Der zerebrale Kortex, auch Großhirnrinde genannt, ist der größte und am weitesten entwickelte Teil des menschlichen Gehirns und des zentralen Nervensystems (ZNS). Er nimmt den oberen Teil der Schädelhöhle ein und besteht aus vier Lappen, die in zwei Hemisphären unterteilt sind, welche zentral durch das Corpus callosum verbunden sind. Die Rinde enthält erkennbare Gyri (Hirnwindungen), die durch Sulci (Furchen) getrennt sind. Die Großhirnrinde ist essentiell für das bewusste Erleben von Sinnesreizen und die Planung komplexer Aufgaben und Prozesse.
Anatomische Grundlagen
Zerebraler Kortex und seine Struktur
Der zerebrale Kortex ist der größte Anteil des Gehirns. Seine embryonale Entwicklung lässt sich von Neuralrohr über Prosencephalon und Telencephalon bis zum Großhirn verfolgen. Die mediale Oberfläche der linken Großhirnhemisphäre zeigt wichtige Strukturen wie den Sulcus collateralis, der den Gyrus lingualis vom Gyrus fusiformis trennt, den Sulcus calcarinus, der den Cuneus vom Gyrus lingualis trennt, und den Sulcus parieto-occipitalis, der den Parietallappen vom Okzipitallappen trennt. Die Lage einiger Schlüsselstrukturen, jedes der vier Lappen, des Gyrus prä- und postcentralis sowie der Sulci centralis, lateralis und parieto-occipitalis sind auf der Oberfläche erkennbar.
Blutversorgung des Gehirns
Die arterielle Versorgung des Gehirns wird aus zwei Quellen gewonnen:
- Die Aa. carotis internae
- Das vertebrobasiläre System
Diese Quellen verbinden sich zum Circulus Willisii, der aus fünf Komponenten besteht:
- A. communicans anterior
- Aa. cerebri anteriores
- Aa. carotis internae
- A. communicans posterior
- Aa. cerebri posteriores (PCA)
Die primäre arterielle Versorgung im gesamten Großhirn erfolgt durch die A. cerebri anterior (ACA), die A. cerebri media (MCA) und die A. cerebri posterior (PCA). Alle münden in den Zusammenfluss der Sinus sagittalis, Sinus transversus, Sinus sigmoideus und schließlich in die V. jugularis interna.
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Die vier Lappen des Gehirns
- Frontallappen: Der am weitesten anterior/superior gelegene Anteil des supratentoriellen Gehirns. Lateral wird er durch die A. cerebri media (MCA) und medial/superior durch die A. cerebri anterior (ACA) versorgt.
- Parietallappen: Liegt posterior zum Frontallappen und superior zum Okzipitallappen. Er ist an Prozessen der Empfindung und des Sprachverständnisses beteiligt. Medial wird er durch die A. cerebri media (MCA) und posterior durch die A. cerebri posterior (PCA) versorgt. Er empfängt kontralateralen somatosensorischen Input vom ventralen Ncl. posteromedialis und dem ventralen Ncl. posterolateralis.
- Okzipitallappen: Der am weitesten posterior gelegene Lappen des supratentoriellen Gehirns, der den primären visuellen Kortex enthält.
- Temporallappen: Der anteriore/inferiore Anteil des supratentoriellen Gehirns, der durch Äste der Aa. cerebri media und posteriores versorgt wird und den primären auditiven Kortex enthält.
Weitere wichtige Strukturen
Verschiedene Gyri im gesamten Gehirn, insbesondere der Gyrus parahippocampalis, sind wichtig für die Bildung des Kurzzeitgedächtnisses. Der mediale und der inferiore Gyrus temporalis sind wichtig für das Langzeitgedächtnis, während der Uncus eine wichtige Struktur des olfaktorischen Systems darstellt.
Der Sulcus Centralis
Anatomische Merkmale
Der Sulcus centralis, auch als Zentralfurche bezeichnet, ist eine prominente Furche (Sulcus) in der Großhirnrinde. Er trennt den vorderen Gyrus praecentralis vom dahinterliegenden Gyrus postcentralis und bildet damit die Grenze zwischen dem Frontallappen und dem Parietallappen. Funktionell markiert der Sulcus centralis die Trennung zwischen dem primären motorischen Cortex (Brodmann-Areal 4) und dem primären somatosensorischen Cortex (Brodmann-Areale 1 bis 3).
