Die Verbindung zwischen Gehirn und Körper ist ein komplexes und faszinierendes Feld der neurowissenschaftlichen Forschung. Insbesondere die Art und Weise, wie die Gehirnhälften die Füße beeinflussen, bietet interessante Einblicke in die Organisation und Plastizität des Gehirns. Dieser Artikel beleuchtet die somatotopen Karten im Gehirn, die Rolle der Beinmuskulatur für die Gehirnleistung, die Bedeutung des Tastsinns und die Auswirkungen von Fußfehlstellungen auf den gesamten Körper.
Somatotope Karten: Eine Landkarte des Körpers im Gehirn
Im Gehirn ist der menschliche Körper wie auf einer Landkarte Punkt für Punkt repräsentiert - auf sogenannten somatotopen Karten. Die Sinneseindrücke von verschiedenen Körperarealen haben im somatosensorischen Cortex festgelegte Verarbeitungsareale, die sich wie eine Karte lesen lassen. Diese somatotopen Karten sind äußerst flexibel und lassen sich verändern, etwa durch regelmäßiges Üben eines Musikinstruments. Nach Amputationen übernimmt das Areal, das dem abgetrennten Körperteil zugeordnet war, neue Aufgaben.
Der Homunkulus: Eine verzerrte Darstellung des Körpers
Die Darstellung des Körpers im Gehirn erfolgt in Form eines Homunkulus, einer verzerrten menschlichen Figur, bei der die Größe der Körperteile proportional zur Anzahl der Nervenzellen ist, die sie im Gehirn repräsentieren. Auf den ersten Blick ist der Homunculus jedenfalls keine Schönheit: Der Körper ist ausgemergelt. An dünnen Ärmchen sitzen gigantische Hände und das Gesicht wird von einer Zunge und riesigen Lippen dominiert, die weit hervorstehen. Körperteile mit hoher Rezeptordichte, wie Gesicht, Hände oder Füße, erhalten mehr Raum auf der somatosensorischen Karte.
Mit modernen bildgebenden Verfahren können Wissenschaftler dem Gehirn beim Arbeiten zusehen. In solchen Hirnscans leuchtet stets die gleiche Region auf, wenn Testpersonen eine Bewegung ausführen oder berührt werden: Ein flacher Streifen des Gehirns, der gewissermaßen von einer Schläfe zur anderen Schläfe reicht und als sensomotorischer Cortex bezeichnet wird. Genau genommen sind es zwei flache Streifen direkt nebeneinander: die motorische Rinde, die für Bewegungen zuständig ist, und daneben die sensorische Rinde, die Berührungen und andere Sinneseindrücke verarbeitet. Aber auch innerhalb dieser beiden Rindengebiete gibt es eine Ordnung. Bewegt man sich auf der motorischen Rinde von der Mittellinie, die das Gehirn in die beiden Hemisphären teilt, nach außen, kommen bei jedem Menschen zuerst die Nervenzellen, die die Zehen erregen, dann die für Knie, Hüfte, Schulter. Am Ende befinden sich die Areale, die Augen, Lippen, Zunge und Kiefer steuern. Die sensorische Rinde ist ganz ähnlich geordnet.
Plastizität des Gehirns: Veränderung der Karten im Laufe der Zeit
Früher hat man gedacht, diese Zuteilung sei angeboren und unveränderlich. Doch inzwischen ist klar, dass diese Karten nicht starr sind: Die Zellgebiete bestimmter Körperteile können sich vergrößern und verkleinern, verschieben oder gar verschwinden. Der Homunculus ist flexibel. Der amerikanische Wissenschaftler Michael Merzenich konnte das schon in den 80er-Jahren in Versuchen mit Affen zeigen. Er durchtrennte den Nervus medianus, der unter anderem die Informationen des Tastsinns von Daumen und Zeigefinger an das Gehirn leitet. Zwei Monate später untersuchte er die Gehirne der Affen und stellte fest: Der Bereich der Hirnrinde, der die Informationen von Daumen und Zeigefinger verarbeitet hatte, hatte eine neue Aufgabe: Nun verarbeitete er unter anderem Informationen, die vom kleinen Finger und Ringfinger kamen und über den Nervus radialis an das Gehirn geleitet wurden. Weitere Experimente bestätigten Merzenichs Verdacht: Affen, denen zwei Finger zusammengebunden wurden, zeigten nach einigen Monaten nur noch ein Gehirnareal, in dem beide Finger gleichermaßen aktiviert wurden, so als seien die Zellgebiete, welche die Finger kontrollieren, miteinander verschmolzen. Bei Menschen, die mit zusammengewachsenen Fingern geboren wurden und diese durchtrennen ließen, zeigte sich das Gegenteil: Dort teilte sich das Hirnareal, das beide Finger erregt hatte, in zwei getrennte, eines für jeden Finger. Es konnte dafür nur eine Erklärung geben: Das Gehirn ist ungeheuer anpassungsfähig und die Karten darin können sich verändern.
