Die Motorik, die Fähigkeit des Körpers, sich zu bewegen, ist ein komplexes Zusammenspiel von Nervenzellen, Muskeln und Steuerungszentren im Gehirn und Rückenmark. Das motorische Nervensystem spielt dabei eine zentrale Rolle, indem es motorische Signale vom Gehirn zu den Muskeln leitet und Bewegungen koordiniert, anpasst und ausführt. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte der Nervenzellen, die an der Bewegung beteiligt sind, von den grundlegenden Mechanismen bis hin zu den komplexen Netzwerken und möglichen Störungen.
Das motorische Nervensystem: Grundlage der Bewegungssteuerung
Das motorische Nervensystem ist der Teil des zentralen Nervensystems, der die Steuerung und Ausführung von Körperbewegungen ermöglicht. Es überträgt Signale vom zentralen Nervensystem zu den Muskeln und reguliert so bewusste (willkürliche) und unbewusste (automatische) Bewegungen.
Aufbau des motorischen Nervensystems
Das motorische System lässt sich in das zentrale und das periphere motorische System unterteilen.
- Zentrales motorisches System: Hier wird über die Pyramidenbahn (Tractus corticospinalis), auch als erstes Motoneuron bezeichnet, ein motorisches Signal vom Motorkortex über das Rückenmark weitergeleitet. Das extrapyramidale System dient der Modulation und Feinabstimmung der Bewegungsabläufe. Der Nucleus ruber ("roter Kern") ist ein kleines Kerngebiet im Mesencephalon (Mittelhirn), das funktional an allen Aspekten der Motorik beteiligt ist.
- Peripheres motorisches System: Hierzu zählen unter anderem als zweites Motoneuron das α-Motoneuron, die motorische Einheit sowie die motorische Endplatte. Die α-Motoneurone liegen im Vorderhorn des Rückenmarks oder in den motorischen Hirnnervenkernen und stellen die Verbindung zwischen dem zentralen Nervensystem und den Muskeln her.
Die motorische Einheit
Jede motorische Einheit besteht aus einem α-Motoneuron und allen von ihm innervierten Muskelfasern. Sie ist die Grundeinheit, über die Kraft und Feinheit einer Muskelbewegung kontrolliert werden. Eine koordinierte Aktivierung dieser Muskelfasern ermöglicht präzise Bewegungen. Die Anzahl der Muskelfasern, die von einem einzelnen Motoneuron innerviert werden, variiert je nach Muskel und seiner Funktion. Muskeln, die feine, präzise Bewegungen ausführen (z.B. die Augenmuskeln), haben eine geringere Anzahl von Muskelfasern pro Motoneuron als Muskeln, die für kraftvolle, weniger präzise Bewegungen zuständig sind (z.B. die Beinmuskeln).
Arten von Bewegungen und ihre Steuerung
Das motorische Nervensystem steuert eine Vielzahl von Bewegungsarten und Bewegungsformen. Man unterscheidet unter anderem:
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- Stütz- und Haltemotorik: Muskeltonus, Haltung
- Willkürliche Motorik: Bewusst gesteuerte Aktionen
- Spinale Reflexe: Auf Rückenmarksebene
- Kortikale und subkortikale Reflexe: Über Gehirnstrukturen
An der willkürlichen Motorik sind mehr als 50 verschiedene Kerngebiete beteiligt. Die höheren kortikalen Areale wie der prämotorische Kortex, das supplementär-motorische Areal und der präfrontale Kortex übernehmen Planung, Koordination und zeitliche Abfolge der Bewegungen.
Der Ablauf einer Muskelkontraktion
Der Ablauf einer Muskelkontraktion ist ein komplexer Prozess, der mehrere Schritte umfasst:
- Initiale Übertragung eines Aktionspotenzials: Vom Motoneuron zur Muskelfaser an der motorischen Endplatte.
- Freisetzung von Acetylcholin: Acetylcholin bindet an nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren, wodurch es zur Depolarisation der Muskelmembran kommt.
- Elektromechanische Kopplung: Es folgt eine elektromechanische Kopplung und die Muskelkontraktion setzt ein.
- Kraftabstufung: Die Kraftabstufung erfolgt durch die Rekrutierung unterschiedlicher motorischer Einheiten.
Neuromuskuläre Übertragung und ihre Störungen
Die neuromuskuläre Übertragung ist ein entscheidender Schritt für die Muskelkontraktion. Störungen in diesem Bereich können zu verschiedenen Erkrankungen führen.
