Das Gehirn, der zentrale Kontrollturm unseres Körpers, ist ein komplexes Netzwerk aus Milliarden von Nervenzellen. Es steuert grundlegende Lebensfunktionen, Sinneswahrnehmungen, Bewegungen und höhere kognitive Prozesse. Innerhalb dieses komplexen Organs spielt der Thalamus eine entscheidende Rolle. Er fungiert als eine Art Relaisstation und Filter für Informationen, die zwischen verschiedenen Hirnarealen ausgetauscht werden. Dieser Artikel beleuchtet die Funktion der Neuronen des Thalamus und ihre Bedeutung für die gesamte Gehirnfunktion.
Das Gehirn: Eine Einführung
Das Gehirn (Encephalon) ist der Teil des zentralen Nervensystems, der innerhalb des knöchernen Schädels liegt und diesen ausfüllt. Es besteht aus unzähligen Nervenzellen, die über zuführende und wegführende Nervenbahnen mit dem Organismus verbunden sind und ihn steuern. Das Gehirnvolumen (Mensch) beträgt etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse. Das Gewicht (Gehirn) macht mit 1,5 bis zwei Kilogramm ungefähr drei Prozent des Körpergewichts aus.
Ein Mensch hat ungefähr 100 Milliarden Gehirnzellen, die das zentrale Nervensystem, unser Gehirn, aufbauen und untereinander verknüpft sind. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt. Die Nervenzellen im Gehirn sind eingebettet in ein stützendes Gewebe aus Gliazellen. Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben: Dura mater, Arachnoidea und Pia mater.
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
Der Thalamus: Das Tor zum Bewusstsein
Der Thalamus liegt in den Wänden des Zwischenhirns und ist dessen größtes zusammenhängendes Gebiet. Er wird oft als "Tor zum Bewusstsein" beschrieben, da er den Fluss sensorischer Informationen steuert. Bestimmte Thalamuskerne sind reziprok mit bestimmten Cortexgebieten verbunden. Einige Thalamuskerne sind darauf spezialisiert, dem Cortex sensorische Informationen zuzutragen.
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Der Thalamus der zeitgemäßen Anatomie liegt jedoch beiderseits eines Ventrikelraumes - des dritten Ventrikels im Zwischenhirn: Er ist Teil der Wand und nicht der Höhlung. Die beiden dorsalen Thalami sind ansehnliche Gebilde, jeder ist sicher gut daumengroß. Ihre Gestalt ist ein wenig eigenartig, sie ähneln plumpen Tropfen, deren stumpfer Kopf zur Stirne weist, der kurze Stummelschwanz an ihrem Hinterende ist nach unten und nach außen umgebogen. Der Körper des Tropfens ist der eigentliche Thalamus, die Übergangsregion zum Stummelschwanz nennt man Pulvinar und das Schwänzchen selbst den Metathalamus, den Nach-Thalamus also, der aus jeweils zwei Kniehöckern, dem Corpora geniculata lateralia und medialia besteht.
Der Thalamus ist mit dem Cortex verbunden. „Fleckchenweise“, könnte man sagen, denn bestimmte Gebiete des Thalamus schicken Axone zu bestimmten Gebieten des Cortex - und vice versa. Das Muster dieser Verbindungen - also „wer mit wem“ - ist überaus stabil und bei allen Menschen (und vielen Tieren) gleich. Entsprechend werden sie als „spezifische Thalamuskerne“ bezeichnet. Man kann sie auch als „corticale Agenten“ verstehen: sie tragen dem Cortex Informationen aus den Sinnessystemen, den Augen, den Ohren, der Haut, den Muskeln und Gelenken, den Schmerz- und den Geschmackssinn zu. Einzige Ausnahme ist der Geruchssinn. Doch auch der - soll er bewusst werden - muss schlussendlich durch den Thalamus.
Anatomischer Überblick über den Thalamus
Der Thalamus besteht aus verschiedenen Kerngebieten, die spezifische Funktionen erfüllen. Zu den wichtigsten Kernen gehören:
- Ncll. anteriores (anteriore Kerngruppe): Die vorderen Kerne sind in 3 Abschnitte unterteilt, mit Afferenzen von den Corpora mamillaria und dem Hippocampus und Efferenzen zum Gyrus cinguli. Sie dienen vor allem der Gedächtnisverarbeitung.