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Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns kann aber auch einen Nachteil mit sich bringen: Menschen, denen Gliedmaßen amputiert wurden, berichten in etwa der Hälfte aller Fälle von Schmerzen, die sich anfühlen, als kämen sie von dem abgetrennten Körperteil. In einem Experiment an 13 Amputierten fand Flor heraus, dass der Schmerz umso größer war, je stärker sich die Karten im Gehirn durch die Amputation verändert hatten, je stärker also die überflüssig gewordenen Hirnareale andere Aufgaben übernommen hatten. Zwar handelte es sich „nur“ um eine Korrelationsstudie, dennoch ist Flor überzeugt: „Es gibt einen direkten Zusammenhang zwischen diesen Veränderungen und den Phantomschmerzen“. Erregungen scheinen sich im Cortex der Phantomschmerz-Patienten leichter auszubreiten - das heißt, die veränderten Gehirnareale sind überreagibel und hyperplastisch. Dadurch werden falsch angepasste Verschiebungen im Cortex weiter begünstigt.
Dass die Karten im menschlichen Gehirn so wandelbar sind, ist für Flor trotzdem in erster Linie eine gute Nachricht: “Daraus ergibt sich, dass das Gehirn bis ins hohe Alter plastisch ist”, sagt sie. “Das bedeutet, dass wir die Möglichkeit haben, durch Training alle möglichen Krankheiten positiv zu beeinflussen.”
Die Rolle der Beinmuskulatur für die Gehirnleistung
Dass regelmäßige Bewegung nicht nur dem Körper sondern auch dem Kopf zugutekommt, ist längst bekannt. Weniger präsent ist jedoch, welche zentrale Rolle dabei ausgerechnet die Beinmuskulatur spielt. Dabei sind die Auswirkungen bemerkenswert. Aktuelle Studien zeigen: Die Aktivität großer Muskelgruppen - insbesondere in Oberschenkeln und Waden - hat direkten Einfluss auf kognitive Leistungsfähigkeit und altersbedingte Veränderungen im Gehirn. Das heißt: Als größte Muskelgruppen des Körpers beeinflussen Oberschenkel und Waden nicht nur Mobilität und Stoffwechsel, sondern auch kognitive Funktionen und altersbedingte Veränderungen im Gehirn.
Biochemische Kommunikation zwischen Muskeln und Nervensystem
Der Grund liegt in der biochemischen Kommunikation zwischen Muskeln und Nervensystem. Das lässt sich in etwa so erklären: Wird die Beinmuskulatur beim Training aktiviert, schüttet sie sogenannte Myokine aus - hormonähnliche Botenstoffe, die über den Blutkreislauf bis ins Gehirn gelangen. Dort unterstützen sie Prozesse, die für Lernfähigkeit, Gedächtnisleistung und neuronale Anpassungsfähigkeit relevant sind. Gleichzeitig fördern sie die Durchblutung und wirken entzündungshemmend, was als wichtiger Schutzfaktor gegen neurodegenerative Prozesse (Vorgänge im Nervensystem, bei denen Nervenzellen nach und nach geschädigt werden oder absterben) gilt. Wer also seine Beinmuskulatur trainiert, unterstützt damit auch die Gehirnleistung.
Einfluss der Beinmuskulatur auf den Alterungsprozess
Mehrere Arbeiten weisen auch darauf hin, dass ein Rückgang der Muskelkraft in den Beinen mit einer beschleunigten kognitiven Alterung einhergehen kann. So untersuchte eine große kanadische Langzeitstudie ältere Erwachsene über mehrere Jahre und erfasste sowohl ihre Muskelmasse als auch ihre geistige Leistungsfähigkeit. Dabei zeigte sich, dass Personen mit geringerer Muskelmasse einen deutlich schnelleren Abfall bestimmter kognitiver Funktionen, insbesondere der Verarbeitungsgeschwindigkeit und exekutiver Fähigkeiten, also geistige Steuerungs- und Kontrollfunktionen des Gehirns, aufwiesen. Besonders im höheren Lebensalter zeigt sich: Menschen mit gut erhaltener Beinmuskulatur schneiden bei Tests zu Aufmerksamkeit, Verarbeitungsgeschwindigkeit und Gedächtnis häufig besser ab, als jene mit weniger ausgeprägten Muskeln im Bein.
