Der vordere cinguläre Cortex (ACC) und seine Rolle bei Schmerz und anderen Funktionen

Der vordere cinguläre Cortex (ACC), auch Gyrus cinguli genannt, ist ein wichtiger Hirnbereich, der an einer Vielzahl von kognitiven und emotionalen Prozessen beteiligt ist. Er spielt nicht nur bei autonomen Funktionen wie Blutdruck- und Herzschlagregulation eine Rolle, sondern auch bei rationalen Vorgängen wie der Entscheidungsfindung. Zudem ist dieser Hirnbereich in emotionale Prozesse involviert, beispielsweise in die Kontrolle von Impulsen.

Anatomie und Struktur des ACC

Der ACC ist ein Teil des limbischen Systems, das eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Emotionen, dem Gedächtnis und dem Verhalten spielt. Er befindet sich im medialen Bereich des Frontallappens und umschließt den Balken (Corpus callosum), der die beiden Hirnhemisphären miteinander verbindet. Der ACC lässt sich in zwei Hauptbereiche unterteilen: den vorderen (Pars anterior) und den hinteren Teil (Pars posterior).

Anatomisch zeichnet sich der anteriore cinguläre Cortex (ACC) dadurch aus, dass er eine große Zahl von Spindelneuronen besitzt. Diese speziellen Nervenzellen haben eine lange, spindelförmige Struktur und wurden bisher nur bei Säugetieren wie Primaten, Elefanten sowie einigen Wal- und Delfinarten gefunden.

Interessanterweise variiert die Oberfläche des Gyrus cinguli sehr stark von Mensch zu Mensch: Seine Sulci liegen an unterschiedlichen Stellen und bei einigen Menschen ist der Gyrus cinguli sogar noch durch einen zusätzlichen, paracingulären Sulcus in zwei parallele Gyri aufgeteilt. Gemeinsam mit dem Gyrus hippocampalis bildet der Gyrus cinguli den äußeren Ring des limbischen Systems.

Der posteriore Gyrus cinguli ist mit unterschiedlichen Hirnrindenarealen in Parietal-, Temporal- und Frontallappen verschaltet. Er reguliert vor allem die visuell-räumliche Aufmerksamkeit und ist für das räumliche Gedächtnis verantwortlich. Hier mag eine Rolle spielen, dass er Eingänge vom hinteren Parietallappen erhält, der bei der Orientierung eine maßgebliche Rolle spielt. Zytologisch betrachtet beherbergt der hintere Gyrus cinguli hauptsächlich Nervenzellen, die in die sensorische Verarbeitung eingeschaltet sind. Und unter dem Mikroskop fallen die vielen kleinen Zellen in den Körnerschichten der Rinde auf.

Lesen Sie auch: Behandlung des vorderen Schienbeinmuskels

Der vordere Teil ist experimentell sehr viel besser untersucht als der hintere. Er tauscht Informationen mit der Amygdala aus, dem Nucleus accumbens, dem Thalamus sowie dem motorischen und präfrontalen Cortex und setzt sich vor allem aus motorischen Nervenzellen zusammen. Seine Rinde ist agranulär, das heißt die Körnerzellschichten, die für andere Hirnareale typisch sind, sind stark reduziert.

Funktionen des ACC

Der ACC ist an einer Vielzahl von Funktionen beteiligt, darunter:

• Aufmerksamkeit und Konzentration: Der ACC beeinflusst die Fähigkeit, die Aufmerksamkeit zu fokussieren und sich zu konzentrieren.
• Entscheidungsfindung: Der ACC spielt eine Rolle bei der Bewertung von Optionen und der Auswahl der besten Handlungsstrategie.
• Impulskontrolle: Der ACC hilft, impulsive Verhaltensweisen zu unterdrücken und angemessen zu reagieren.
• Schmerzverarbeitung: Der ACC ist an der Bewertung von Schmerzreizen beteiligt und beeinflusst die Schmerzwahrnehmung.
• Emotionale Regulation: Der ACC spielt eine Rolle bei der Verarbeitung und Regulation von Emotionen, einschließlich Angst, Wut und Trauer.
• Motorik: Der vordere Teil des Gyrus cinguli spielt auch für die Motorik eine Rolle: Ist er geschädigt, leiden die Betroffenen an Bewegungsarmut.
• Ausdrucksbewegungen: Zudem ist der anteriore Gyrus cinguli an Ausdrucksbewegungen beteiligt, also Mimik und Gestik.