- Ncll. ventrales (ventrale Kerngruppe): Diese Kerngruppe umfasst mehrere Unterkerne, darunter:
- Ncl. ventralis anterior: Dieser Kern ist wichtig für die Steuerung motorischer Signale.
- Ncl. ventralis lateralis: Dieser Kern erhält Afferenzen vom Kleinhirn (Cerebellum) und hat Efferenzen zum Frontallappen.
- Ncl. ventralis posteromedialis/posterolateralis: Zu diesem Kern ziehen die Bahnen der Körpersinne, des Schmerzes und des Geschmacks. Seine Axone wiederum steigen zum Gyrus postcentralis des Parietallappens auf.
- Ncll. dorsomediales: Diese Kerne sind mit dem Frontallappen verbunden.
- Pulvinar: Das Pulvinar erhält Afferenzen aus den Colliculi superiores, visuellen Arealen, den auditorischen Zentren und anderen sensorischen Bahnen und hat Efferenzen zu den parietotemporalen Assoziationsbereichen.
- Metathalamus: Der Metathalamus besteht aus den Corpora geniculata lateralia (CGL) und medialia (CGM). Zum CGM steigt die Hörbahn auf, der optische Trakt zieht zum CGL.
Die Funktion der Thalamusneuronen im Detail
Die Neuronen des Thalamus spielen eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen im Gehirn. Ihre Hauptfunktionen umfassen:
Sensorische Integration und Weiterleitung
Eine der Hauptaufgaben des Thalamus besteht darin, als zentrale Relaisstation im Gehirn zu wirken. Alle sensorischen Informationen mit Ausnahme des Geruchssinns werden zuerst durch den Thalamus geleitet. Hier werden sie gefiltert und an die entsprechenden Bereiche des Kortex weitergeleitet, um detailliert verarbeitet zu werden.
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Die Faserbahnen all dieser sensorischen Systeme laufen im Thalamus an bestimmten Unterkernen ein - die Sehbahn an den Corpora geniculata lateralia, die Hörbahn an den Corpora genuiculata medialia. Die übrigen sensorischen Bahnen ziehen überwiegend an die hinteren Seitenflächen des Tropfenkörpers selbst. In diesen Unterkernen des Thalamus erfolgt dann die synaptische Umschaltung auf das jeweils letzte Neuron der entsprechenden sensorischen Bahn. Das Axon dieses Neurons zieht dann zum jeweiligen primär-sensorischen Cortexareal - und dieses Areal schickt dann wieder Axone zu „seinem“ Thalamuskern zurück.
Der Thalamus hilft dabei, unwichtige Informationen auszufiltern, damit Dein Gehirn sich auf relevante Reize konzentrieren kann.
Motorische Steuerung
Neben seiner Rolle im sensorischen System ist der Thalamus auch an der motorischen Steuerung beteiligt. Er koordiniert Signale, die von verschiedenen motorischen Zentren kommen, um reibungslose und geplante Bewegungsabläufe zu ermöglichen. Ohne ihn wäre die Koordination komplexer Bewegungen erheblich gestört.
Die Ncll. ventrales erhalten Afferenzen von den Basalganglien (Stammganglien) und haben Efferenzen zum frontalen Kortex. Der Ncl. ventralis lateralis erhält Afferenzen vom Kleinhirn (Cerebellum) und hat Efferenzen zum Frontallappen.
Wenn Du einen Ball wirfst, hilft Dir der Thalamus, die motorischen Signale so zu koordinieren, dass der Wurf zielgenau ist.
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Bewusstseins- und Aufmerksamkeitssteuerung
Der Thalamus beeinflusst auch das Bewusstsein und die Aufmerksamkeitssteuerung. Er spielt eine zentrale Rolle, um die Wachsamkeit aufrechtzuerhalten und determiniert, welche Informationen in das Bewusstsein vordringen. Dies erfolgt durch die Steuerung, welche sensorischen Signale verstärkt oder abgeschwächt werden.
