Der übergeordnete präfrontale Kortex: Funktion, Anatomie und klinische Bedeutung

Der zerebrale Kortex, auch Großhirnrinde genannt, ist der größte und am weitesten entwickelte Teil des menschlichen Gehirns und ZNS. Er nimmt den oberen Teil der Schädelhöhle ein und besteht aus vier Lappen, unterteilt in zwei Hemisphären, die zentral durch das Corpus callosum verbunden sind. Die Rinde enthält erkennbare Gyri, die durch Sulci getrennt sind. Die Großhirnrinde ist essentiell für das bewusste Erleben von Sinnesreizen und der Planung komplexer Aufgaben und Prozesse. Das Großhirn ist der größte Anteil des Gehirns.

Einführung in den präfrontalen Kortex (PFC)

Der präfrontale Kortex (PFC) ist ein wesentlicher Bestandteil des Frontallappens, der sich rostral des prämotorischen Kortex bis zum anterioren Pol des Gehirns erstreckt. Dies entspricht den Brodmann-Arealen 8, 9, 10, 44, 45, 46 und 47. Er ist der am weitesten entwickelte Bereich des menschlichen Gehirns und spielt eine zentrale Rolle bei höheren kognitiven Funktionen. Der PFC ist für exekutive Funktionen wie Entscheidungsfindung, Problemlösung, Planung, Emotionsregulation und Arbeitsgedächtnis zuständig.

Anatomische Struktur und Topographie

Der präfrontale Kortex lässt sich topografisch in verschiedene Anteile unterteilen:

• Ventrolateraler PFC (VLPFC): Beteiligt an der Aufrechterhaltung und dem Abrufen von Informationen sowie an der Steuerung von Reaktionen.
• Dorsolateraler PFC (DLPFC): Verantwortlich für übergeordnete exekutive Funktionen wie Entscheidungsfindung, Problemlösung, Planung, Emotionsregulation und Arbeitsgedächtnis.
• Frontopolarer Kortex: Beteiligt an komplexen kognitiven Prozessen wie Zielsetzung und strategischer Planung.
• Orbitofrontaler Kortex (OFC): Spielt eine Rolle bei der Bewertung von Belohnungen und Bestrafungen sowie bei der emotionalen Entscheidungsfindung.
• Frontomedialer präfrontaler Kortex: Beteiligt an der Überwachung von Handlungen und der Fehlererkennung.
• Frontales Augenfeld: Steuert willkürliche Augenbewegungen.
• Broca-Areal: Verantwortlich für die Sprachproduktion.

Zytoarchitektonik, Chemoarchitektur und Ontogenese

Der präfrontale Kortex gehört zum Neokortex, dem jüngsten und nur bei Säugetieren vorzufindenden Teil des Gehirns. Gegenüber anderen neokortikalen Regionen grenzt sich der präfrontale Kortex durch einige Besonderheiten ab. Diese liegen u. a. im Bereich der Zytoarchitektonik, Chemoarchitektur und der ontogenetischen Entwicklung (Ontogenese; hier gekennzeichnet durch eine spät vollendete Myelinisierung). Weder anatomisch noch funktionell ist der präfrontale Kortex homogen. Die afferenten (Afferenz) und efferenten (Efferenz) Verbindungen des präfrontalen Kortex sind weitreichend und umfassen fast den gesamten Kortex, den Thalamus sowie viele weitere subkortikale Strukturen.