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Auswirkungen von Inaktivität auf die kognitive Leistungsfähigkeit
Aber auch bei jungen Menschen sollte die Beinmuskulatur nicht vernachlässigt werden. Der heutige Alltag ist für viele stark von Bewegungsmangel geprägt. Langes Arbeiten am Schreibtisch, Wege im Auto oder in öffentlichen Verkehrsmitteln und Freizeit vor Bildschirmen sorgen dafür, dass die Beinmuskulatur oft kaum gefordert wird. Das wird zunehmend kritisch gesehen. Denn bleiben die großen Muskeln in den Beinen über längere Zeit inaktiv, werden auch jene Botenstoffe weniger ausgeschüttet, die wichtige Prozesse im Gehirn unterstützen.
Das bedeutet: Selbst wer geistig viel arbeitet, liest oder konzentriert am Computer sitzt, liefert seinem Gehirn nur einen Teil dessen, was es braucht. Bewegung - insbesondere über die Beinmuskulatur - scheint diese geistige Aktivität sinnvoll zu ergänzen. Das Gehirn profitiert also nicht allein vom Denken, sondern vor allem von der Kombination aus mentaler Arbeit und regelmäßiger körperlicher Bewegung.
Einfluss von trainierten Beinmuskeln auf den Stoffwechsel
Ein weiterer Punkt, der in neueren Studien zunehmend Beachtung findet, ist der Einfluss der Beinmuskulatur auf den Stoffwechsel - und damit indirekt auch auf das Gehirn. Große Muskelgruppen wie Oberschenkel und Gesäß spielen eine zentrale Rolle bei der Regulierung des Blutzuckers und der Insulinsensitivität. Beides ist entscheidend für die Energieversorgung des Gehirns, das auf einen konstanten Nachschub angewiesen ist. Studien zeigen, dass Stoffwechselstörungen, die häufig mit Bewegungsmangel einhergehen, mit einem erhöhten Risiko für kognitiven Abbau verbunden sind. Regelmäßig aktive Beinmuskulatur kann diese Prozesse unterstützen und damit eine wichtige Grundlage für langfristige Gehirnleistung schaffen.
Empfehlungen für das Beintraining
Entscheidend ist weniger die Intensität als die Regelmäßigkeit. Wie sich in den Studien zeigt, reichen bereits Gehen, Treppensteigen oder moderates Krafttraining für die Beine aus, um die relevanten Prozesse zu aktivieren. Studien zeigen, dass aus einer gut trainierten Beinmuskulatur Impulse ins Gehirn übermittelt werden.
Die Bedeutung des Tastsinns für die Koordination und Bewegung
Barfuß über Steine oder Schotter zu laufen ist für viele Menschen unangenehm. Gepolstert durch Schuhe und geleitet durch Augen und Gleichgewichtssinn wird das Laufen leichter. Doch auch der Tastsinn hilft beim Koordinieren von Bewegungen, wie eine Studie vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie jetzt an Mäusen zeigt. Im Rückenmark verarbeiten spezielle Nervenzellen Berührungsinformationen und verfeinern die Bewegungen der Beine. Wir fühlen uns lebendig. Bereits diese Aussage deutet auf den Stellenwert des Tastsinns. Er liefert Informationen über die Umwelt und beeinflusst dadurch unzählige Verhaltensweisen. Doch anders als beispielsweise beim Schmerzempfinden ist kaum bekannt, wie Gehirn und Nervensystem Berührungen verarbeiten.