Das ARAS (Aufsteigendes Retikuläres Aktivierungssystem) sendet erregende Signale an den Thalamus. Der Thalamus leitet diese Erregung an den Kortex weiter, was zu einer Aktivierung führt. Der Nucleus reticularis umgibt wie eine Schale die Seitenfläche des Thalamus und enthält hemmende, GABAerge Neurone, die ihre Axone in den Thalamus selbst schicken. Man nimmt an, dass er etwas mit der Aufmerksamkeitssteuerung zu tun hat.
Modulation der neuronalen Empfindlichkeit
Nervenzellen können selbstständig regulieren, wie empfindlich sie auf eingehende Signale reagieren. Eine neue Studie unter Federführung der Universität Bonn hat nun einen Mechanismus entdeckt, der das leistet. An den Arbeiten waren das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen und das Max-Planck Institut für Neurobiologie des Verhaltens beteiligt.
Die Neuronen im Gehirn können ihre Empfindlichkeit feintunen, und das sogar selbstständig. Wie sie das machen, zeigt eine neue Studie unter Federführung von Universität und Universitätsklinikum Bonn. Die Beteiligten untersuchten dazu Nervenzell-Netzwerke, die unter anderem beim Sehen, Hören und bei Berührungen eine Rolle spielen. Dabei läuft der Reiz zunächst zum Thalamus. „Die Neuronen in der Hirnrinde werden durch die Signale aus dem Thalamus angeregt, Aktionspotenziale zu erzeugen“, erklärt Prof. Dr. Heinz Beck vom Institut für experimentelle Epileptologie und Kognitionswissenschaften am Universitätsklinikum Bonn. „Das sind kurze Spannungspulse, die dann an andere Stellen im Gehirn weitergeleitet werden. Sie müssen zum Beispiel ihre Empfindlichkeit herunterregeln, wenn die eingehenden Reize sehr stark waren.
„Wir haben nun entdeckt, dass ein bestimmtes Enzym namens SLK bei diesem Prozess eine Rolle spielt“, sagt Beck, der auch Sprecher des Transdisziplinären Forschungsbereichs „Leben und Gesundheit“ der Universität Bonn ist. „Bei diesem Mechanismus spielen spezielle Nervenzellen eine wesentliche Rolle, die sogenannten Interneurone“, erläutert Dr. Pedro Royero aus Becks Arbeitsgruppe. Er hat mit dieser Studie in der Internationalen Max-Planck-Graduiertenschule promoviert und den größten Teil der Experimente durchgeführt. Interneurone senden hemmende Aktionspotenziale an erregte Nervenzellen. Sie drehen dadurch gewissermaßen an dem Knopf, der ihre Empfindlichkeit reduziert. Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Interneuronen. Die einen werden direkt durch die eingehenden Impulse aus dem Thalamus aktiviert. Sie hemmen die Nervenzellen schon, während diese gleichzeitig vom Thalamus erregt werden. Ein anderer Typ wird dagegen erst durch die Aktivität der Nervenzellen in der Hirnrinde angeschaltet - also exakt der Neuronen, die sie nachher hemmen sollen. Sie sind also Teil einer negativen Rückkopplungsschleife.
Rolle bei der Sinnesverarbeitung
Im Alltag nehmen wir ständig Informationen über unsere Sinnesorgane auf, die das Gehirn korrekt verarbeiten muss. Zuerst gelangen sie in die zentrale Schaltstelle, den Thalamus, dann in die Großhirnrinde, den Cortex. Eine prinzipielle Verbindungsleitung zwischen beiden Hirnarealen sind die Nervenzellen im so genannten „higher-order“-Thalamus. Ihre Funktion bei der Sinnesverarbeitung war bisher unbekannt.
