Der Frontallappen, oft als „Regisseur im Gehirn“ oder „Wiege der Kultur“ bezeichnet, ist die größte Hirnstruktur des Menschen und spielt eine entscheidende Rolle bei Planung und Ausführung willentlicher Bewegungen. Innerhalb des Frontallappens nimmt der primäre motorische Cortex, insbesondere das Brodmann-Areal 4, eine zentrale Stellung ein. Dieser Artikel beleuchtet die Struktur, Funktion und Bedeutung dieses Areals im Kontext der gesamten motorischen Steuerung.
Einführung in den Frontallappen und den motorischen Cortex
Der Frontallappen erstreckt sich über den gesamten vorderen Teil des Cortex bis zur Zentralfurche und wird von vielen Fachleuten als Sitz der höheren geistigen Funktionen des Menschen angesehen. Der präfrontale Cortex (PFC), der vorderste Bereich des Frontallappens, wird immer wieder im Zusammenhang mit Aufmerksamkeit, Nachdenken, Entscheidung und Planung genannt und gilt als Sitz der Persönlichkeit.
Betrachtet man den Frontallappen von hinten nach vorn, so liegt kurz vor der Zentralfurche der primäre motorische Cortex (Gyrus praecentralis, Brodmann-Areal 4), der maßgeblichen Anteil an der willentlichen Bewegung hat.
Der primäre motorische Cortex (M1): Struktur und Organisation
Der primäre motorische Cortex (M1) wird als Ursprung der willkürlichen Motorik betrachtet, besonders in Bezug auf Schnelligkeit, Richtung und Kraftentwicklung. Er befindet sich im Gyrus praecentralis und greift auf die Medialfläche über.
Somatotope Gliederung
Der primäre motorische Cortex ist somatotop aufgebaut, nach einer Art Karte, die den Körper widerspiegelt. Diese Karte, auch bekannt als motorischer Homunkulus, veranschaulicht modellhaft die somatotopische Gliederung motorischer Efferenzen sowie sensorischer Afferenzen in den jeweiligen Kortexarealen. Interessanterweise nehmen das Gesicht - und besonders Lippen und Zunge - sowie die Hand einen auffallend großen Raum ein, während der Körper vergleichsweise gering repräsentiert ist.
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Diese Verteilung spiegelt die unterschiedlichen Anforderungen an die Muskelsteuerung wider. Die Muskeln in Rücken oder Bauch haben recht einfache Aufgaben, während die Mimik des Gesichts, die Lauterzeugung über Lippen und Zunge - die Sprache - oder die ausgefeilte Motorik der Hände hohe Anforderungen stellen. Das Knie, das im realen, sitzenden Leben so häufig das Bein um 90 Grad anwinkelt, tut dies auch im Gehirn: Es ist direkt am medialen Rand - der Mantelkante - repräsentiert, eben dort, wo sich der Cortex nach innen faltet.
Zytoarchitektur
Der primär-motorische Kortex (Brodman Area 4) liegt direkt vor dem Sulcus centralis. Er enthält (fast) keine Körnerzellen aber viele sehr große Pyramidenzellen (Betz-Zellen), Ursprungszellen der absteigenden pyramidal-motorischen Fasern. Die motorische Rinde weist den charakteristischen sechsschichtigen Aufbau des Isocortex auf.
Funktion des primären motorischen Cortex
Der primäre motorische Cortex (M1) wird als Ursprung der willkürlichen Motorik betrachtet, besonders in Bezug auf Schnelligkeit, Richtung und Kraftentwicklung. Er dient der Umsetzung des Bewegungsprogramms in Impulse für die Motoneurone im Rückenmark.
Im Hinterkopf behalten muss man allerdings, dass M1 zwar dem Titel nach der primäre Motorcortex ist, jedoch in ein umfassendes Netzwerk zur Steuerung der Bewegung eingebunden ist. Die Axone seiner Pyramidenzellen bilden die Pyramidenbahn. Sie zieht zum Rückenmark, wo die Bewegungsimpulse zur Muskulatur verschaltet werden.
