Das menschliche Gehirn, ein komplexes Organ, das einer Walnuss in seiner Struktur ähnelt, ist von zahlreichen Falten und Vertiefungen durchzogen. Innerhalb dieses komplexen Organs spielt das Großhirn eine zentrale Rolle bei der Steuerung der Motorik. Die beiden Gehirnhälften sind dabei nicht identisch in ihrer Funktion; vielmehr steuert die rechte Gehirnhälfte die linke Körperhälfte und umgekehrt. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte der motorischen Steuerung durch die Gehirnhälften, von den grundlegenden anatomischen Strukturen bis hin zu den neuesten Forschungsergebnissen.
Das Großhirn und seine Rinde: Die Schaltzentrale der Motorik
Ein wesentlicher Bestandteil des Großhirns ist die Großhirnrinde, eine etwa drei Millimeter dünne Schicht, in der rund 20 Milliarden Nervenzellen "arbeiten". Hier werden Sinneseindrücke wie Hören, Sehen, Riechen, Tasten und Schmecken verarbeitet. Auch Gedächtnis und räumliche Orientierung sind hier angesiedelt. Die Großhirnrinde ist der am stärksten entwickelte Teil des Gehirns und verantwortlich für das Bewusstsein.
Innerhalb der Großhirnrinde sind verschiedene Bereiche für spezifische Funktionen zuständig. In der linken Gehirnhälfte, insbesondere im Schläfenbereich, sind Verstehen und Sprechen lokalisiert. Es gibt nicht nur ein einzelnes Zentrum dafür, sondern verschiedene Bereiche, die sogar unabhängig voneinander funktionieren können. Dies zeigt sich bei Menschen, die nach einem Unfall oder Schlaganfall spezifische Hirnschäden aufweisen. Einige können danach noch alles verstehen, aber nicht mehr sprechen, während andere sprechen können, aber den Sinnzusammenhang nicht mehr erfassen. In der rechten Gehirnhälfte befinden sich vor allem das Sehzentrum und der Orientierungssinn.
Die beiden Gehirnhälften sind über den Balken, eine Art Brücke im Schädelinneren, miteinander verbunden, was eine ständige Kommunikation ermöglicht. Das Kurzzeitgedächtnis, ein Teil des Frontallappens der Großhirnrinde, befindet sich direkt hinter der Stirnseite. Es speichert Informationen für etwa 20-45 Sekunden und ermöglicht deren Weiterverarbeitung und Überführung ins Langzeitgedächtnis.
Die Rolle des Kleinhirns
Am hinteren Teil des Kopfes, gegenüber der Stirn, liegt das Kleinhirn, das hauptsächlich für Bewegung, Gleichgewicht und Koordination zuständig ist. Bewegungsabläufe werden hier archiviert. Forschungen deuten darauf hin, dass es auch für komplexere geistige Fähigkeiten wie Lernen und Sprechen eine Rolle spielt, wenn auch in geringerem Maße als das Großhirn.
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Stress und Motorik: Eine Verbindung
Zwei verwandte Studien des Max-Planck-Instituts für Psychiatrie in München haben gezeigt, wie sich Stress auf die Motorik und das Lernen auswirken kann. Die Forscher untersuchten die Rolle des CRF (Corticotropin freisetzenden Faktor)-Systems für die Funktion des Kleinhirns. In der ersten Studie wurde das Stress-Neuropeptid CRF in einer Gehirnregion untersucht, die Teil der Olivenkerne ist und für die Koordination von Bewegungen zuständig ist. Diese Region befindet sich im Hirnstamm und trägt wesentlich zum Funktionieren des Kleinhirns bei, indem sie über sogenannte Kletterfasern die Signalübertragung zur anderen Hirnhälfte steuert.