Funktionelle Bedeutung des PFC

Der präfrontale Kortex ist maßgeblich an der Top-Down-Verarbeitung beteiligt, also an höheren kogn. Prozessen (Kognition), die durch interne Zustände wie spezif. Zielsetzungen angetrieben werden (i. Ggs. zur reizgesteuerten Verarbeitung). Viele zentrale psych. Funktionen werden vom präfrontalen Kortex moduliert. Es wird diskutiert, ob diese Funktionen direkt im präfrontalen Kortex lokalisiert sind oder ob der präfrontale Kortex hauptsächlich eine übergeordnete Kontroll- und Verarbeitungsfunktion übernimmt. Zu den vom präfrontalen Kortex modulierten Funktionen gehören u. a.:

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• Selektive Aufmerksamkeit
• Arbeitsgedächtnis
• Planung
• Impulskontrolle
• Emotionsregulation
• Aufmerksamkeitssteuerung (Supervisory Attentional System (SAS))
• Selbstkorrekturprozesse

Konnektivität des PFC

Die afferenten (Afferenz) und efferenten (Efferenz) Verbindungen des präfrontalen Kortex sind weitreichend und umfassen fast den gesamten Kortex, den Thalamus sowie viele weitere subkortikale Strukturen. Der präfrontale Kortex ist eng mit anderen Hirnregionen vernetzt, darunter:

• Thalamus: Der Thalamus dient als Relaisstation für sensorische Informationen und spielt eine wichtige Rolle bei der Aufmerksamkeitssteuerung.
• Basalganglien: Die Basalganglien sind an der Planung und Ausführung von Bewegungen beteiligt.
• Amygdala: Die Amygdala ist für die Verarbeitung von Emotionen, insbesondere Angst, zuständig.
• Hippocampus: Der Hippocampus spielt eine wichtige Rolle bei der Gedächtnisbildung.
• Sensorische Kortizes: Der PFC erhält sensorische Informationen aus allen sensorischen Kortizes.

Klinische Relevanz des PFC

Schädigungen des präfrontalen Kortex können zu einer Vielzahl von kognitiven und Verhaltensstörungen führen. Personen mit Läsionen des präfrontalen Kortex zeigen sich in diversen kogn. Aufgaben beeinträchtigt, u. a. dem Stroop-Test (Stroop-Verfahren, Farbe-Wort-Interferenztest (FWIT)) und dem Wisconsin Card Sorting Test (WCST) (Miller & Cohen, 2001). Generell führen Läsionen des präfrontalen Kortex zu gravierenden Persönlichkeitsveränderungen (Persönlichkeit) und kogn. Verlangsamung. Einige der häufigsten Folgen von PFC-Schäden sind:

• Exekutive Dysfunktion: Beeinträchtigung der Fähigkeit zur Planung, Problemlösung und Entscheidungsfindung.
• Verhaltensstörungen: Impulsivität, Enthemmung, Apathie und soziale Unangemessenheit.
• Emotionale Störungen: Schwierigkeiten bei der Emotionsregulation, Depressionen und Angstzustände.
• Arbeitsgedächtnisdefizite: Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung und Manipulation von Informationen im Kurzzeitgedächtnis.

Beispiele für klinische Syndrome

• Dysexekutives Syndrom: Gekennzeichnet durch Beeinträchtigungen der exekutiven Funktionen, wie Planung, Problemlösung, Entscheidungsfindung und Flexibilität.
• Frontalhirnsyndrom: Umfasst eine Vielzahl von kognitiven, emotionalen und Verhaltensstörungen, die durch Schädigungen des Frontallappens verursacht werden.
• Split-Brain-Syndrom: Folge der Callostomie, einer heutzutage nur noch selten angewandten operativen Methode zur Behandlung schwerer therapieresistenter Epilepsien, bei der das Corpus callosum durchtrennt wird. Trotz der Unterbrechung der Kommunikation beider Hemisphären zeigen die Patient*innen in natürlicher Umgebung meist keine Auffälligkeiten. Experimentell lässt sich die fehlende Verbindung nachweisen, da Betroffene Objekte in der rechten Netzhauthälfte (=linkes Gesichtsfeld) aufgrund der Lokalisation des Sprachzentrums in der linken Hemisphäre nicht benennen können.

