Mittelhirn: Strukturen, Sehen, Hören, Geschmack und Funktionen

Das Mittelhirn (Mesencephalon) ist ein wichtiger Teil des Gehirns, der eine Vielzahl von Funktionen steuert, darunter Sehen, Hören, Geschmack und Motorik. Es ist der oberste Abschnitt des Hirnstamms, der sich nach unten in die Brücke (Pons) und nach oben in die Strukturen des Zwischenhirns (Diencephalon) gliedert. Wie im gesamten Hirnstamm ist auch im Mesencephalon die Motorik ein großes Thema. Hier liegen zum Beispiel der Nucleus ruber und die Substantia nigra. Als einzige Struktur des Gehirns verfügt das Mittelhirn über eine eigene Wasserleitung, den Aquaeductus mesencephali.

Überblick über die Hirnnerven

Bevor wir uns den spezifischen Funktionen des Mittelhirns zuwenden, ist es wichtig, die Rolle der Hirnnerven zu verstehen. Es gibt 12 Paare von Hirnnerven, die aus dem Gehirn austreten und verschiedene Teile des Kopfes, des Halses und des Rumpfes versorgen. Sie werden mit den römischen Zahlen I bis XII nummeriert, beginnend mit dem Nervus olfactorius (I), der am weitesten rostral (vorne) aus dem Gehirn austritt. Die Entwicklung dieser Nerven findet in der vierten bis fünften Woche der Embryonalperiode statt.

Die Hirnnerven können sensorische, motorische oder gemischte Funktionen haben. Sensorische Nerven leiten Informationen von den Sinnesorganen zum Gehirn, motorische Nerven steuern die Muskeln, und gemischte Nerven haben sowohl sensorische als auch motorische Funktionen. Im Grunde versteht man unter den Faserqualitäten die Funktionen, die einem Hirnnerv zugeschrieben werden. Nervenfasern, die Informationen vom Gehirn zur Hals- und Kopfregion senden, werden als "efferent" bezeichnet (motorische Information) und jene die Informationen vom Körper zum Gehirn senden als "afferent". "Viszero-" bedeutet, dass der entsprechende Hirnnerv Informationen zwischen Gehirn und inneren Organen vermittelt.

Hier eine kurze Übersicht über die Funktionen der einzelnen Hirnnerven:

• Nervus olfactorius (I): Riechen
• Nervus opticus (II): Sehen
• Nervus oculomotorius (III): Augenbewegung, Pupillenverengung, Linsenakkommodation
• Nervus trochlearis (IV): Augenbewegung
• Nervus trigeminus (V): Sensorische Informationen vom Gesicht, motorische Innervation der Kaumuskulatur
• Nervus abducens (VI): Augenbewegung
• Nervus facialis (VII): Gesichtsmuskulatur, Geschmack, Speichel- und Tränenproduktion
• Nervus vestibulocochlearis (VIII): Hören, Gleichgewicht
• Nervus glossopharyngeus (IX): Geschmack, Schlucken, Speichelproduktion, Blutdruckregulation
• Nervus vagus (X): Steuerung der inneren Organe (Herz, Lunge, Verdauungstrakt), Geschmack, Schlucken, Sprechen
• Nervus accessorius (XI): Motorische Innervation des M. trapezius und M. sternocleidomastoideus
• Nervus hypoglossus (XII): Zungenbewegung

Die Hirnnervenkerne sind der Ursprung der Hirnnerven. Sie befinden sich im Rückenmark und im Hirnstamm.

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Strukturen des Mittelhirns

Das Mesencephalon teilt sich in Crura cerebri, Tegmentum und Tectum.