Aktiv ist der anteriore Gyrus cinguli, wenn es darum geht, auf widersprechende Reize hin eine Auswahl zwischen verschiedenen Verhaltensweisen zu treffen. Ein Beispiel ist der Stroop-Test: Die Probanden müssen die Farbe nennen, in der ein Wort geschrieben steht. Das ist schwieriger, als es sich anhört: zwischen zwei widersprechenden Reizen - grüne Schrift mit Inhalt „rot“ - muss die Aufmerksamkeit auf die korrekte Antwort gelenkt werden.

Reizt man den Gyrus cinguli mit einer Elektrode - aktiviert ihn also -, verändern sich die Körperfunktionen: Ein solchermaßen stimuliertes Tier atmet langsamer, sein Herz schlägt langsamer, sein Blutdruck sinkt, die Pupillen erweitern sich. Wird der Gyrus cinguli dagegen geschädigt - etwa durch einen Schlaganfall -, reagiert der Betroffene weniger auf Umweltreize und es mangelt ihm an Antrieb: Er bewegt sich weniger und spricht auch weniger. Ist die Läsion ausgedehnter und tritt gleichzeitig auf beiden Gehirnseiten auf, reagiert er nicht einmal mehr auf Schmerzreize - er wendet sich dem Reiz zwar zu, registriert ihn also sehr wohl, zeigt aber ansonsten keine angemessene Reaktion. Affen, denen man den Gyrus cinguli entfernt hat, werden zahmer, verlieren aber gleichzeitig jegliches Interesse an anderen Mitgliedern ihrer Gruppe.

Der ACC und Schmerz

Der ACC spielt eine wichtige Rolle bei der Schmerzverarbeitung. Er ist an der Bewertung von Schmerzreizen beteiligt und beeinflusst die Schmerzwahrnehmung. Studien haben gezeigt, dass die Aktivität im ACC bei Menschen mit chronischen Schmerzen erhöht ist. Dies deutet darauf hin, dass der ACC eine Rolle bei der Entstehung und Aufrechterhaltung von chronischen Schmerzen spielen könnte.

Lesen Sie auch: Vorderer Hirnlappen Schlaganfall: Auswirkungen und Therapie

Schmerz als komplexes Zusammenspiel verschiedener Hirnregionen:

Mehrere Hirnregionen sind an der Schmerzverarbeitung beteiligt und führen so zu einem komplexen Muster der neuronalen Aktivierung bei Schmerzen. Diese „Schmerzmatrix“ kann zu einer spezifischen funktionellen Signatur von Schmerzen führen, die jedoch bisher nicht bekannt ist. Veränderungen zeigten sich vor Allem bei Phänomenen höherer Ordnung wie der interregionalen Kohärenz von Netzwerk-Oszillationen.

Individuelle Schmerzwahrnehmung:

Ein Blick ins Gehirn von im Dienste der Wissenschaft Geplagten schaffte nun Gewissheit. Dazu traktierten Robert Coghill von der Wake Forest University School of Medicine und seine Kollegen 17 gesunde Versuchspersonen mit einem Hitzestimulator, der die Haut punktuell auf 49 Gard Celsius aufheizt. Dies empfinden die meisten Menschen als schmerzhaft. Zunächst mussten die Probanden einen solchen fünf Sekunden andauernden Hitzereiz auf einer Zehnpunkteskala bewerten. Die Sensibelsten gaben dem Schmerz einen Wert von fast „Neun“, wohingegen die Unempfindlichsten ihn lediglich mit „Eins“ einstuften. Anschließend wurde der Schmerzreiz für dreißig Sekunden wiederholt; gleichzeitig beobachteten die Wissenschaftler mit funktioneller Magnetresonanzspektroskopie das Gehirn der Leidgeprüften. Dabei entdeckten sie deutliche Unterschiede: Bei den Sensibelchen waren bestimmte Bereiche wesentlich aktiver als bei den Hartgesottenen. Betroffen waren drei Regionen der Hirnrinde: Einmal der primäre somatosensorische Cortex, der feststellt, dass es irgendwo im Körper schmerzt und der zudem den Ort des Geschehens lokalisiert. Dann der vordere cinguläre Cortex, der bei der negativen Bewertung des Ereignisses eine Rolle spielt, und schließlich der präfrontale Cortex, der an Erinnerung, emotionaler Bewertung und Aufmerksamkeit beteiligt ist. Offenbar ist also die reine Schmerzinformation bei jedermann identisch - die individuell stark unterschiedliche Wahrnehmung und Bewertung des eingehenden Reizes entsteht erst im Gehirn durch die mehr oder weniger intensive Aktivierung entscheidender Hirnbereiche. Dabei spielen nach Ansicht von Coghill verschiedene Faktoren wie frühere Schmerzerfahrungen, die emotionale Situation zum Zeitpunkt des Ereignisses sowie die Erwartungshaltung eine Rolle.

