Der primäre motorische Cortex (M1) ist eine entscheidende Hirnregion, die eine zentrale Rolle bei der Steuerung willkürlicher Bewegungen spielt. Obwohl er seit über einem Jahrhundert intensiv erforscht wird, gibt dieser Teil der Hirnrinde der Wissenschaft immer noch neue Rätsel auf. Der folgende Artikel beleuchtet die Struktur, Funktion und die neuesten Erkenntnisse über Neuronen im primären motorischen Cortex.
Anatomie und Lage des primären motorischen Cortex
Der primäre motorische Cortex befindet sich im Frontallappen des Gehirns, genauer gesagt im präzentrischen Gyrus, unmittelbar vor dem Sulcus centralis, der die Grenze zwischen Frontal- und Parietallappen markiert. Er ist etwa zwei Zentimeter breit und verbirgt sich zum großen Teil im Sulcus centralis. Dieser Teil der Hirnrinde ist der Hauptverantwortliche für die Auslösung von Bewegungen.
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 und 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 sowie für die Planung komplexer Aufgaben und Prozesse.
Die Pyramidenbahn
Der primäre motorische Cortex ist der Ausgangspunkt von weiten Teilen der Pyramidenbahn, mit einer Million Axonen eine der längsten und größten Bahnen unseres zentralen Nervensystems. Hier entspringen Nervenzellfortsätze, die ohne Unterbrechung durch den Hirnstamm und weiter bis ins Rückenmark ziehen, um von dort dann über sogenannte Motoneurone Befehle an die Muskulatur weiterzugeben.
Funktion des primären motorischen Cortex
Der primäre motorische Cortex steuert den räumlich-zeitlichen Ablauf von Bewegungen. Seine Hauptaufgabe ist die Erzeugung von motorischen Befehlen, die dann an die Muskeln gesendet werden, um willkürliche Bewegungen auszulösen. Bestimmte Areale auf dem primären Motorcortex sind für bestimmte Körperteile zuständig, wobei Hände und Zunge überproportional stark vertreten sind. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass nicht einzelne Muskeln, sondern vielmehr Bewegungen selbst repräsentiert sind, beispielsweise das Heben der Hand zum Mund und das gleichzeitige Öffnen des Mundes.
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Somatotopische Organisation
Im primären motorischen Kortex reguliert die Organisation in einer somatotopen Karte die Bewegungen präzise. Das bedeutet, dass spezifische Regionen des Kortex mit bestimmten Körperteilen verknüpft sind:
- Kopf- und Gesichtsbewegungen befinden sich im unteren Bereich des Kortex.
- Hand- und Armbewegungen sind zentral lokalisiert.
- Fuß- und Beinbewegungen finden sich in den oberen Bereichen.
Diese Organisation ermöglicht präzise und koordinierte Bewegungen über den gesamten Körper hinweg. Die somatotopische Organisation beschreibt die räumliche Organisation von Körperteilen im Gehirn, wobei benachbarte Körperteile auch im Kortex nebeneinander liegen.
Zusammenspiel mit anderen Hirnarealen
Kurz vor einer Bewegung, etwa dem Greifen der Hand nach einem Glas, lässt sich in vielen Gehirnregionen eine erhöhte Aktivität messen. Diese konzentriert sich dann auf den primären Motorcortex. 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.
Eine Bewegung ist keine Einbahnstraße: Sie wird nicht einmal in Gang gesetzt, um dann ohne Korrektur abzulaufen. So registriert der somatosensorische Cortex über Propriozeptoren Parameter wie die Lage der einzelnen Körperteile, die Gelenkstellung und die Muskelanspannung und tauscht sich laufend mit dem primären Motorcortex aus.
Bedeutung der Einzelzellen
Die Arbeitsgruppe von Michael Brecht vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg nahm den tatsächlichen Input einzelner Zellen in zwei unterschiedlich tief liegenden Schichten des motorischen Cortex zum Bewegungsmuster der Rattentasthaare genauer unter die Lupe. Den Max-Planck-Forschern ist es gelungen, einzelne Nervenzellen im Rattenhirn individuell zum Feuern zu bringen. Tatsächlich löste das Feuern einer einzelnen Zellen eine eindeutige Bewegung aus - abhängig von der Lage der feuernden Zelle in der Hirnrinde und von der Intensität der Stimulation. Ein einzelnes Neuron bewegte ein Haar um rund 0,5 Grad vor oder zurück. Da die maximale Bewegungsamplitude der Barthaare aber bei 100 Grad liegt, vermuten die Forscher, dass wenige hundert Neurone für den vollständigen Bewegungsumfang benötigt werden.
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Forschungsmethoden und historische Erkenntnisse
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.
Die Entdeckung durch Fritsch und Hitzig
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.
Penfields Homunculus
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. Im Zuge von Operationen am Gehirn reizte Penfield Stück für Stück des Gehirns mit Platinelektroden und beobachtete die Reaktionen seiner Patienten. Dabei notierte sich Penfield genau, welches Areal jeweils für welches Körperteil zuständig war.
Das Ergebnis: Eine Karte des primären Motorcortex, in der verzeichnet war, welcher Bereich für welches Körperteil zuständig ist. Bekannt wurden solche Gehirn-Landkarten als Homunculus, lateinisch für „kleiner Mensch“. 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.
Aktuelle Forschungsergebnisse
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.
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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.
Plastizität und Anpassungsfähigkeit
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.
Zellatlas des primären motorischen Cortex
Forscher des Cell Census Network der Brain-Initiative (BICCN) haben den gesamten primären motorischen Kortex von Säugetieren kartiert. Dazu untersuchten sie Proben aus den Gehirnen von Mäusen, Marmosett-Affen und Menschen. Sie stellten fest, dass viele Zelltypen von Mäusen über Affen bis hin zum Menschen evolutionär konserviert sind. Überdies stellten sie fest, dass die Zelltypen hierarchisch in Klassen und Unterklassen organisiert sind. Je nach statistischer Methode ergeben sich zwischen einigen Dutzend und über 100 verschiedene Zelltypen. Aus Sicht der Autoren legt die Kartierung der Zelltypen die Grundlage dafür, Funktionen und Erkrankungen des Gehirns besser zu verstehen.
Klinische Relevanz
Schädigungen im primären Motorcortex, etwa durch einen Schlaganfall, können zu Lähmungen führen. Die Ausprägung der Auswirkungen hängt vom betroffenen spezifischen Bereich des Kortex ab. In der Neurorehabilitation wird das Wissen genutzt, dass bereits gedachte Bewegungen bestimmte neuronale Muster im sekundären motorischen Kortex aktivieren können, ähnlich wie bei der tatsächlichen Ausführung. Durch das Training der mentalen Simulation können Patienten motorische Funktionen verbessern, was die Plastizität des Gehirns unterstreicht.