimmt.
• Der langsamere Weg: Über den Hypothalamus, der eine Kaskade von Hormonen in Gang setzt.

Der schnelle Weg: Das sympathische Nervensystem

Über die Nervenstränge des sympathischen Nervensystems im Rückenmark gelangt die Information "Gefahr" zum Mark der Nebenniere. Dort werden Adrenalin und Noradrenalin ausgeschüttet, die Herzschlag und Blutdruck erhöhen, die Muskeln spannen und mehr Blutzucker freisetzen.

Der "langsame" Weg über den Hypothalamus

Parallel informiert die Amygdala den Hypothalamus, dass Gefahr im Verzug ist. Der Hypothalamus schüttet hormonelle Botenstoffe aus, unter anderem das Corticotropin-releasing-Hormon. Dieses Hormon wirkt auf die Hirnanhangdrüse im Gehirn - auch Hypophyse genannt. Es sorgt dafür, dass sie ein weiteres Hormon freisetzt, das Adrenocorticotropin, kurz ACTH. Es gelangt mit dem Blut zur Rinde der Nebenniere und veranlasst diese, das Stresshormon Kortisol auszuschütten. Zusammen sorgen die Hormone und das sympathische Nervensystem dafür, dass unser Körper mehr Sauerstoff und Energie bekommt, um schnell zu handeln.

Was die Hormone bewirken

Die Hormone bewirken Folgendes:

• Der Atem beschleunigt sich.
• Puls und Blutdruck steigen an.
• Die Leber produziert mehr Blutzucker.
• Die Milz schwemmt mehr rote Blutkörperchen aus, die den Sauerstoff zu den Muskeln transportieren.
• Die Adern in den Muskeln weiten sich. Dadurch werden die Muskeln besser durchblutet.
• Der Muskeltonus steigt. Das führt oft zu Verspannungen. Auch Zittern, Fußwippen und Zähneknirschen hängt damit zusammen.
• Das Blut gerinnt schneller. Damit schützt sich der Körper vor Blutverlust.
• Die Zellen produzieren Botenstoffe, die für die Immunabwehr wichtig sind.
• Verdauung und Sexualfunktionen gehen zurück. Das spart Energie.

Stress und Gedächtnis: Die Rolle des Hippocampus

Die Amygdala setzt nicht nur die Stressreaktion in Gang, sondern veranlasst auch den Hippocampus, sich die stressauslösende Situation gut zu merken. Auf diese Weise lernen wir, uns vor dem Stressor in Acht zu nehmen. Kommen wir erneut in eine derartige Situation, läuft die Stressreaktion noch schneller ab. Forschungen haben gezeigt, dass chronischer Stress die Zellfortsätze im Hippocampus schädigen kann, was sich negativ auf das Gedächtnis auswirkt.

Denken und Stress: Der präfrontale Cortex

Die Amygdala ist eng mit dem "denkenden" Teil des Gehirns verbunden, dem Stirnlappen (präfrontaler Cortex). Er ist wichtig für die Kontrolle der Emotionen und spielt eine große Rolle bei der Bewertung, ob wir einen Stressor für bewältigbar halten oder nicht, und für unser Verhalten in der stressigen Situation. Chronischer Stress kann den präfrontalen Cortex verändern, so dass es schwieriger wird, sinnvolle Entscheidungen zu treffen.

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Eingebaute Stressbremse

Nach Stress regen wir uns meistens wieder ab. Dabei hilft eine eingebaute Stressbremse: Ist nämlich das Stresshormon Kortisol in ausreichendem Maß im Blut vorhanden, merken das bestimmte Rezeptoren im Drüsensystem und im Gehirn, die Glucocorticoidrezeptoren. Daraufhin stoppt die Nebennierenrinde die Produktion von weiterem Kortisol. Das parasympathische Nervensystem - der Teil des Nervensystems, der unseren Körper zur Ruhe kommen lässt - wird aktiv. Wir werden wieder ruhiger und entspannen uns.