• Crura cerebri: Von vorn betrachtet wird das Mittelhirn dominiert von besagten Hirnschenkeln, den Crura cerebri - ein großes Bündel Fasern, das Signale vom Cortex ins Rückenmark und zu Brücken- und Hirnnervenkernen leitet. Diese Fasern sind fein säuberlich geordnet: An der Innenseite laufen die Verbindungen zum frontalen Cortex, weiter nach außen schließen sich die Fasern zum motorischen Cortex - die Pyramidenbahn - und ganz außen die zum Temporallappen an. Es zeigt sich sogar ein weiterer Homunculus: nach innen liegen die Fasern, die den Kopf versorgen, nach außen die der Füße.
• Tectum (Vierhügelplatte): Von hinten zeigen sich zwei mal zwei Hügel, zusammengefasst als Vierhügelplatte, oder Tectum (oder Lamina tecti, oder Lamina quadrigema). Die oberen Hügel, die Colliculi superiores, erhalten über Sehnerv und Sehtrakt direkte Eingänge von der Netzhaut des Auges. Dabei geht es primär um Informationen über sich rasch ändernde Reize - also um Bewegung. Die Colliculi inferiores, die unteren Hügel, dienen als Umschaltstelle für die meisten Fasern der Hörbahn. Die Signale laufen von hier aus direkt zum Corpus geniculatum mediale des Thalamus und von dort weiter in den primären auditiven Cortex.
• Tegmentum: Zwischen diesen beiden liegt das Tegmentum, und in ihm einige wichtige Kerne und Kerngebiete. Funktional gehört hierzu einmal mehr das Sehen: die Augenmuskelkerne, die sechs Muskeln pro Auge im Blick halten müssen - was einer sehr komplexen Verschaltung bedarf. Aber es gibt auch Strukturen jenseits des Sehens. Da wäre zum Beispiel die Substantia grisea periaqueductalis, zu Deutsch das periaquäduktale Grau. Ein wichtiger Kern im Mittelhirn ist der rote, der Nucleus ruber. Seine rote Färbung verdankt der Nucleus ruber übrigens seinem hohen Eisengehalt. Seine dunkel-​bläuliche Färbung verdankt der Locus coeruleus - der blaue Ort - dem Melanin seiner Zellen. Der einzige Standort der Serotonin-​Produktion im Gehirn sind die Raphé-​Kerne, die den innersten Bereich der Formatio reticularis bilden. Ganz oben im Mittelhirn sitzt die Substantia nigra, die schwarze Substanz. Ihren Namen verdankt sie einem hohen Melaninanteil in den Zellkernen. Durch den gesamten Hirnstamm hindurch zieht die Formatio reticularis - ein ganzes Netz von verschalteten Kernen, die vielerlei Aufgaben haben.

Sehen

Das Mittelhirn spielt eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung visueller Informationen und der Steuerung von Augenbewegungen. Die Colliculi superiores empfangen direkte Eingänge von der Netzhaut des Auges über den Sehnerv und den Sehtrakt. Sie sind besonders wichtig für die Verarbeitung von sich rasch ändernden Reizen, wie z. B. Bewegungen. Dies ermöglicht es uns, Objekten mit den Augen zu folgen oder reflexartig die Augen zu schließen, um sie vor Gefahren zu schützen. Entsprechend sind auch die Ausfälle bei Schädigungen des oberen Hügels: einem Objekt mit den Augen zu folgen, ist nicht mehr möglich, wobei weiterhin sämtliche optischen Reize wahrgenommen und verarbeitet werden.

Die Augenmuskelkerne im Tegmentum steuern die Muskeln, die für die vertikalen Augenbewegungen verantwortlich sind. Die horizontalen Augenbewegungen werden hauptsächlich von der Brücke (Pons) gesteuert.

Die Fasern der Nervenzellen in der Netzhaut bündeln sich zum Nervus opticus. Er verlässt die Netzhaut und tritt durch den Canalis opticus in den Schädel ein. Die Fasern ziehen zum "Chiasma opticum"; Fasern die von der nasalen Seite der Netzhaut kommen, kreuzen auf die Gegenseite. Die Fasern der temporalen Seite verlaufen ungekreutzt weiter. Danach erstrecken sie sich als Tractus opticus zum Thalamus, wo sie verschaltet werden. Sie ziehen dann als Sehstrahlung (Radiatio optica) zur primären Sehrinde. Der Nervus oculomotorius entspringt aus den zwei Hirnnervenkernen Nucleus n. oculomotorii und Nucleus accessorius n. oculomotorii. Die Fasern aus beiden Kernen fügen sich zum Nerv zusammen und verlassen das Mittelhirn. Der Nerv zieht in der lateralen Wand des Sinus cavernosus (venöser Blutleiter) nach vorne und verlässt den Schädel durch die Fissura orbitalis superior in der Augenhöhle. Der Nervus trochlearis entspringt am Nucleus n. trochlearis im Mittelhirn. Er verlässt als einziger Hirnnerv das Gehirn hinten, also dorsal.