Tiermodell für die Erforschung von sensorischen Reizen: Für Neurowissenschaftler wie Dr. Alexander Groh vom Institut für Neurowissenschaften und der Neurochirurgischen Klinik der TUM sind deshalb die Prozesse in den Nervenzellen am Übergang vom Thalamus zum Cortex besonders interessant. „Über die Funktion und Wirkungsweise dieser Region, die als ‘higher-order’-Thalamus bezeichnet wird, weiß man noch sehr wenig. Sie ist aber extrem wichtig, da die Nervenzellen dort Kontakte zu zahlreichen Bereichen des Cortex ausbilden und diese potentiell beeinflussen.“, erklärt Alexander Groh, der die aktuelle Studie leitete. Mit ihren Experimenten konnten die Wissenschaftler jetzt erstmals im Tiermodell die Nervenzellaktivitäten bei sensorischen Reizen an dieser Verbindungsstelle darstellen. Die Forscher berührten hierzu die Tasthaare von schlafenden Mäusen und maßen zeitgleich die Abläufe in den Nervenzellen der cortikalen Zielgebiete. „Für die Maus sind die Tasthaare das wichtigste Sinnesorgan dessen Signale vom Cortex in Sinneseindrücke verwandelt werden. Es wird seit langem diskutiert, wie die Zellen im ‘higher-order’-Thalamus die sensorischen Signale im Cortex beeinflussen.“, erklärt Dr. Rebecca Mease, die an der Studie mitwirkte.
Groh und sein Team konnten zeigen, dass der „higher-order”-Thalamus aktivierende Signale an den Cortex sendet. Diese konnten cortikale Signale verstärken und sogar noch aufrechterhalten, als der eigentliche Reiz - die Berührung der Tasthaare - gar nicht mehr existierte. „Der higher-order-Thalamus dient offensichtlich als Verstärker von wichtigen Signalen und über einen gewissen Zeitraum auch als Kurzzeitspeicher. So kann das Gehirn im Thalamus wichtige Informationen herausfiltern und diese dann verstärkt und verlängert an den Cortex weitergeben.“
Klinische Bedeutung: Auswirkungen von Thalamusläsionen
Entsprechend der mannigfaltigen Aufgaben des Thalamus sind Ausfälle Effekte von Läsionen. Und teils sehr spezifisch: Ist zum Beispiel der Nucleus ventralis posterolateralis betroffen, kommt es zu Störungen der Oberflächen- und Tiefensensibilität - und das Gefühl von Schwellung und Schwere in den Extremitäten kann die Folge sein. Schmerz, motorische Phänomene oder Lähmung - vieles ist möglich. Großflächige Schädigungen des dorsalen Thalamus sind zum Glück sehr selten. Dann aber geht alles schief - es gibt nicht nur sensorische Ausfälle, sondern auch schwere motorische.
Eine Schädigung des Thalamus kann zu Störungen in der sensorischen Wahrnehmung, motorischen Kontrolle und Emotionen führen, da er als zentrale Umschaltstelle für sensorische Informationen fungiert. Eine Patientin, bei der der laterale geniculare Körper geschädigt wurde, könnte Schwierigkeiten haben, visuelle Informationen korrekt zu verarbeiten.
Thalamus und Gedächtnis
Der Thalamus spielt eine wichtige Rolle im Gedächtnisprozess, insbesondere durch seine Verbindung mit dem Hippocampus und anderen Gedächtnisstrukturen. Er kann empfindliche Informationen integrieren und sie so kodieren, dass sie einen nachhaltigen Eindruck hinterlassen. Zusammen mit anderen Gehirnregionen arbeitet er an der Speicherung und dem Abruf von Erinnerungen.
Der Thalamus im Vergleich zu anderen Hirnarealen
Im Vergleich zu anderen Gehirnarealen, wie der Amygdala oder dem Kortex, hat der Thalamus eine einzigartige Rolle als Vermittler und Filter der Informationen. Während der Kortex für die komplexe Verarbeitung und das Verstehen von Informationen zuständig ist, sorgt der Thalamus dafür, welche Signale an den Kortex weitergeleitet werden. Der Thalamus fungiert als Relaisstation im Gehirn und leitet sensorische Informationen von den Sinnesorganen zur Großhirnrinde weiter. Der Thalamus fungiert als Vermittler und Filter für sensorische Informationen, die zum Kortex gelangen, was die bewusste Wahrnehmung ermöglicht.