Wenn die Hormone aus dem Ruder laufen

Anders sieht es aus, wenn das Zusammenspiel der Hormone nicht optimal funktioniert, zum Beispiel, wenn nicht genug Rezeptoren vorhanden sind, die merken könnten, dass genug Kortisol vorhanden ist. Oder wenn die vorhandenen Rezeptoren nicht richtig arbeiten. Dann wird die Achse aus Hypothalamus, Hirnanhangdrüse und Nebenniere zu aktiv. Sie produziert zu viel Kortisol. So etwas kann in schlimmen Fällen zu Denkstörungen, zu Gewebeschwund im Hirn und zu Störungen des Immunsystems führen. Auch die Entstehung von Depressionen wird auf diesen Einfluss zurückgeführt, ebenso Stoffwechselstörungen, die Diabetes fördern.

Frühe traumatische Erfahrungen beeinflussen die Stressreaktion

Intensiver Stress in der frühen Kindheit kann die Arbeitsweise von Genen, die an der Stressreaktion beteiligt sind, so beeinflussen, dass Stresshormone schneller und intensiver ausgeschüttet werden. Dieser Effekt bleibt lebenslang bestehen. Ähnliche Ergebnisse scheint es unter bestimmten genetischen Bedingungen auch bei Menschen zu geben, die ein Trauma erlebt haben.

Die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse (HPA-Achse): Das System unserer Stressaktivierung

Die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse (HPA-Achse) ist ein komplexes Aktivierungs- und Hemmungsmuster, das die Basis unserer Anpassungsfähigkeit bei Stress legt. Die körperliche Stressreaktion ist per se nichts Negatives, sondern bewirkt Aktivierung, Lösungsfindung und Musterbildung. Stress tritt immer dann auf, wenn unsere Homöostase, das innere Gleichgewicht, bedroht oder bereits gestört ist.

Die wichtigsten Akteure der HPA-Achse

• Der Präfrontale Cortex (PFC): Das neuronale Steuerungszentrum, zuständig für kognitive Prozesse.
• Die Amygdala: Das emotionale Alarmsystem.
• Der Hippocampus: Die Schaltstelle zwischen Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis und emotionales Bewertungssystem.
• Der Hypothalamus: Das Steuerungszentrum des vegetativen (autonomen) Nervensystems und des Hormonsystems.
• Die Hypophyse: Die Schnittstelle zwischen dem Hormonsystem und dem autonomen Nervensystem.
• Noradrenalin: Hormon und Neurotransmitter.
• Cortisol: Hormon.

Wenn Stress aktivierend wirkt

Wenn wir einem Stressreiz ausgesetzt sind, ihn aber noch als handhabbar bewerten, bleibt die Handlungsfähigkeit erhalten. Die Reaktionskette auf der Stressachse lässt sich in eine erste und zweite Stressreaktion unterteilen.

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1. Stressreaktion

Jeder Stressreiz von außen wird in Erregungspotentiale umgewandelt und an die Amygdala und den Hippocampus weitergeleitet. Aufgrund unserer gemachten Erfahrung wird der Stressreiz hier bewertet und analysiert, ob wir uns in der Lage sehen, neue Lösungswege für das auftretende Problem zu finden. Das Ergebnis dieser Analyse wird an den Hypothalamus weitergeleitet, der die Reaktion in Gang setzt. Der Hypothalamus aktiviert, mittels eines Hormons namens CRH (Cortico Tropin Releasing Hormone) den Locus coeruleus. Er ist das Noradrenalinsystem unseres Gehirns. Das dadurch freigesetzte Noradrenalin sorgt dafür, dass wir wach, aktiv und handlungsbereit sind. Gleichzeitig wird vom Hypothalamus ausgehend der Sympathikus aktiviert. Dieser wiederum regt das Nebennierenmark an, das Noradrenalin und Adrenalin in die Körperperipherie freilässt. Dadurch ist nicht nur unser Gehirn bereit zur Handlung, sondern auch unsere Gliedmaßen. Das ist die sogenannte Fight-or-Flight-Reaktion, unserem Körper stehen blitzschnell die Ressourcen zur Verfügung, um zu kämpfen oder zu fliehen.