Hören

Die Colliculi inferiores dienen als Umschaltstelle für die meisten Fasern der Hörbahn. Die Signale laufen von hier aus direkt zum Corpus geniculatum mediale des Thalamus und von dort weiter in den primären auditiven Cortex. Diese zentrale Lage der Colliculi inferiores in der Hörbahn bedeutet, dass ihre Schädigung zu reduzierter Hörfähigkeit führen kann.

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Geschmack

Der Geschmackssinn beginnt mit den Geschmacksknospen, die sich in den Geschmackspapillen der Zunge befinden. Die Geschmacksknospen enthalten Sinneszellen, die chemische Reize in elektrische Signale umwandeln. Innerviert werden die Papillen vom N. glossopharyngeus und vom N. vagus. Diese Nerven ziehen in den Ncll. tractus solitarii des Hirnstamms. Die Information wird auf das zweite Neuron umgeschaltet und ipsilateral in den Ncl. parabrachialis der Formatio Reticularis auf das dritte Neuron weitergeleitet. Dieses Neuron projiziert in den kontralateralen Ncl. Thalamus. Thalamus aus werden die Informationen in verschiedene Rindenbereiche übertragen. Hier erfolgen das Bewusstwerden des Geschmacks und die Verknüpfung mit anderen Wahrnehmungen.

Motorische Funktionen

Das Mittelhirn spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Motorik. Es enthält wichtige motorische Zentren wie die Substantia nigra und den Nucleus ruber.

• Substantia nigra: Die Substantia nigra ist ein Kerngebiet im Mittelhirn, das Dopamin produziert. Dopamin ist ein Neurotransmitter, der für die Einleitung und Koordination von Bewegungen wichtig ist. Bei der Parkinson-Krankheit sterben dopaminerge Neurone in der Substantia nigra ab, was zu Bewegungsstörungen wie Zittern, Steifheit und verlangsamten Bewegungen führt.
• Nucleus ruber: Der Nucleus ruber ist ein weiterer Kern im Mittelhirn, der an der Steuerung der Motorik beteiligt ist. Er gehört zum extrapyramidalen motorischen System, das motorische Aufgaben übernimmt, die nicht über die Pyramidenbahn verhandelt werden. Der Nucleus ruber ist Teil einer Neuronenschleife zwischen Olive, Kleinhirnkernen und Kleinhirnrinde. Fällt in dieser Schleife etwas aus, ist ein Intentionstremor die Folge - soll die Hand zum Beispiel ein Glas greifen, wird das Zittern umso stärker, je näher sie dem Bewegungsziel kommt.

Weitere Funktionen

Neben den oben genannten Funktionen spielt das Mittelhirn auch eine Rolle bei:

• Schmerzunterdrückung: Die Substantia grisea periaqueductalis (periaquäduktales Grau) im Mittelhirn spielt eine wichtige Rolle bei der Schmerzunterdrückung.
• Aufmerksamkeit und Wachheit: Der Locus coeruleus im Mittelhirn produziert Noradrenalin, ein Stresshormon, das als Wecksystem und Alarmsystem fungiert. Bekanntermaßen hat zu viel Alarm, zu viel Stress, zu viel Noradrenalin keine guten Folgen auf die körperliche und geistige Gesundheit.
• Stimmung: Die Raphé-Kerne im Mittelhirn produzieren Serotonin, einen Neurotransmitter, der eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Stimmung spielt. Der Neurotransmitter Serotonin dagegen hat wenig mit Stress zu tun, im Gegenteil: hier geht es um Einschlafen und die feine Balance einer ausgeglichenen Gemütslage. Und eine Balance ist es, denn zu viel Serotonin schadet genauso, wie zu wenig.