Die Stimulation des primären motorischen Cortex führt zur Kontraktion von Muskelgruppen auf der gegenüberliegenden Körperseite. Der Motorcortex spielt eine zentrale Rolle in der Initiierung und Kontrolle willkürlicher Bewegungen.
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Afferenzen und Efferenzen
Der motorische Kortex empfängt einkommende Signale (Afferenzen) hauptsächlich vom Thalamus, der als Umschaltstelle dient und Informationen aus den Basalganglien, dem Kleinhirn und den sensorischen Kortexarealen weiterleitet. Diese Afferenzen versorgen den motorischen Kortex mit Informationen über den aktuellen Zustand des Körpers und dessen Interaktion mit der Umwelt, was für die Planung und Anpassung von Bewegungen unerlässlich ist.
Die primären ausgehenden Signale (Efferenzen) des motorischen Kortex verlaufen über die Pyramidenbahn (Tractus corticospinalis und Tractus corticonuclearis), welche Bewegungsbefehle direkt an die Muskulatur des Körpers (Tractus corticospinalis) und des Kopf- und Halsbereiches (Tractus corticonuclearis) weiterleiten. Diese direkten Verbindungen zum Hirnstamm und Rückenmark sind entscheidend für die Ausführung fein abgestimmter willkürlicher Bewegungen.
Zusätzlich besteht eine komplexe Verschaltung in Form von Signalschleifen mit den Basalganglien und dem Kleinhirn, wobei der Thalamus eine Schlüsselrolle spielt. Diese Strukturen erhalten Informationen über geplante und aktuelle Bewegungen, verarbeiten sie und senden korrigierendes Feedback an den motorischen Kortex, was eine präzise Steuerung und Koordination von Bewegungen ermöglicht.
Benachbarte motorische Areale
Direkt nach vorn, Richtung Stirn, schließt sich der prämotorische Cortex (nach Brodmann Areal 6 und teilweise 8) an, der an komplexen Bewegungsabläufen beteiligt ist. Auch er ist in Form einer Körperkarte organisiert, wobei hier eine Besonderheit vermutet wird: der mediale - innen gelegene - prämotorische Cortex scheint mehr an geplanten Bewegungen beteiligt zu sein, während der laterale, äußere Bereich eher auf sensorische Signale - also auf das Geschehen der Außenwelt reagiert. Der prämotorische Cortex liegt vor dem primär motorischen Cortex und nimmt das Brodmann-Areal 6 ein.
Das vergleichsweise kleine supplementär-motorische Areal (SMA) liegt direkt vor dem prämotorischen Cortex auf der Oberfläche. Die Neurone hier sind an der Entwicklung des Bewegungsplans beteiligt.
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Neben dieser Ganzkörpermotorik gibt es mit dem frontalen Augenfeld (Brodmann-Areal 8) und dem Broca-Areal (Brodmann-Areal 44) noch zwei Spezialisten: ersteres steuert die bewussten Augenbewegungen, während das Broca-Areal für die Sprachmotorik zuständig ist. Es kommt nur in einer Hemisphäre vor und liegt bei Rechtshändern üblicherweise links. Broca-ArealDas Brodmann-Areal 44 und 45, auch als Broca-Areal bekannt, spielen eine entscheidende Rolle beim Sprechen und Verstehen von Sprache. Diese Areale befinden sich im linken Frontallappen und sind besonders bei der Sprachproduktion und -koordination aktiv (motorisches Sprachzentrum).
Auswirkungen von Schädigungen des primären motorischen Cortex
Entsprechend ihrer Aufgabengebiete fallen die Störungen auf, wenn eines der motorischen Areale geschädigt wird: So kann zum Beispiel ein Schlaganfall im primären Motorcortex zu einer Schwächung oder Lähmung der gegenüberliegenden Körperseite führen.