Der Sulcus centralis beginnt an der medialen Hirnoberfläche nahe der Interhemisphärenspalte, etwa in Höhe des Scheitelbeins. Von dort verläuft er in schräger Richtung nach lateral und leicht nach unten, wo er typischerweise oberhalb der Sylvischen Fissur endet. Trotz seiner relativ konstanten Lage zeigt der Sulcus centralis individuelle Variationen im Verlauf. In einigen Fällen weist er Unterbrechungen auf, sogenannte Pli de passage. Die Orientierung des Sulcus dient zudem als Bezugspunkt für andere Sulci und Gyri.
Histologisch zeigt sich eine deutliche Differenzierung beider angrenzender Rindenareale. Der Gyrus praecentralis entspricht dem Brodmann-Areal 4, das eine sogenannte agranuläre Struktur aufweist. Im Gegensatz dazu zeigt der Gyrus postcentralis (Brodmann-Areale 1 bis 3) eine granuläre Struktur.
Entwicklung
Der Sulcus centralis gehört zu den ersten Furchen, die sich während der pränatalen Gehirnentwicklung ausbilden. Ab etwa der 20. Schwangerschaftswoche ist der Sulcus meist sichtbar, seine Ausprägung schreitet bis zur 26. Woche fort. Ihre frühe Entstehung steht im Zusammenhang mit der Reifung motorischer und sensorischer Netzwerke und spiegelt die funktionelle Gliederung des sich entwickelnden Gehirns wider.
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Klinische Relevanz
In der klinischen Praxis besitzt der Sulcus centralis hohe Relevanz, insbesondere in der funktionellen Neurochirurgie, der Epilepsiediagnostik und der Neuroonkologie. Moderne bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglichen eine präzise Darstellung des Sulcus centralis. In strukturellen MRT-Aufnahmen lässt sich die Furche als hypointense Struktur erkennen, je nach Sequenz.
Bei neurochirurgischen Eingriffen, etwa zur Entfernung epileptogener Herde oder von Tumoren, ist die genaue Lokalisation des Sulcus zentralis entscheidend, um Ausfälle motorischer oder sensorischer Funktionen zu vermeiden.
Der Primäre Motorische Kortex (M1)
Lage und Funktion
Der primäre motorische Cortex (M1) befindet sich im Gyrus praecentralis, direkt vor dem Sulcus centralis und entspricht etwa dem Brodmann Areal 4. Er steuert den räumlich-zeitlichen Ablauf von Bewegungen. Seine Neurone sind größtenteils Ausgangspunkt für die Pyramidenbahn. Bestimmte Areale auf dem primären Motorcortex sind für bestimmte Körperteile zuständig. Überproportional stark vertreten sind vor allem Hände und Zunge.
Der primäre motorische Cortex ist der Startpunkt von weiten Teilen der Pyramidenbahn, mit einer Million Axonen einer der längsten und größten Bahnen unseres zentralen Nervensystems. Hier entspringen also Nervenzellfortsätze, die ohne Unterbrechung durch den Hirnstamm und weiter bis ins Rückenmark ziehen, um von dort dann über so genannte Motoneurone Befehle an die Muskulatur weiterzugeben.
Somatotopische Gliederung und der Homunkulus
Der primär motorische Cortex (M1) ist somatotopisch gegliedert, was durch den motorischen Homunkulus dargestellt wird. Hier sind Hände und Gesicht, welche präzise Bewegungen ausführen, überproportional dargestellt. Der Homunkulus veranschaulicht modellhaft die somatotopische Gliederung motorischer Efferenzen sowie sensorischer Afferenzen in den jeweiligen Kortexarealen.
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Zeichnet man auf, wie der menschliche Körper auf der zweidimensionalen Hirnrindenoberfläche des Motorcortex repräsentiert ist, entsteht ein grotesk verzerrtes Männchen mit riesigen Händen und einer überproportional großen Zunge. Das zeigt: Nicht die Größe eines Körperteils entscheidet darüber, wie stark es auf dem Motorcortex repräsentiert ist, sondern das Ausmaß der Feinmotorik. Die Hände können besonders diffizile Bewegungen ausführen, bei Menschen ebenso die Zunge, weil das wichtig ist, um sprechen zu können. Daher sind diese Körperteile stark im Motorcortex vertreten.