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Zic2-Zellen: Schlüssel zur Verarbeitung von Berührungsinformationen
Sónia Paixão und ihre Kolleginnen fanden heraus, dass die Zic2-Zellen Informationen über leichte Berührungen und die Beschaffenheit von Oberflächen von Tastrezeptoren der Haut erhalten. Falls notwendig, können die Zic2-Zellen dann Bewegungen über Verbindungen zu den motorischen Nervenzellen des Rückenmarks beeinflussen - zum Beispiel einen Fuß zurückziehen, wenn etwas pikst, oder die angenehmste Oberfläche für ein Nickerchen aussuchen. Doch dies ist nur ein Teil der Verschaltung: Die Zic2-Zellen leiten die Berührungsinformationen durch Nervenfortsätze vom Rückenmark direkt, sozusagen "bottom-up", zum Hirnstamm weiter. „Wir hatten die Verbindungen zum Hirnstamm bereits in einer vorherigen Studie vermutet“, berichtet Paixão. Das Team fand zudem heraus, dass die Zic2-Zellen im Rückenmark Informationen direkt aus dem motorischen Teil der Großhirnrinde und anderen Gehirnregionen erhalten.
Experimente mit Mäusen: Auswirkungen des fehlenden Tastsinns
Mäuse sind sehr gute Kletterer und können ohne Schwierigkeiten auf schmalen, glatten Balken balancieren. Ohne die Berührungsinformationen der Zic2-Zellen konnten die Mäuse solch einen Balken zwar immer noch gut überqueren, doch rutschten sie dabei deutlich öfters aus. „Dank neuer Methoden können wir nun endlich untersuchen, wie Berührungsinformationen verarbeitet werden und das Verhalten beeinflussen“, freut sich Sónia Paixão.
Funktionelle Zusammenhänge: Wie Fußfehlstellungen den Körper beeinflussen
Beschwerden an den Füßen können zu einer veränderten Körperhaltung führen. Gelenkblockierungen im Bereich der Wirbelsäule und angrenzende Strukturen (viszeral, faszial) können sich wiederum auf die Stellung der Füße und auf das Gangbild auswirken. Der Beitrag widmet sich den funktionellen Hintergründen dieser komplexen Wirkungszusammenhänge und betrachtet dabei auch die Rolle, die myofasziale Ketten als Verbindungen zu weit entfernten Körperregionen (Hals, Zungenbein) spielen. Im vorgestellten Fall hat eine dysfunktionale Fußstellung ihre Ursache im Halsbereich. Mit der osteopathischen Behandlung der dortigen Strukturen können die Beschwerden behoben werden.
Myofasziale Dysfunktionsketten: Aufsteigende und absteigende Auswirkungen
In unserem Praxisalltag begegnen uns häufig multiple Symptome, etwa wenn Patienten gleichzeitig Schmerzen in den Füßen und im Rücken haben. Fußfehlstellungen oder Beschwerden an den Füßen können zu einer veränderten Körperhaltung führen. Um Schmerzen zu minimieren, reagiert der Körper mit einem Kompensationsverhalten und weicht aus seiner lotgerechten Haltung aus. Im Haltungs- und Bewegungsapparat zeigen sich dann sogenannte Ausweichmuster.
Wenn sich auf diese Weise Fehlstellungen in Hüftgelenk, Wirbelsäule und auch Schultergürtel entwickeln, spricht man von einer aufsteigenden myofaszialen Dysfunktionskette. Spannungen in Muskeln und Faszien sind hier unausgeglichen und bringen den Körper vermehrt in Rotation, Beugung, Überstreckung und/oder Seitneige.
Dysfunktionen und Fehlhaltungen, verursacht beispielsweise durch ein blockiertes Wirbelsäulensegment oder unphysiologische myofasziale Züge, können sich ihrerseits auch fußwärts auswirken. In diesem Fall handelt es sich um eine absteigende myo-fasziale Dysfunktionskette.
Biomechanik des Fußes: Eine wichtige Funktionseinheit für Körperdynamik und -statik
Dem Fuß mit seiner gelenkigen Verbindung zum Unterschenkel kommt eine besondere Bedeutung zu. Er ist durch seinen Aufbau, seine Bodenkontaktflächen und seine komplexe Einbindung über Propriozeption und Exterozeption eine wichtige Funktionseinheit für die Körperdynamik und -statik.