Klinische Bedeutung

Schädigungen des Mittelhirns können zu einer Vielzahl von neurologischen Störungen führen, abhängig von der Lokalisation und dem Ausmaß der Schädigung. Einige Beispiele sind:

• Parkinson-Krankheit: Wie bereits erwähnt, ist die Parkinson-Krankheit mit dem Absterben von dopaminergen Neuronen in der Substantia nigra verbunden.
• Intentionstremor: Schädigungen der Neuronenschleife zwischen Olive, Kleinhirnkernen und Kleinhirnrinde, an der der Nucleus ruber beteiligt ist, können zu einem Intentionstremor führen.
• Hörverlust: Schädigungen der Colliculi inferiores können zu Hörverlust führen.
• Augenbewegungsstörungen: Schädigungen der Augenmuskelkerne im Tegmentum können zu Störungen der Augenbewegung führen.

Das Gehirn als Ganzes

Das Mittelhirn ist nur ein Teil eines komplexen Organs, des Gehirns. Das Gehirn des Menschen wiegt im Schnitt 1.400 Gramm - abhängig von Geschlecht und Körpergröße. Mit dieser verhältnismäßig geringen Masse steuert es nahezu alle lebenswichtigen Körperfunktionen, ermöglicht das Denken, emotionales Erleben und viele weitere Abläufe. Das Gehirn verarbeitet Sinneseindrücke, koordiniert die Funktionen des Körpers und hält sie aufrecht. Voraussetzung dafür: Milliarden von Gehirnnervenzellen (Neuronen, reizleitende Zellen) müssen ständig miteinander kommunizieren und Informationen austauschen. Das Gehirn besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den sogenannten Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Das Gehirn muss in besonderem Maße vor Verletzungen geschützt werden.

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Die verschiedenen Leistungen erbringt das Gehirn in jeweils speziell dafür zuständigen Hirnregionen. Diese Regionen entsprechen bestimmten Gebieten des Gehirns, die sich auch anhand der Anatomie nachvollziehen lassen. Die Hirntätigkeit können Wissenschaftler teilweise anhand der begleitenden Stoffwechselvorgänge sichtbar machen. Dies ist zum Beispiel möglich, indem sie den Sauerstoff- oder Zuckerverbrauch des Gehirns beobachten. Hierbei handelt es sich um funktionelle Untersuchungen des zerebralen (von: Cerebrum) Stoffwechsels.

Liquor ist die Flüssigkeit, die Gehirn und Rückenmark umgibt. Das Zentralnervensystem (ZNS) besteht aus zwei großen Teilen: dem im Kopf gelegenen Gehirn und dem Rückenmark. Das Gehirn wird von den Schädelknochen und innerhalb des Schädels von drei Hirnhäuten (Meningen) umgeben. In dieser festen Hülle schwimmt es gewissermaßen im Hirnwasser, dem Liquor.

Das Großhirn (Telencephalon) ist der größte und am höchsten entwickelte Teil des Gehirns. Das Großhirn unterteilt sich in zwei weitgehend symmetrische Hälften (Hemisphären), die durch den sogenannten Balken (Corpus callosum) und weitere Nervenfasern miteinander in Verbindung stehen. Die meisten Funktionszentren kommen gleichermaßen in beiden Hirnhälften vor. Einige Zentren jedoch gibt es nur einmal - wie etwa das Sprachzentrum.

Das Kleinhirn (Cerebellum) wiegt mit circa 130 bis 140 Gramm zehnmal weniger als das Großhirn. Es stimmt Bewegungen aufeinander ab und speichert Abläufe, sodass nach einiger Übung bestimmte Bewegungen automatisch erfolgen. Wie das Großhirn hat auch das Cerebellum eine Rinde; in ihr liegt die graue Substanz des Kleinhirns: die Zellkörper der Nervenzellen.

Das Zwischenhirn (Diencephalon) liegt zwischen Großhirn und Hirnstamm. Im Thalamus treffen Informationen aus dem Körper und den verschiedenen Sinnesorganen ein. Der Thalamus leitet die Signale an das Großhirn weiter, nachdem er die Informationen im Vorfeld gefiltert hat. Dies vermeidet, dass das Hirn überlastet wird. Der Hirnstamm (Truncus cerebri) ist der älteste Teil des Gehirns. Er befindet sich unter den anderen Abschnitten nahe dem Rückenmark und wird fast vollständig von beiden Hirnhälften, den Hemisphären, umschlossen. Im Nachhirn kreuzen die aus dem Rückenmark kommenden Nervenbahnen. Das führt dazu, dass Informationen einer Körperseite in der gegenüberliegenden Hirnhälfte verarbeitet werden.

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