Die Wissenschaftler konnten das CRF-Niveau in Zellen der Olivenkerne gezielt reduzieren und so dessen spezifische Rolle untersuchen. In der zweiten Studie wurde der CRF Typ 1-Rezeptor (CRFR1) im Kleinhirn untersucht. Durch Abschalten von CRFR1 in Körnerzellen, den häufigsten Zellen des Kleinhirns, stellten die Wissenschaftler starke Auswirkungen auf das Lernen fest, während motorische Fähigkeiten nicht beeinträchtigt wurden. Diese Studien unterstreichen die zentrale Rolle des CRF-Systems für die Funktionsfähigkeit des Kleinhirns.
Motorik: Mehr als nur Bewegung
Die Motorik umfasst sämtliche willkürliche und kontrollierte Muskelbewegungen des menschlichen Körpers, einschließlich großer Bewegungsabläufe wie Gehen sowie der Mimik des Gesichts. Auch die motorischen Anteile des Nervensystems zur Steuerung und Wahrnehmung von Bewegungen werden unter dem Begriff Motorik zusammengefasst.
Die spinale Motorik bezieht sich auf die Bewegungskoordination auf Rückenmarksebene, die die einfachste Bewegungsantwort auf einen Reiz darstellt - den Reflex. Die graue Substanz des Rückenmarks kann in verschiedene Schichten (Laminae I-X) oder Kerngebiete (Nuclei) eingeteilt werden, wobei diese Einteilungen zum Teil überlappend sind. Das Rückenmark leitet Informationen über die Efferenz zum Effektor weiter, der die Reizantwort ausführt.
Neurologische Untersuchung und Sensoren
Die neurologische Untersuchung spielt eine grundlegende Rolle bei der Aufnahme von Reizen aus dem Körperinneren durch Mechanorezeptoren. Muskelspindeln sind Dehnungssensoren der Arbeitsmuskulatur, die Muskellänge und Dehnungsgeschwindigkeit messen. Sie bestehen aus intrafusalen Fasern, die von einer Bindegewebskapsel umgeben und parallel zur Arbeitsmuskulatur angeordnet sind. Sehnenorgane sind ebenfalls Dehnungssensoren der Arbeitsmuskulatur, messen jedoch den Spannungszustand der Muskulatur. Gelenke besitzen Gruppen von Sensoren für die verschiedenen Bewegungsmöglichkeiten in den Gelenkachsen. Motoneurone liegen im Vorderhorn des Rückenmarks und verzweigen sich in den verschiedenen Muskeln unterschiedlich stark, je nachdem, wie präzise der Muskel arbeitet.
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Statokinetische Reflexe werden durch Bewegungen ausgelöst und sorgen dafür, dass das Gleichgewicht aufrechtgehalten wird. Die Kleinhirnhemisphären erstellen Bewegungsprogramme für schnelle Zielbewegungen auf der Grundlage von Informationen aus den assoziativen Rindenfeldern und der vom Großhirn geplanten Bewegungsentwürfe.
Basalganglien und Motorcortex
Die Basalganglien (Stammganglien) erhalten Informationen aus verschiedenen Teilen der Hirnrinde und beeinflussen die Bewegungsprogramme bezüglich ihrer Geschwindigkeit, ihres Bewegungsausmaßes, der Kraft und Bewegungsrichtung. Sie haben jeweils eine eher hemmende oder eher erregende Wirkung auf die Motorik und stehen über Funktionsschleifen mit der Großhirnrinde in Verbindung. Der Nucleus subthalamicus steht über Afferenzen (hemmend) und über Efferenzen (erregend) in Verbindung mit dem Pallidum. Es ist wichtig zu beachten, dass die Basalganglien nicht nur motorische Symptome zeigen, sondern auch andere Funktionen beeinflussen können.
Der Motorcortex ist die in der Hierarchie am höchsten stehende Funktionsebene der Motorik. Er erhält Informationen aus den untergeordneten Hirnregionen, verarbeitet sie und gibt letztendlich den Befehl zur Bewegungsausführung über die Pyramidenbahn (Tractus corticospinalis). Diese Bahn führt über eine Million efferente Fasern, von denen der größte Anteil direkt zu den Motoneuronen des Rückenmarks läuft und zu ca. 90 % zur Gegenseite kreuzt.
