Der supplementär-motorische Kortex (SMA) ist ein wichtiger Teil des motorischen Systems im Gehirn, der eine entscheidende Rolle bei der Planung, Initiierung und Durchführung von Bewegungen spielt. Er ist ein Teil der prämotorischen Areale und eng mit anderen kortikalen und subkortikalen Strukturen verbunden. In diesem Artikel werden wir die Funktion, Anatomie und Bedeutung des supplementär-motorischen Kortex detailliert untersuchen.
Einführung in die motorischen Areale
Die motorischen Areale des Gehirns sind neuroanatomisch definierte Regionen, die eine bedeutende Funktion bei der Planung, Initiierung und Durchführung kontrollierter Bewegungen übernehmen. Die Motorik umfasst die Gesamtheit der vom Zentralnervensystem kontrollierten Bewegungen des Körpers, einschließlich motorischen Lernens und der Greifmotorik. Im engeren Sinne bezieht sich der Begriff auf die kortikalen motorischen und prämotorischen Areale.
Die funktionelle Neuroanatomie motorischer Systeme lässt sich in fünf Hauptebenen aufteilen, wobei die Kontrollebenen sowohl hierarchisch als auch parallel organisiert sein können:
- Motorische und prämotorische Areale
- Thalamokortikale Projektionen
- Basalganglien
- Cerebellum
- Cinguläre Areale
Die Rolle des supplementär-motorischen Kortex (SMA)
Der supplementär-motorische Kortex (SMA) ist ein Teil des medialen Teils der Area 6 nach Brodmann und nimmt zusammen mit dem primären motorischen Kortex (M1), dem prämotorischen Kortex (PMC) und dem prä-supplementär-motorischen Areal (Prä-SMA) eine wichtige Funktion ein. Neuroanatomische und neurophysiologische Studien sowie bildgebende Verfahren sprechen für eine stärkere Aktivierung der SMA bei der Planung und Produktion intern generierter im Vergleich zu visuell geführten Bewegungssequenzen.
Funktionelle Unterschiede zwischen SMA und PMC
Im Gegensatz zur SMA zeigen Untersuchungen vermehrte Aktivitäten im PMC, wenn eine Bewegungssequenz unter sensorischer Instruktion durchgeführt werden sollte. Die Prä-SMA erhält mehr Zugang zu visueller Information als die SMA. Es bestehen direkte Verbindungen zwischen dem präfrontalen Kortex und der Prä-SMA, und die Prä-SMA erhält afferente Projektionen vom unteren Parietallappen, den Gebieten PG und PFG. Andererseits weist die Prä-SMA auch Verbindungen zu den cingulären motorischen Arealen auf, was im Hinblick auf den Abruf motorischer Informationen aus dem Gedächtnis und bei der Bewältigung bimanueller Koordinationsaufgaben von Bedeutung ist.
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Handlungsplanung und Bewegungssequenzen
Der SMA spielt eine entscheidende Rolle bei der Handlungsplanung und der Produktion von Bewegungssequenzen. Dies umfasst sowohl intern generierte als auch visuell gesteuerte Bewegungen. Die Fähigkeit des SMA, komplexe Bewegungsabläufe zu koordinieren, ist für viele alltägliche Aufgaben unerlässlich.
Anatomische Verbindungen des SMA
Der SMA ist durch zahlreiche Verbindungen mit anderen Hirnarealen vernetzt, was seine vielfältigen Funktionen unterstützt:
- Präfrontaler Kortex: Direkte Verbindungen zur Prä-SMA ermöglichen die Integration von kognitiven Prozessen und Handlungsplanung.
- Unterer Parietallappen: Afferente Projektionen von den Gebieten PG und PFG liefern sensorische Informationen, die für die Bewegungsplanung relevant sind.
- Cinguläre motorische Areale: Verbindungen zur SMA unterstützen den Abruf motorischer Informationen aus dem Gedächtnis und die Koordination bimanueller Aufgaben.