Bei Läsionen im M1, wie bei einem Schlaganfall, kann es zu kontralateraler Hemiparese kommen oder auch zur Hemiplegie, welche die Halbseitenlähmung beschreiben. Schädigungen des primären motorischen Kortex (BA 4), z. B. durch einen Schlaganfall in der vorderen Zentralregion, führen zu Lähmungen (Paresen) oder einem vollständigen motorischen Ausfall (Plegie) der kontralateralen Körperseite.
Forschung und Diagnostik
Durch bildgebende Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomograhie (fMRT), kann die Aktivität des motorischen Cortex untersucht werden.
Die Brodmann-Areale im Überblick
Die Brodmann-Areale sind eine anatomisch-funktionelle Einteilung der Großhirnrinde, die auf den zytoarchitektonischen Untersuchungen des Neurologen Korbinian Brodmann aus dem Jahr 1909 basiert. Er unterteilte die Großhirnrinde in 52 verschiedene Areale, die sich durch ihre zelluläre Struktur unterscheiden und spezifische Funktionen übernehmen. Die Einteilung nach Brodmann hat bis heute große Bedeutung für die Neurowissenschaften, insbesondere für die funktionelle Bildgebung und die neuroanatomische Forschung.
Brodmanns Beitrag zur Hirnforschung
Korbinian Brodmann schuf gemeinsam mit Oskar Vogt die technischen Voraussetzungen für die Herstellung großflächiger Hirnschnitte. Er fand, dass die Großhirnrinde von Säugetieren und Menschen aus sechs Schichten aufgebaut ist - ein großer Fortschritt gegenüber der Situation zuvor.
Nach einigen Vorarbeiten veröffentlichte Korbinian Brodmann 1909 seine Ergebnisse zur Zytoarchitektur der Großhirnrinde: „Vergleichende Lokalisationslehre der Grosshirnrinde: in ihren Prinzipien dargestellt auf Grund des Zellenbaues“. Darin teilte er die Großhirnrinde nach histologischen Kriterien in 52 Felder ein, die nach ihm als Brodmann-Areale bekannt sind. Dabei war sein Ziel, „ein vollständiges Bild des Rindenbaues und seiner örtlichen Modifikationen in allen Teilen zu erhalten und möglicherweise auf diesem Wege zu einer auch für die Klinik verwertbaren topographisch-lokalisatorischen Gliederung der Rindenfläche zu gelangen“.
Brodmann erkannte zwar in Ansätzen die funktionelle Bedeutung der Areale, etwa den primär-motorischen Cortex im Gyrus praecentralis des Frontallappens (Area 4), doch er verstand sich als Anatom und war bezüglich der Verknüpfung bestimmter Funktionen mit den von ihm beschriebenen Feldern zurückhaltend. Eine Spekulation über die Lokalisation komplexer psychischer Vorgänge in einzelnen Arealen lehnte er ab.
Vermächtnis und aktuelle Forschung
Durch ihre Benennung in Zahlen blieb Brodmanns Hirnkartierung für weitere Forschung offen, auch spätere Forscher konnten seine Nomenklatur verwenden. Seit Mitte der 1970er-Jahre arbeiten Forscher im Hirnforschungszentrum Jülich an einer Karte des gesamten Gehirns, die weit über Brodmanns Kartierung hinausgehen sollte (Projekt „Brain Mapping“). Im letzten Jahr haben Jülicher und Düsseldorfer Forscher unter der Leitung von Katrin Amunts „Julich Brain“, den ersten 3-D-Atlas des Gehirns und die bisher umfangreichste digitale Karte der Zytoarchitektur des Gehirns, im Fachmagazin „Science“ vorgestellt. Der Atlas bildet die Variabilität der Hirnstruktur mit mikroskopischer Auflösung ab. Im Rahmen des europäischen „Human Brain“-Projekts dient er dazu, Informationen über das Gehirn räumlich exakt zu verknüpfen.
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