Das Fersenbein (Calcaneus) als größter Knochen des Fußskeletts ist ein wesentlicher Stützpfeiler für die Fußstabilität. Es hat eine abgewandelte würfelförmige Gestalt und steht aufrecht im Raum. Das Sprungbein (Talus) liegt dem Calcaneus auf (kranial). Es wird zur proximalen Reihe der Fußwurzelknochen gezählt und besitzt keine Muskelansätze (!). Seine Funktion ist, einwirkende Kräfte, die durch das Körpergewicht und die Bewegungsdynamik des Körpers entstehen, auf den Calcaneus und den Vorfuß zu übertragen. Das bedeutet, vertikal wirkende Kräfte werden horizontal auf das Fußskelett umgelenkt. Dabei überträgt der Talus die vertikal wirkenden Kräfte über das Kahnbein und die Keilbeine auf Me-tatarsalen I-III bis zu den Zehen. Der Calcaneus, der ebenfalls die Krafteinwirkung vom Talus weiterleitet, überträgt sie über das Würfelbein auf die Mittelfußknochen IV-V und damit dann letztendlich auf die Zehen. Das Körpergewicht kann so beim Fußauftritt dem Boden entgegenwirken und in der Abstoßphase durch den Vorfuß vom Boden abgestoßen werden. Dadurch entwickelt der Fuß ein kinematisches Kraftpotenzial. Das ist nur möglich, weil neben der Kraftumlenkung von vertikal auf horizontal der Fuß durch eine bestimmte Gewölbekonstruktion, die muskulär und ligamentär gesichert werden muss, verschraubt ist. Das funktionelle Längsgewölbe reicht vom Calcaneus über Fußwurzel- bis zu den Mittelfußknochen. Dabei ist das mediale Fußgewölbe besonders stark ausgeprägt (sogenannter 1. Strahl, bestehend aus Calcaneus, Talus, Os naviculare, Os cuneiforme mediale, Os me-tatarsale I). Das Quergewölbe erstreckt sich von medial über die Keilbeine zum Würfelbein. Beide Gewölbe ermöglichen eine verwringende Fußbewegung und dadurch einen stabilen Stand und eine dynamische Abrollbewegung. Die Großzehe ist dabei der „Motor". Das bedeutet, er überträgt im Wesentlichen die Kraft am Ende der Abrollbewegung auf den Boden. Die Zehen II-V unterstützen die Bewegungsrichtung des Großzehs.
Fallbeispiel: Dysfunktionale Fußstellung aufgrund von Halsbereichsproblemen
Der Patient, ein 6-jähriges Kind, hat ein gesundes Erscheinungsbild ohne Bewegungseinschränkung der Extremitäten oder der Wirbelsäule. Auffällig sind allerdings die sehr zur Körpermitte angespreizten Vorfüße und eine unphysiologische Turtle-Neck-Hal-tung in der Hals- und Brustwirbelsäule (HWS ist in Hyperlordose, BWS in Hyperkyphose). Das Gangbild des Kindes zeigt eine sehr deutliche funktionelle Innenrotation der Knie sowie ein Eindrehen der gesamten unteren Extremität nach innen und eine nach innen schwingende Bewegung der Oberschenkel. Letzteres wird von den Eltern als unkoordiniert wahrgenommen. Die Anamnese ergibt, dass es keine Frakturen oder sonstige behandelte Traumata gab. Die klinische Untersuchung zeigt keine Hinweise auf neurologische Befunde oder gar Schmerzen. Von Bedeutung bei der Geburt waren aber eine zweifache Strangulation durch die Nabelschnur und ein verzögerter erster Schrei des Säuglings.
Die Untersuchung zeigt folgende Befundung:
- Immobilität der Luftröhre
- Hochstand des Zungenbeins
- Kranialisierter Zustand des Perikards
- Verminderte Bewegungsfähigkeit von Brustwirbelsäule, Rippe 1-12 und Brustbein
Die Bedeutung des Halsbereichs für die Füße
Das Gehen ist ein ständiger Balanceakt. Für die Fortbewegung haben wir verschiedene Muster erlernt: Sie ermöglichen uns, aufrecht zu wandeln, ohne umzufallen. Beim Gang wird zum Beispiel das Vorwärtsschwingen des rechten Beines vom linken Arm in einer Gegenbewegung genutzt. Dies geschieht zum Ausbalancieren. Darüber hinaus wird damit die vorantreibende Kraft des Beines ausgeglichen. Der Übergang von Lenden- zu Brustwirbelsäule und Hals- zu Brustwirbelsäule dient als Drehpunkt der Kreuzbewegung. Besteht hier eine Blockade oder zeigen sich myofasziale Dysfunktionen im Hals oder Thoraxbereich, so können diese den Körper in seiner Bewegungsharmonie bremsen beziehungsweise stören. Instabilitäten in der Körperhaltung sind dann möglich und können sich bis zu den Füßen auswirken.