- Basalganglien und Cerebellum: Der SMA ist Teil von Schleifen, die über den Thalamus mit den Basalganglien und dem Cerebellum interagieren, um Bewegungen zu modulieren und zu verfeinern.
Thalamokortikale Projektionen
Die thalamokortikalen Projektionen üben eine exzitatorische Wirkung auf die kortikalen motorischen Zentren aus. Sie entstammen den ventrobasalen Kerngebieten des Thalamus, in denen cerebelläre und lemniskale Afferenzen sowie die Projektionen aus den Basalganglien enden. Sowohl die Basalganglien als auch das Cerebellum wirken somit über die Relaiskerne im Thalamus auf die motorischen Felder des Kortex ein.
Basalganglien und ihre Funktion
Als Basalganglien werden die Kerne des Gehirns zusammengefasst, die vor allem für die Modulation von Bewegungen von Bedeutung sind. Dazu gehören das Striatum, das aus Nucleus caudatus und Putamen besteht, und das Pallidum. Funktionell werden auch die Substantia nigra und der Nucleus subthalamicus dazugezählt. Der innere Teil des Globus pallidus stellt gemeinsam mit der Substantia nigra den Ausgang der Basalganglien zum Thalamus dar.
Die Basalganglien nehmen gemeinsam mit den kortikalen motorischen Zentren und den thalamischen Kernstrukturen eine bedeutende Funktion sowohl in motorischen, okulomotorischen als auch motivationalen und kognitiven Prozessen ein. Die unterschiedlichen Funktionsschleifen verlaufen räumlich getrennt und sind innerhalb der motorischen Repräsentation somatotopisch organisiert.
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Cerebellum und seine Rolle in der Motorik
Das Cerebellum nimmt eine bedeutende Funktion in der Kontrolle von Haltung und Bewegung ein. Es empfängt erregende Eingänge von den pontinen Kernen, die über die Moosfasern die Körnerzellen erregen, sowie von der unteren Olive, deren Axone als Kletterfaser direkt die Purkinjezellen innervieren. Die Axone Letzterer wirken hemmend (GABAerg) auf die Zellen der Kleinhirnkerne.
Das Cerebellum ist für die unbewusste Steuerung der Motorik, das motorische Lernen, die sensomotorische Integration und die zeitliche Koordination motorischer Reaktionen verantwortlich. Es bezieht propriozeptive und visuelle Information; der anteriore Lobulus projiziert seinerseits zur motorischen Kontrolle zum prämotorischen Kortex, der laterale posteriore Lobulus ist über Verbindungen zum präfrontalen Kortex anscheinend entscheidend an kognitiven Funktionen beteiligt.
Cinguläre Areale und ihre Verbindungen
Die cingulären Areale sind Teilbestandteil des limbischen Assoziationskortex. Der limbische Assoziationskortex empfängt Projektionen von übergeordneten sensorischen Arealen und weist enge Verbindungen zum Neokortex auf, insbesondere zum präfrontalen Kortex, dem primären motorischen Kortex, der frontalen Augenregion, der SMA und der Prä-SMA.
Der motorische Kortex im Überblick
Der motorische Kortex, auch bezeichnet als Motorcortex, ist eine zentrale Struktur des menschlichen Gehirns, welche essenziell für die Planung, Kontrolle und Ausführung willkürlicher Bewegungen ist. Als Teil des Frontallappens umfasst der motorische Kortex mehrere spezialisierte Bereiche, die eng miteinander zusammenwirken. Dazu zählen der primär motorische Kortex (M1), der prämotorische Kortex und das supplementär-motorische Areal.
Funktionelle Bereiche des motorischen Kortex
- Primärer motorischer Kortex (M1): Dieser Bereich, der etwa mit dem Brodmann Areal 4 gleichzusetzen ist, befindet sich im Gyrus precentralis und ist somatotopisch gegliedert. Er ist direkt für die Steuerung willkürlicher Bewegungen verantwortlich und sendet Signale über die Pyramidenbahn an die Muskeln.