- Myasthenia gravis: Antikörper gegen nikotinische Acetylcholinrezeptoren führen zu belastungsabhängiger Muskelschwäche.
- Botulinumtoxin (Botox): Hemmt die Acetylcholin-Freisetzung durch Zerstörung von SNARE-Proteinen, was zu einer Muskellähmung führt.
Schädigungen des motorischen Systems und ihre Folgen
Störungen des motorischen Systems können auf verschiedenen Ebenen auftreten und zu charakteristischen klinischen Symptomen führen.
- Schäden am ersten Motoneuron (zentral): Führen typischerweise zu Spastik, erhöhtem Muskeltonus und gesteigerten Reflexen.
- Schäden am zweiten Motoneuron (peripher): Führen zu Muskelschwäche, Muskelatrophie und verminderten Reflexen.
Bei neurologischen Schädigungen, die zentral sind, kommt es durch Schädigung des 1. Motoneurons zur Spastik, Hyperreflexie und gesteigertem Muskeltonus.
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Die Rolle des Gehirns bei der Bewegungssteuerung
Das Gehirn ist die Kommandozentrale für Bewegungen. Geplant und initiiert werden Bewegungsabläufe von den motorischen Zentren im Gehirn. Über das Rückenmark und die Motoneurone gelangen motorische Signale zu den Muskeln und werden dort in Bewegungen umgesetzt. Sensorische Rückmeldungen helfen dabei, die erfolgreiche Umsetzung der Bewegungen zu koordinieren.
Die verschiedenen Hirnareale und ihre Funktionen
- Motorische Assoziationsfelder (Parietal- und Präfrontalcortex): Festlegung des Bewegungsziels und der geeigneten Bewegungsstrategie.
- Motorcortex und Kleinhirn (Cerebellum): Bestimmen, welche Muskeln in welcher Abfolge kontrahiert werden sollen.
- Hirnstamm und Rückenmark: Konkrete Ausführung des Plans.
Die Bedeutung des motorischen Lernens
Die meisten täglichen Bewegungen laufen, wenn man sie sich einmal angeeignet hat, automatisch und unbewusst ab. Das Gehen zum Beispiel, oder die Kraulzüge im Schwimmbad. Der Vorteil des motorischen Lernens liegt auf der Hand: Laufen die Bewegungen unbewusst ab, hat das Hirn mehr Kapazitäten, um sich mit anderen Dingen zu beschäftigen.
Die Rolle der Nervenzellen im Detail
Nervenzellen sind die Spezialisten für Strom in unserem Körper. Als kleinste funktionelle Einheiten des Nervensystems leiten sie elektrische Signale aus dem Körper ins Gehirn und umgekehrt.
Aufbau einer Nervenzelle
Eine Nervenzelle besteht aus:
- Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und alle Zellorganellen.
- Dendriten: Feine Verästelungen, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen.
- Axon: Langer Fortsatz, der elektrische Impulse vom Zellkörper zum Ende der Nervenzelle leitet.
- Axonhügel: Ursprung des Axons am Zellkörper, wo einkommende Impulse gesammelt und verrechnet werden.
- Schwannsche Zellen: Stütz- und Hüllzellen der Neuronen im peripheren Nervensystem, die eine Myelinscheide bilden.
- Myelinscheide: Elektrische Isolationsschicht, die das Axon umgibt und die Erregungsleitung beschleunigt.
- Ranviersche Schnürringe: Unterbrechungen der Myelinscheide, die es dem elektrischen Impuls ermöglichen, über längere umhüllte Bereiche zu springen.
- Synaptische Endknöpfchen: Ende der Nervenzelle, an dem elektrische Signale mithilfe von Synapsen zur nächsten Nervenzelle oder einer anderen Zelle übertragen werden.
Die Signalübertragung an der Synapse
Die Kontaktstelle zwischen 2 Nervenzellen ist die Synapse. Hier erfolgt die Übertragung des elektrischen Signals von einer Nervenzelle zur nächsten mit Hilfe von Botenstoffen, die auch als Transmitter bezeichnet werden. Gelangt das elektrische Signal zum Axonende einer Nervenzelle, wird dort der jeweilige Botenstoff in den winzigen Spalt zwischen den beiden Zellen ausgeschüttet.
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Arten von Nervenzellen
In der Neurobiologie können Nervenzellen nach verschiedenen Charakteristika eingeteilt werden:
- Unipolare Nervenzelle: Neuron mit einem Fortsatz (Axon).
- Bipolare Nervenzelle: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit).
- Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen.
- Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen.