2. Stressreaktion

Das vom Hypothalamus freigesetzte CRH setzt noch einen zweiten Prozess in Gang: Es wird die Hypophyse angeregt, das wichtigste Hormonzentrum für Körperhormone. Sie setzt das ACTH (adrenocorticotrope Hormon) frei, das die Nebennierenrinde anregt. Hier wird nun das Stresshormon Cortisol gebildet und im Körper freigesetzt. Dies sorgt vornehmlich dafür, dass dem Körper genug Energie für die Ausführung der Handlungen zur Verfügung stehen, indem den Prozess zur Erhöhung des Blutzuckerspiegels antreibt. Damit ist die Stressachse aktiviert. Hieran zeigt sich, dass Stress zunächst nur die Aufgabe hat, den Körper in die Umsetzungskompetenz zu bringen.

Wie die Stressachse sich selbst reguliert

Die Stressachse kann sich selbst regulieren, vorausgesetzt, es handelt sich weiterhin um eine kontrollierbare Stressreaktion. Diese Regulation wird durch Noradrenalin und Cortisol selbst initiiert. Das Noradrenalin im Gehirn, das durch den Locus coeruleus freigesetzt wird, wirkt nämlich bei einem weiterhin aktivierten präfrontalen Cortex hemmend auf seinen eigenen Produktionsort, den Locus coeruleus. Ähnliches zeigt sich beim Cortisol. Obwohl es zunächst nur in der Körperperipherie vorhanden ist, kann es die Blut-Hirn-Schranke leicht durchwandern. Im Hirn entfaltet es dann seine regulierende Wirkung: Es hemmt einerseits die Hypophyse, die daraufhin weniger die Nebennierenrinde anregt. Es hemmt auch den Hypothalamus, der ebenfalls die Aktivierung der Hypophyse einschränkt. Und es aktiviert den Hippocampus. Dieser wiederum hemmt ebenfalls den Hypothalamus. Mit anderen Worten, das Cortisol hemmt alle Vorgänge, die zur weiteren Ausschüttung von Cortisol führen. Das Ergebnis ist, dass die Stressachse sich wieder beruhigt.

Wenn Stress zu viel wird

Wenn Amygdala und Hippocampus nicht zu dem Ergebnis kommen, dass wir den Stressor aus eigener Kraft beseitigen können, gelangen wir in die unkontrollierbare Stressreaktion. Der Aktivierungsprozess läuft hierbei ebenfalls ab, mit dem Unterschied, dass Noradrenalin und Cortisol in sehr großen Mengen ausgeschüttet werden. Dadurch kann sich die Stressachse nicht selbst regulieren, und zwar aus zwei Gründen: Zum einen schaltet in extremen Stresssituationen der PFC ab. Unser emotionales Stresszentrum (die Amygdala) hat die Oberhand und fährt unser kognitives Steuerungsnetzwerk herunter. Der runtergefahrene PFC verhindert allerdings, dass das Noradrenalin im Gehirn den Locus coerulerus hemmen kann - es wird also unkontrolliert weiter Noradrenalin ausgeschüttet. Der zweite Grund ist das veränderte Andocken von Cortisol am Hippocampus. Wenn Cortisol in großer Menge vorhanden ist, dockt es eher an einem anderen Rezeptor-Typen an, was dazu führt, dass der Hippocampus den Hypothalamus eben nicht mehr hemmt und weiterhin Cortisol produziert wird.

Resilienz für eine bessere Regulationsfähigkeit

Bei einer unkontrollierbaren Stressreaktion ist die Stressachse in der Dysbalance, sie kann sich selbst nicht mehr herunter regulieren. Wenn dieser Zustand für eine große Zeitspanne aufrechterhalten wird, also zu viel Cortisol im Körper und im Gehirn vorhanden ist, kann das enorme Auswirkungen haben. Denn Cortisol ist ein hochpotentes Hormon - es gibt so gut wie keinen Bereich, auf den sich Cortisol nicht auswirkt. Im Gehirn beispielsweise wirkt Cortisol in hohen Mengen als Synapsenkiller. Um Stress als Kompetenz nutzen zu können, brauchen wir Regulationsmechanismen - wir brauchen Resilienz.