- Prämotorischer Kortex (PMC): Der prämotorische Kortex liegt vor dem primär motorischen Kortex und nimmt das Brodmann-Areal 6 ein. Er plant Bewegungen und integriert sensorische Informationen, um diese an Bewegungsmuster anzupassen.
- Supplementär-motorisches Areal (SMA): Das SMA ist ebenfalls Teil des Brodmann-Areals 6 und ist vor allem an der Planung und Initiierung komplexer Bewegungssequenzen beteiligt, insbesondere solcher, die intern generiert werden.
Der motorische Homunkulus
Der motorische Homunkulus veranschaulicht modellhaft die somatotopische Gliederung motorischer Efferenzen sowie sensorischer Afferenzen in den jeweiligen Kortexarealen. Er zeigt, dass Körperteile, die feinmotorische Kontrolle erfordern, wie Hände und Gesicht, überproportional dargestellt sind, während weniger präzise kontrollierte Bereiche kleinere Areale einnehmen.
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Forschung und Entdeckungen zum motorischen Kortex
Die Erforschung des motorischen Kortex hat eine lange Tradition und begann bereits im 19. Jahrhundert.
Frühe Experimente
Die deutschen Hirnforscher Gustav Fritsch und Eduard Hitzig reizten im Jahr 1870 den Motorcortex von Hunden elektrisch, woraufhin die Tiere die Beine der entgegengesetzten Körperhälfte bewegten. Diese Experimente zeigten erstmals, dass spezifische Bereiche des Kortex für die Steuerung von Bewegungen zuständig sind.
Wilder Penfield und der Homunkulus
Der kanadische Neurochirurg Wilder Penfield operierte schwerkranke Epilepsiepatienten und reizte während der Operationen den Motorcortex mit Platinelektroden. Dabei beobachtete er die Reaktionen der Patienten und erstellte eine Karte des primären Motorcortex, in der verzeichnet war, welcher Bereich für welches Körperteil zuständig ist. Diese Karten wurden als Homunculus bekannt.
Moderne Forschung
Moderne bildgebende Verfahren wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ermöglichen es, die Aktivität des motorischen Kortex während verschiedener Aufgaben zu untersuchen. Diese Studien haben gezeigt, dass nicht einzelne Muskeln, sondern vielmehr Bewegungskategorien im primären Motorcortex repräsentiert sind.
Plastizität des motorischen Kortex
Das Gehirn 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 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.
Klinische Bedeutung des motorischen Kortex
Der Motorcortex ist von zentraler Bedeutung für die Steuerung der bewussten Bewegung, weshalb Schäden in diesem Bereich zu vielfältigen neurologischen Ausfällen führen können.
Häufige Folgen von Läsionen
- Lähmungen: Je nach Ausmaß der Schädigung können Lähmungen als Parese (teilweise Lähmung) oder Plegie (vollständige Lähmung) auftreten. Typische Formen sind die Hemiparese oder -plegie, bei der eine Körperhälfte betroffen ist, häufig in Folge eines Schlaganfalls.
- Spastizität: Eine Schädigung der Pyramidenbahn führt zu einer Übererregbarkeit der Reflexbögen und einer erhöhten Muskelspannung.
- Motorische Apraxie: Patienten können gezielte Bewegungsabläufe nicht mehr korrekt ausführen, obwohl die Muskelkraft erhalten ist.
- Epileptische Anfälle: Schädigungen des Motorcortex können epileptische Anfälle auslösen.
Untersuchungsmethoden des motorischen Kortex
Wissenschaftler nutzen verschiedene Methoden, um die Aktivität und Funktion des motorischen Kortex zu untersuchen:
- Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT): Ermöglicht die bildliche Darstellung der Hirnaktivität während verschiedener Aufgaben.
- Elektroenzephalographie (EEG): Misst die elektrische Aktivität des Gehirns über Elektroden auf der Kopfhaut.
- Elektrostimulation und transkranielle Magnetstimulation (TMS): Helfen, die direkte Funktionalität zu untersuchen, indem sie gezielt Bereiche des Kortex stimulieren oder hemmen.
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