Rolle bei Bewegungssteuerung
Der primäre Motorcortex löst Bewegungen aus. Seit gut 140 Jahren weiß man, dass sich durch elektrische Reizung des primären Motorcortex Muskelkontraktionen auslösen lassen. Dies gelingt auch durch Stimulation anderer Gehirnareale, aber nur mit höherem Nachdruck, sprich größerer Stromstärke. Der primäre Motorcortex hat also kein Monopol auf Bewegungen, ist aber ganz klar Hauptverantwortlicher und Marktführer. Kommt es zu Schädigungen in diesem Hirnareal, etwa durch einen Schlaganfall, sind Lähmungen die Folge.
Kurz vor einer Bewegung, etwa dem Greifen der Hand nach einem Glas, lässt sich in vielen Gehirnregionen eine erhöhte Aktivität messen. Doch diese konzentriert sich dann auf ein Hirnrindengebiet vor dem Sulcus centralis, der zentralen Furche zwischen Stirn- und Scheitellappen des Gehirns.
Die Entscheidung, beispielsweise den einen Muskel zu strecken und gleichzeitig einen anderen zu beugen, treffen jedoch hauptsächlich andere Gehirnareale: Der prämotorische und der supplementär-motorische Cortex planen und initiieren Bewegungen und komplexe Bewegungsmuster - der Motorcortex ist zwar ebenfalls Teil der Entscheidungsfindung, spielt aber eine untergeordnete Rolle. Diese Hirnareale sind daher intensiv mit dem primären Motorcortex verschaltet. Ist die Entscheidung für eine Bewegung einmal gefallen, übernimmt der primäre Motorcortex: Er gibt letztendlich den Startschuss für eine Bewegung. Seine Neurone feuern aber auch schon in Erwartung einer Bewegung, also beispielsweise wenn ein Sprinter auf das Signal zum Losrennen wartet. So ist der Läufer schneller unterwegs, wenn das Startsignal dann ertönt. Sogar, wenn wir uns nur vorstellen, einen Ball zu werfen, ist der primäre Motorcortex aktiv. Allerdings ist die Erregung dann geringer, als wenn wir diesen Bewegungsablauf tatsächlich ausführen.
Interaktion mit anderen Hirnarealen
Eine Bewegung ist aber keine Einbahnstraße: Sie wird nicht einmal in Gang gesetzt, um dann ohne Korrektur abzulaufen. So registriert der somatosensorischer Cortex über Propriozeptoren Parameter wie die Lage der einzelnen Körperteile, die Gelenkstellung und die Muskelanspannung und tauscht sich laufend mit dem primären Motorcortex aus.
Forschung und Entdeckungen
Dass ein ganz bestimmtes Hirnareal für die Auslösung von Bewegungen zuständig ist, weiß man bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts. Die deutschen Hirnforscher Gustav Fritsch (1838 - 1927) und Eduard Hitzig (1838 - 1907) reizten im Jahr 1870 den Motorcortex von Hunden elektrisch, woraufhin die Tiere die Beine der entgegengesetzten Körperhälfte bewegten. Sehr viel eingehender beschäftigte sich einige Jahrzehnte später der kanadische Neurochirurg Wilder Penfield (1891 - 1976) mit dem motorischen Cortex - und zwar nicht an Versuchstieren, sondern am Menschen.
Wilder Penfield operierte schwerkranke Epilepsiepatienten: Beispielsweise entfernte er Tumore in ihrem Gehirn, welche die Beschwerden auslösten. Diese Eingriffe waren eine knifflige Angelegenheit: Penfield musste genau das richtige Areal finden, das es zu entfernen galt. Lag er falsch, war der Patient hinterher möglicherweise gelähmt oder konnte nicht mehr sprechen. Daher überzeugte er sich vor jeder Operation selbst davon, welcher Teil des Gehirns welche Aufgabe hatte. Er betäubte seine Patienten leicht, hielt sie aber bei Bewusstsein, während er ihre Schädeldecke öffnete und vorsichtig Stück für Stück des Gehirns um den betroffenen Bereich herum mit Platinelektroden reizte. Dabei beobachtete er den Kranken genau und ließ sich von ihm berichten, was er fühlte: Traf er Teile des somatosensorischen Cortex, hatte der Patient das Gefühl, jemand habe beispielsweise seine Wange gestreichelt. Wurde der motorische Cortex gereizt, bewegte sich hingegen ein bestimmtes Körperteil. Dabei notierte sich Penfield genau, welches Areal jeweils für welches Körperteil zuständig war. Etwa 400 Patienten operierte Penfield auf diese Weise. Das Ergebnis: Eine Karte des primären Motorcortex, in der verzeichnet war, welcher Bereich für welches Körperteil zuständig ist.