Der Hippocampus: Das "Seepferdchen" des Gehirns

Der Hippocampus, wörtlich "Seepferdchen", ist ein eingerolltes Stück Cortex, das innen am Temporallappen, am Boden der Seitenventrikel liegt. Er ist ein Teil des limbischen Systems und spielt eine entscheidende Rolle bei der "Erzeugung", der "Archivierung" und dem "Abruf" von Inhalten des Langzeitgedächtnisses. Zudem ist er einer der wenigen Orte im Gehirn, an dem zeitlebens neue Nervenzellen geboren werden.

Anatomie des Hippocampus

Schneidet man das Großhirn horizontal durch und hebt den "Deckel" ab, so zeigen sich die Hippocampi als gebogene, wurmartige Gebilde, die beiderseits am Boden der Seitenventrikel des Temporallappens liegen. Sie enden jeweils in einer plumpen, mit "Knubbbeln" versehenen Struktur, die man als Pes hippocampi bezeichnet - den Fuß des Seepferdes. Zum Hinterhaupt hin geht der Hippocampus in elegantem Schwung in den Fornix über. Der bündelt nicht alle, aber die meisten Fasersysteme, über die der Hippocampus mit anderen Hirngebieten in Verbindung steht. Der Hippocampus ist eine corticale Struktur. Seine verschiedenen Untereinheiten - Subiculum, Cornu ammonis und Fascia dentata - bestehen wie der übrige Cortex sämtlich aus plattenartigen Schichten von Nervenzellen. Allerdings hat der Cortex des Hippocampus nicht die typische sechsfache Schichtung des Isocortex, weswegen man ihn auch als Allocortex bezeichnet. Typisch für den Hippocampus ist zudem die "Einrollung" dieser plattenartigen Cortices. Die Haupteingänge zum Hippocampus stammen aus dem entorhinalen Cortex, der ihm unmittelbar anliegt. Sie verlaufen im Tractus perforans. Der entorhinale Cortex ist seinerseits mit allen Assoziationsgebieten des Neocortex verbunden.

Funktion des Hippocampus

Das Fehlen nur eines Hippocampus ist zu verschmerzen. Fehlen allerdings beide, so kommt es zu dramatischen Ausfällen. In der Tat gab es Patienten, denen beide Hippocampi entfernt werden mussten, um ansonsten inkurable Epilepsien zu behandeln. Der bekannteste dieser Patienten ist Henry Gustav Molaison (1926−2008), der als H.M. in die Fachliteratur einging. Er wurde berühmt aufgrund einer ganz typischen Gedächtnisstörung - der anterograden Amnesie. Sie betrifft das deklarative Gedächtnis, also das Wissen, das man über sich und die Welt hat. Das motorische Gedächtnis, also die allgemeinen Finger- und Bewegungsfertigkeiten, sind nicht betroffen. Ein anterograder Amnestiker kann durchaus - wenn auch eingeschränkt - das Welt- und autobiographische Wissen abrufen, das er bereits vor Ausfall beider Hippocampi hatte. Aber er kann kein Neugedächtnis bilden, also kein neues Wissen erwerben. Der Amnestiker ist tatsächlich im Jetzt "eingefroren" - er kann zum Beispiel nie in eine neue Wohnung umziehen. Ab dem Zeitpunkt der Entfernung beider Hippocampi geht ihm sein Leben im Jetzt verloren. Im Hippocampus wurde der neuronale Mechanismus entdeckt, den man für das physiologische Substrat des Lernens hält: die Langzeitpotenzierung (LTP). Nervenzellen, die oft zeitgleich aktiv sind, koppeln sich elektrisch inniger aneinander als solche, die nur gelegentlich synchron aktiv sind. Die zugrundeliegende LTP beruht auf einer Veränderung der Synapsen. Neuerdings weiß man auch, dass der Hippocampus - seine Fascia dentata, um genau zu sein - einer der wenigen Orte im Gehirn ist, an dem zeitlebens Neurone neu geboren werden. Man nennt das Neuroneogenese.