Weitere wichtige Aspekte der Bewegungssteuerung
Sensorisches Nervensystem
Über das Nervensystem tritt der Mensch in Kontakt mit seiner Umwelt. So nehmen beispielsweise Augen, Ohren, Nase, Zunge und Sensoren in der Haut, wie beispielsweise Temperatur- und Berührungssensoren, Reize aus der Umwelt wahr und leiten sie weiter zum Zentralnervensystem. Auch Informationen über den Zustand des eigenen Organismus, wie z.B. die Stellung des Körpers oder Hunger und Durst, werden registriert. Dieser Teil des Nervensystems wird als sensorisches Nervensystem bezeichnet.
Vegetatives Nervensystem
Neben der willkürlichen Kontrolle hat das Nervensystem auch Aufgaben, die wir nicht bewusst kontrollieren können. Jeder kennt die Situation: Beim Sport oder in Stresssituationen erhöht sich automatisch der Herzschlag, die Atmung wird schneller und man beginnt zu schwitzen. Verantwortlich dafür ist das vegetative Nervensystem, das auch als autonomes oder unwillkürliches Nervensystem bezeichnet wird, weil es nicht unserem Willen unterworfen ist. Das vegetative Nervensystem kontrolliert die Muskulatur aller Organe, regelt also lebenswichtige Körperfunktionen wie Herztätigkeit, Atmung, Kreislauf, Stoffwechsel, Verdauung, Ausscheidung, Schweißbildung, Körpertemperatur und Fortpflanzung.
Gliazellen
Gliazellen sind selbst nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, im menschlichen Nervensystem erfüllen sie aber dennoch äußerst wichtige Funktionen. Als Stützzellen schützen sie die Neurone (die eigentlichen Nervenzellen), indem sie sie elektrisch abschirmen (was für eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist) oder eingedrungenen Stoffen im Blut (zum Beispiel Medikamenten) den Zugang zum Gehirn versperren. Zudem sind die Gliazellen für die Versorgung der Neurone mit Nährstoffen zuständig.
Statokinetische Reflexe
Reflexe, die durch Bewegungen ausgelöst werden und dafür sorgen, dass das Gleichgewicht aufrechtgehalten wird.
Basalganglien (Stammganglien)
Die Basalganglien erhalten Informationen aus verschiedenen Teilen der Hirnrinde. Sie 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. Störungen der Basalganglien können nicht nur motorische Symptome zeigen, sondern u. a. auch kognitive und affektive.
Kleinhirnhemisphären
Die Kleinhirnhemisphären erstellen Bewegungsprogramme für schnelle Zielbewegungen, auf der Grundlage von Informationen aus den assoziativen Rindenfeldern und der vom Großhirn geplanten Bewegungsentwürfe.
Forschung und neue Erkenntnisse
Die Forschung im Bereich der Neurowissenschaften hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht und neue Einblicke in die Mechanismen der Bewegungssteuerung ermöglicht.
Signalfaktoren und die Entwicklung des Nervensystems
Dass wir nicht wie Kängurus hüpfen, sondern beim Laufen abwechselnd das rechte und das linke Bein nach vorne setzen, haben wir der richtigen Entwicklung jenes Teils unseres Nervensystems zu verdanken, welches die Abfolge von Bewegungsabläufen steuert. Dabei spielen Signalfaktoren eine wichtige Rolle: Sie sorgen dafür, dass sich die "richtigen" Nervenzellen während der Entwicklung zu Netzwerken zusammen finden.
Ephrine und Ephrin-Rezeptoren
Eine bedeutende Gruppe von Signalfaktoren sind Ephrine und ihre Rezeptoren. Ephrine binden an spezifische Rezeptoren, Empfangsantennen, die an der Zelloberfläche u.a. des axonalen Wachstumskegels sitzen, und können dadurch ganz bestimmte Signalketten in der Zelle starten. Die Ephrin-Rezeptoren besitzen ein Enzym, Tyrosin-Kinase, das durch Ephrine aktiviert wird und Kommandos ins Zellinnere sendet.
Die Rolle des Hirnstamms bei der Feinmotorik
Eine Studie hat gezeigt, dass eine ganz bestimmte Region im Hirnstamm speziell für verschiedene feinmotorische Tätigkeiten der Vorderpfoten verantwortlich ist. Diesen Gruppen von Neuronen konnten die Wissenschaftler unterschiedliche Tätigkeiten zuordnen. Die Nervenzellpopulationen im latRM-Bereich kontrollieren ganz spezifisch die Feinmotorik der vorderen Gliedmaßen.