Aktuelle Forschungsergebnisse
Penfields Homunculus kann den Eindruck vermitteln, als gäbe es einen genau begrenzten Bereich von Nervenzellen auf der Hirnrinde, die etwa für einen bestimmten Muskel am Mittelfinger zuständig sind. Das Areal daneben wäre dann für einen anderen Muskel am Mittelfinger verantwortlich und aktivierte noch ein Areal weiter entfernt den gleichen Muskel am Ringfinger und so weiter. Aber diese auch von der Wissenschaft lange vermutete These erwies sich als falsch. Heute weiß man: So simpel und schematisch funktioniert der Motorcortex nicht. Die Hirnareale, die bei einer einfachen Beugung und Streckung der ersten drei Finger jeweils aktiv sind, überlappen zu einem großen Teil. Nervenzellen, die einen bestimmten Muskel reizen können, liegen zwar alle innerhalb eines gewissen Areals, sind aber meist über eine relativ große Cortexoberfläche ausgebreitet und nicht in einem eng umschriebenen Bereich zusammengedrängt.
Eine Forschergruppe am Health Science Center der State University of New York im US-amerikanischen Syracuse untersuchte im Jahr 1999 den Motorcortex von Affen, die verschiedene Hand- und Armbewegungen machten. Ein kleiner Teil der Neuronen im Affengehirn änderte seine Aktivität tatsächlich in Abhängigkeit von den Muskeln, die das Tier bei einer Bewegung jeweils benutzte. Der weitaus größte Teil von Nervenzellen jedoch schien mehr für unterschiedliche Arten von Bewegungen zuständig zu sein: Je nachdem in welche Richtung der Affe sein Handgelenk bewegte, feuerten diese Nervenzellen unterschiedlich stark, unabhängig von den einzelnen Muskeln, die dabei in Aktion waren. Auch die Untersuchungen anderer Forscher weisen in diese Richtung: Nicht einzelne Muskeln, sondern vielmehr Bewegungskategorien sind im primären Motorcortex repräsentiert.
So konnten die Forscher um Michael Graziano an der US-amerikanischen Princeton University durch die gezielte Stimulation von Cortexarealen ganz bestimmte Bewegungsabfolgen auslösen, an denen verschiedene Körperteile beteiligt sind - etwa das Schließen der Hand zum Zugreifen, dann das Führen der Hand zum Mund und gleichzeitiges Öffnen des Mundes. Reizten die Wissenschaftler eine andere Region, bewirkten sie damit, dass das Gesicht sich verzog, der Kopf sich dann in eine Richtung drehte und der Arm hochschnellte, als ob es das Gesicht vor einem Schlag zu schützen gälte. Michael Graziano konnte auch zeigen, dass längere Stimulation einer Region komplexere motorische Aktionen auslöst.
Plastizität des Motorcortex
Das Gehirn mit seinen Milliarden von Nervenzellen ist keineswegs ein starres Gebilde, sondern verändert sich ständig - und zwar ein Leben lang. Das gilt ganz besonders für den primären Motorcortex. Bei einem Pianisten ist dieser Teil der Hirnrinde ganz anders organisiert als bei einem Bauarbeiter: Denn durch regelmäßiges Üben wird das Areal, in dem der trainierte Körperteil auf dem Motorcortex repräsentiert ist, größer. Und nach einer Amputation wird der Bereich, der bisher für diesen Körperteil zuständig war, umfunktioniert und übernimmt dann andere Aufgaben.
Rehabilitation nach Schlaganfall
Etwa 70 bis 80 Prozent der Menschen, die von einem Schlaganfall betroffen sind, erleiden als direkte Folge eine Form von Armlähmungen oder -schwäche. Diese tritt auf, wenn Gehirnareale, die normalerweise die Bewegung und Kontrolle über bestimmte Körperteile steuern, beschädigt oder zerstört wurden. Glücklicherweise besitzt unser Gehirn die Fähigkeit, seine Struktur und Funktionen zu verändern, da verletzte Nervenzellen wiederhergestellt werden und sich neuronale Verbindungen anpassen können. Das Ganze nennet man Neuroplastizität.