Das extrapyramidale System und der Hirnstamm
Das extrapyramidale System mit seinen Kerngebieten unterhalb der Großhirnrinde hat die Aufgabe, die unwillkürlichen Bewegungen zu modifizieren und die unbewussten Muskelbewegungen sowie den Grundtonus der Muskulatur selbstständig zu steuern. Der Hirnstamm, der unter dem Großhirn liegt, besteht aus drei Teilen: dem Rautenhirn, dem Mittelhirn und dem Zwischenhirn. Das Rautenhirn umfasst die Medulla oblongata (verlängertes Mark), den Pons und das Kleinhirn. Die Medulla Oblongata steuert unter anderem den Blutkreislauf, die Atmung und verschiedene Reflexe. Der Pons ist wichtig für den Gleichgewichtssinn, und Funktionsstörungen können zu Schwindelgefühlen und Gleichgewichtsstörungen führen. Das Kleinhirn ist für die Steuerung, Koordination und Feinabstimmung von Bewegungen zuständig.
Das Mittelhirn ist für Reflexbewegungen der Augen und die Augenmotorik zuständig und spielt eine wichtige Rolle für das Hörsystem, die Schmerzwahrnehmung, Bewegungssteuerung und Willkürmotorik. Das Zwischenhirn enthält den Thalamus, der als das Tor zur Großhirnrinde bezeichnet wird und ankommende Informationen nach ihrer Wichtigkeit filtert.
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Die Formatio Reticularis
Die Formatio reticularis ist eine Ansammlung von Nervenzellen und Faserzügen, die sich durch verschiedene Bereiche des Gehirns zieht und Informationen sortiert und filtert. Sie "entscheidet" darüber, was wichtig genug ist, um an das Großhirn weitergeleitet zu werden, und ist der wichtigste Bestandteil der körpereigenen "Alarmanlage" (ARAS).
Störungen der Motorik
Schädigungen des Cerebellums (z. B. auch als Folge von chronischem Alkoholabusus) führen zu Störungen in der Feinabstimmung und Koordination von Bewegungen. Erkrankungen der Basalganglien (Stammganglien) führen zu Störungen im harmonischen Bewegungsablauf. Morbus Parkinson ist eine degenerative Erkrankung der Substantia nigra mit Untergang der Dopamin-produzierenden Zellen. Läsionen des Tractus corticospinalis (Pyramidenbahn) im Bereich der Capsula interna führen zu Lähmungen (Hemiplegie der Arme oder Beine).
Der primäre Motorcortex: Auslöser von Bewegungen
Der primäre Motorcortex löst Bewegungen aus und steuert den räumlich-zeitlichen Ablauf von Bewegungen. 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.
Kurz vor einer Bewegung lässt sich in vielen Gehirnregionen eine erhöhte Aktivität messen, die sich dann auf den primären Motorcortex konzentriert. Dieser ist der Startpunkt von weiten Teilen der Pyramidenbahn, die Nervenzellfortsätze entsendet, die ohne Unterbrechung durch den Hirnstamm und weiter bis ins Rückenmark ziehen, um von dort dann über Motoneurone Befehle an die Muskulatur weiterzugeben.
Penfields Homunculus
Der kanadische Neurochirurg Wilder Penfield erstellte eine Karte des primären Motorcortex, in der verzeichnet war, welcher Bereich für welches Körperteil zuständig ist. Diese Gehirn-Landkarten wurden als Homunculus bekannt. 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. Dies zeigt, dass nicht die Größe eines Körperteils entscheidet, wie stark er auf dem Motorcortex repräsentiert ist, sondern das Ausmaß der Feinmotorik.
Bewegungskategorien statt einzelner Muskeln
Heutzutage weiß man, dass die Hirnareale, die bei einer einfachen Beugung und Streckung der ersten drei Finger aktiv sind, sich zu einem großen Teil überlappen. Nicht einzelne Muskeln, sondern vielmehr Bewegungskategorien sind im primären Motorcortex repräsentiert. So konnten Forscher durch die gezielte Stimulation von Cortexarealen ganz bestimmte Bewegungsabfolgen auslösen, an denen verschiedene Körperteile beteiligt sind.