Das limbische System: Das Zentrum von Emotionen, Lernen und Gedächtnis

Das limbische System, ein faszinierendes und komplexes Netzwerk tief in unserem Gehirn verankert, spielt eine entscheidende Rolle in der Steuerung und Verarbeitung unserer emotionalen Reaktionen, Lernprozesse und der Bildung von Erinnerungen. Die Hauptakteure in diesem inneren Drama sind der Hippocampus, die Amygdala, der Thalamus und der Hypothalamus.

Die Entwicklung des limbischen Systems

Die Anfänge der Erforschung des limbischen Systems können bis ins 19. Jahrhundert zurückverfolgt werden. Ein entscheidender Moment war die Arbeit von Paul Broca, der in den 1870er Jahren den Begriff „le grand lobe limbique“ prägte. Die eigentliche Konzeptualisierung begann jedoch erst in der Mitte des 20. Jahrhunderts, insbesondere durch die Arbeiten von James Papez, der 1937 eine Theorie vorstellte, die als Papez-Kreis bekannt wurde. Ein weiterer bedeutender Beitrag kam von Paul MacLean in den 1950er Jahren, der die Idee des „Triune Brain“ einführte. Durch die Fortschritte in der Neurobildgebung und -technologie in den letzten Jahrzehnten konnte das Wissen über das limbische System weiter vertieft werden.

Anatomie des limbischen Systems

Das limbische System besteht aus mehreren Schlüsselstrukturen, darunter der Hippocampus, die Amygdala, der Thalamus und der Hypothalamus, die durch ein dichtes Geflecht von Nervenbahnen miteinander verbunden sind.

• Hippocampus: Er ist für die Verarbeitung und Speicherung neuer Erinnerungen unerlässlich.
• Amygdala: Sie ist entscheidend für die Verarbeitung und Interpretation emotionaler Reize, insbesondere solcher, die mit Furcht und Freude assoziiert sind.
• Thalamus: Er fungiert als zentrale Schaltstelle für sensorische Informationen.
• Hypothalamus: Er spielt eine überproportionale Rolle bei der Regulation lebenswichtiger Körperfunktionen und Verhaltensweisen.

Funktion des limbischen Systems

Das limbische System spielt eine zentrale Rolle in der Verarbeitung unserer Gefühle und Stimmungen, der Bildung unseres Gedächtnisses, sowie in unserem Verhalten und unserer Motivation.

• Emotionale Verarbeitung: Die Amygdala spielt eine besonders wichtige Rolle bei der Bewertung der emotionalen Bedeutung von Reizen.
• Gedächtnisbildung: Der Hippocampus ist entscheidend für die Bildung neuer Erinnerungen.
• Verhalten und Motivation: Der Hypothalamus spielt eine zentrale Rolle bei der Regulierung von Hunger, Durst, Müdigkeit und der Sexualtriebe.

Einfluss von Gewohnheiten und Therapie auf das limbische System

Eine ausgewogene Ernährung, regelmäßige körperliche Aktivität, ausreichender Schlaf und Stressbewältigung sind fundamental für die Gesundheit des Gehirns und insbesondere für die Funktion des limbischen Systems. Psychopharmaka, kognitive Verhaltenstherapie (KVT) und neuartige Therapieansätze wie die transkranielle Magnetstimulation (TMS) und die tiefe Hirnstimulation (THS) können ebenfalls die Funktion des limbischen Systems modulieren.

Aktuelle Forschung zum limbischen System

Die moderne Forschung hat bemerkenswerte Fortschritte in der Entschlüsselung der Funktionsweise des limbischen Systems gemacht. Mit Hilfe fortschrittlicher Bildgebungstechniken können Forscher nun die Aktivität und Vernetzung innerhalb des limbischen Systems in Echtzeit beobachten. Ein besonders spannender Bereich ist die Erforschung der Neuroplastizität innerhalb des limbischen Systems. Innovative Forschungsansätze versuchen, die Grenzen des bisher Bekannten zu erweitern, beispielsweise durch die Nutzung von KI und maschinellem Lernen.

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