Die Wiederherstellung der Hand- bzw. Armfunktion ist daher ein wichtiges Ziel der neurologischen Rehabilitation. In der Armrehabilitation gibt es bereits ein vielfältiges Therapieangebot; bewährt haben sich unter anderem spezifische übende Therapieansätze wie die Constraint-induced movement therapy (CIMT), das Armbasistraining oder die Spiegeltherapie. Auch technisch-unterstützte Rehabilitationsverfahren wie die robotergestützte Therapie, funktionelle Elektrostimulation der betroffenen Muskeln und die repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) können hilfreich sein.
Transkranielle Magnetstimulation (TMS)
Die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nicht-invasives Verfahren, das seit über zehn Jahren zur Routinediagnostik in der Neurologie angewandt wird. Bei der TMS wird über eine am Kopf angelegte Spule ein kurzer magnetischer Impuls abgegeben. Dieser Impuls durchdringt die Haare und Kopfhaut, erreicht das Gehirn und aktiviert magnetisch-elektrisch die an der Oberfläche liegenden Gehirnzellen. Auf der Grundlage der elektromagnetischen Induktion bewirken die Pulse eine kurz andauernde und schmerzfreie Veränderung der Gehirnaktivität, indem die Vernetzung der Gehirnzellen stimuliert oder gehemmt wird.
Eine Studie untersuchte, ob bei denjenigen Patientinnen und Patienten, bei denen zusätzlich zur Standardtherapie rTMS eingesetzt wird, stärkere Verbesserungen der Hand- und Armfunktionen und damit eine Unterstützung von Prozessessen neuronaler Plastizität zu beobachten sind als bei Rehabilitanden, die ausschließlich die Standardtherapie erhalten.
Die Studienergebnisse belegen, dass der Spastizitätsgrad sich nur bei Patientinnen und Patienten in der LF-rTMS-Gruppe reduzierte, während sich die motorische Funktion der oberen Extremität in beiden Gruppen im Laufe der Zeit verbesserte. Die fMRT-Daten zeigten, dass in beiden Gruppen typische Regionen des sensorisch-motorischen Netzwerks aktiviert wurden. In der LF-rTMS-Gruppe nahm jedoch die Konnektivität zum linken Gyrus angularis nach der Behandlung zu. Dieses sich in der Großhirnrinde befindende Areal spielt eine entscheidende Rolle bei der Vernetzung von Seh- und Hörzentren mit höheren sensorischen und motorischen Arealen und ist an komplexen kognitiven Funktionen wie Schreiben, Lesen und Rechnen beteiligt. Nur auf die beeinträchtigten motorischen Funktionen bei den Patientinnen und Patienten zeigte sich keine einheitlich positive Wirkung.
Weitere Bereiche des Kortex
Neben dem primären motorischen Kortex gibt es weitere wichtige Bereiche im Kortex, die verschiedene Funktionen erfüllen:
- Sensorischer Kortex: Verarbeitet Informationen aus dem Tastsinn sowie Schmerz-, Temperatur- und Körperpositionssinn (primärer somatosensorischer Kortex), visuelle Informationen (visueller Kortex), auditive Informationen (auditiver Kortex), Geschmackswahrnehmung (gustatorischer Kortex) und Geruchsinformationen (olfaktorischer Kortex).
- Assoziationskortex: Zuständig für komplexere Funktionen wie Denken, Entscheidungsfindung, Sprache und Bewusstsein.
- Limbischer Kortex: Wesentlich für Emotionen, Triebe und Gedächtnis.
- Broca- und Wernicke-Region: Entscheidend für Sprachproduktion und -verständnis.
Kortikale Asymmetrie
In der menschlichen Gehirnstruktur zeigt sich eine ausgeprägte funktionelle Asymmetrie, was bedeutet, dass die beiden Gehirnhälften unterschiedliche Rollen bei der Verarbeitung von Aufgaben übernehmen. Diese Spezialisierung, auch als Lateralisation bekannt, führt dazu, dass bestimmte Funktionen primär oder ausschließlich von einer der beiden Hemisphären übernommen werden.
Üblicherweise fungiert bei Rechtshändern die linke Gehirnhälfte als die dominante Hemisphäre. Sie ist vorrangig zuständig für Prozesse, die abstraktes und symbolisches Denken erfordern, wie Sprachgebrauch, motorische Steuerung und die Planung von Bewegungsabläufen. Im Gegensatz dazu ist die rechte Gehirnhälfte stärker in nonverbale Aufgaben involviert.
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