ACC und neuropsychiatrische Erkrankungen

Neurowissenschaftler vermuten, dass der Gyrus cinguli auch bei der Entstehung neuropsychiatrischer Erkrankungen wie Depression, Zwangsstörungen oder Schizophrenie eine Rolle spielt. So mangelt es z.B. den an Schizophrenie Erkrankten an Antrieb und Aufmerksamkeit. Der Stroop-Test bereitet ihnen auffällig große Probleme und sie machen mehr Fehler. Außerdem ist ihr Gyrus cinguli ist bei Bearbeitung der Aufgaben nur wenig aktiv. Andere Studien fanden, dass dieser Gehirnabschnitt bei schizophrenen Patienten minderdurchblutet ist, beziehungsweise vom Volumen her kleiner, als bei gesunden Probanden.

ADHS und der ACC:

FMRI-Untersuchungen des DMN zeigen eine Dysfunktion des DMN bei Kindern wie bei Erwachsenen mit ADHS. ADHS beeinträchtigt die Fähigkeit, schnell das DMN abzuschalten und die taskpositiven Netzwerke “einzuschalten”. In der Folge verharren ADHS-Betroffene länger in einem bestimmten Geisteszustand. Die Deaktivierbarkeit des DMN bei ADHS konnte durch hohe Belohnungen (die nach unserem Verständnis intrinsisches Interesse bewirken) so erhöht werden, dass diese der Deaktivierbarkeit bei Nichtbetroffenen entsprach.

Eine Studie fand bei Kindern mit ADHS eine starke Kohärenz des linken dorsalen anterioren cingulären Cortex (dACC) mit den DMN-Komponenten. Weiter fand eine Seed-to-Voxel-Konnektivitäts-Analyse unter Verwendung des linken dorsalen anterioren Cingulums als Seed-Region Hinweise auf eine höhere zeitliche Kohärenz mit anderen neuronalen Netzen im Vergleich zu nicht betroffenen Kindern.

Lesen Sie auch: Anteriorer cingulärer Cortex und Willensstärke

Darüber hinaus zeigen funktionelle Bildgebungsstudien an ADHS-Betroffenen nicht nur Unterschiede in DMN-Regionen im Vergleich zu gesunden Kontrollen, sondern auch eine Rückkehr zu normalen Funktionen bei der Behandlung mit Stimulanzien (hier: Methylphenidat). Die stärker intrinsisch motivierte Aufmerksamkeitssteuerung bei ADHS bewirkt, dass die Aufmerksamkeit und ihre Steuerbarkeit bei entsprechend hohem (intrinsischen) Interesse genauso hoch ist wie bei Nichtbetroffenen und nur bei niedrigerem (intrinsischen) Interesse von der Aufmerksamkeit von Nichtbetroffenen abweicht. Dies wird durch das DMN gesteuert.

Therapeutische Interventionen am ACC

Aufgrund seiner Beteiligung an verschiedenen Funktionen ist der ACC ein Ziel für therapeutische Interventionen bei verschiedenen Erkrankungen.

Cingulotomie:

Bei einer Cingulotomie durchtrennt der Arzt in einer Operation den Gyrus cinguli dauerhaft. Die Psyche des Patienten verändert sich dadurch irreversibel; der Eingriff kann aber bei therapieresistenten Zwangsstörungen und Depressionen sowie bei schweren chronischen Schmerzen das letzte Mittel sein. Heutzutage wird eine Cingulotomie allerdings nur noch selten durchgeführt, andere Verfahren sind attraktiver geworden.

Tiefe Hirnstimulation:

Zum Beispiel die tiefe Hirnstimulation, bei der implantierte Elektroden bestimmte Hirnareale reizen. Im Gegensatz zum Durchtrennen eines Hirnareals ist diese Methode reversibel.

Neuromodulation bei Schmerzen:

Patientinnen mit konservativ nicht kontrollierbaren, chronischen (hauptsächlich neuropathischen) therapierefraktären Schmerzen (ICD R.52.1) stellen eine Indikation für interventionelle Behandlung dar. Ein abgestufter Ansatz von invasiven Interventionen hat das Potenzial, die Ergebnisse bei vielen Patientinnen mit häufig auftretenden refraktären neuropathischen Schmerzen zu verbessern. Invasive Methoden wie die Neurostimulation kommen noch immer nicht rechtzeitig zum Einsatz, was in vielen Fällen zu einer noch stärkeren Chronifizierung führt.

Eine Erhöhung der Durchblutung des Thalamus, bilaterale parietale Assoziationsbereiche, vorderer cingulärer Kortex und präfrontale Bereiche werden durch SCS beobachtet.

tags: #vorderer #cingularer #cortex #schmerzrezeptoren