TMS-Therapie und der DLPFC

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Behandlungsmethode, die bei verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen eingesetzt wird. Eine der wichtigsten Komponenten der TMS-Therapie ist ihre Präzision: TMS zielt auf den DLPFC (dorsolateraler präfrontaler Kortex), eine Schlüsselregion im Gehirn, die mit der Stimmungsregulation, der kognitiven Kontrolle und der emotionalen Belastbarkeit in Verbindung gebracht wird. Bei Menschen mit Depressionen ist der DLPFC oft unteraktiv, d. h. er feuert nicht so, wie er sollte. Bei der TMS (Transkranielle Magnetstimulation) werden hochkonzentrierte Magnetimpulse zur Stimulation von Nervenzellen im Gehirn eingesetzt. Die TMS zielt auf den DLPFC ab, weil die Aktivierung dieses Bereichs zur Wiederherstellung der funktionellen Konnektivität und der Neurotransmitteraktivität beiträgt, die eine gesunde emotionale Verarbeitung unterstützen. Wenn man versteht, warum die TMS auf den DLPFC abzielt, erhält man einen tieferen Einblick, wie sich Depressionen auf das Gehirn auswirken. Studien mit PET- und fMRI-Scans haben wiederholt gezeigt, dass der DLPFC bei Patienten mit einer schweren depressiven Störung (MDD) weniger aktiv ist. Der DLPFC ist sozusagen die Schaltzentrale des emotionalen Gehirns. TMS ist keine Einheits-Therapie für alle. Die Behandlungsprotokolle werden sorgfältig erstellt, um den linken DLPFC gezielt zu stimulieren, in der Regel 5 Tage pro Woche über 4 bis 6 Wochen. Da die TMS direkt auf den DLPFC abzielt, umgeht die Behandlung die gastrointestinalen und systemischen Nebenwirkungen, die häufig mit antidepressiven Medikamenten einhergehen.

Entwicklung des PFC und ADHS

Phililp Shaw hat mit dieser Forschung ein weiteres Thema aufgegriffen, das bis dahin nicht bearbeitet wurde, die neuroanatomischen Merkmale von ADHS. Ebenso wie in seiner Arbeit über Intelligenz und Gehirnentwicklung verwendet er auch hier die Veränderung der kortikalen Dicke als Indikator für die Reifung des Gehirns. Das wesentliche Ergebnis ist: Der Verlauf der Gehirnreifung bei Kindern mit ADHS entspricht in der Struktur dem normalen Verlauf, aber dieser ist zeitlich verschoben. Kinder mit ADHS erreichen das Maximum der kortikalen Dicke etwa vier Jahre später als die Kontrollgruppe ohne Symptome. „Der präfrontale Kortex unterstützt eine Vielzahl kognitiver Funktionen, wie die Fähigkeit, unangemessene Reaktionen und Gedanken zu unterdrücken, die exekutive „Kontrolle“ der Aufmerksamkeit, die Bewertung von Belohnungskontingenzen, die motorische Kontrolle höherer Ordnung und das Arbeitsgedächtnis. Der primäre motorische Kortex ist der einzige kortikale Bereich, in dem die ADHS-Gruppe eine etwas frühere Reifung aufweist. Neuroanatomisch bedeutet das Erreichen der Adoleszenz den Eintritt die Phase der kortikalen Ausdünnung und der anschließenden relativ stabilen Erwachsenenphase. Wie könnte die Parallele zwischen der neuroanatomischen Entwicklung bei Hochbegabten und Kindern mit ADHS interpretiert werden? Der Befund macht verständlich, dass sich die Symptome beider Gruppen überschneiden und diagnostische Herausforderungen bestehen. Forschungen zu den zugrundeliegenden Mechanismen der von Shaw berichteten Kortexentwicklung gibt es noch nicht, daher kann die Frage nach den Ursachen der parallelen Entwicklung nicht beantwortet werden. Relevante Spuren sind der Zusammenhang von Stressbelastung und neuropsychopathologischer Entwicklung in den Phasen der Kortexabflachung (z.B. A.K. Braun) und die Entdeckung des NP Faktors.

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