Körperhaltung und Motorik

Dopamin, Basalganglien und Motorik
 
 
© H. Hinghofer-Szalkay
Athetose: ἀ = un-, θετός < τιθέναι = veranlassen
Ballismus: βάλλειν = werfen, schleudern
Chorea: χορεία = Tanz

Dopamin: Dihydroxyphenylalanin
Habenulae: habena = Zügel
Parkinson-Syndrom: James Parkinson
Schizophrenie: σχίζειν = abspalten, φρήν = Seele
Tourette-Syndrom: Nach G.G. de la Tourette


Planung und Feinsteuerung von Bewegungsabläufen bedürfen komplexer Kontrollmechanismen. So ist den Ausgängen der Pyramidenbahn im motorischen Kortex ein mehrgliedriger Mechanismus aus Basalganglien und motorischem Thalamus vorgeschaltet.

Ein direkter Weg bewirkt dabei Disinhibition (Bewegungserleichterung), ein indirekter Weg Inhibition (Bewegungshemmung). Beteiligte Transmitter sind Glutamat (exzitatorisch) und GABA (inhibitorisch), zusätzlich sind dem Striatum dopaminerge Einflüsse aufgeschaltet (exzitatorisch und inhibitorisch).

Die Funktion der Basalganglien lässt sich anhand von Funktionsstörungen ablesen, die Symptome wie (hyperton-hypokinetisch), Mb. ParkinsonHuntington-Chorea, Ballismus und Athetose (hypoton-hyperkinetischer Formenkreis) bewirken.

Basalganglien  Dopaminrezeptor
Bewegungsstörungen
 

>Abbildung: Motorische Schaltkreise im Großhirnbereich
Nach einer Vorlage in Kandel / Schwartz / Jessell, Neurowissenschaften. Spektrum Verlag 1996

Rückkopplungskreise zwischen Großhirnrinde und Basalganglien    s. auch dort
Ein komplex verknüpftes System von motorischen Rechnungsstellen in der Tiefe des Gehirns sorgt dafür, dass wir unsere Muskulatur in ausgewogener und angemessener Weise aktivieren, ohne unsere Aufmerksamkeit darauf verschwenden zu müssen. Dabei werden nicht nur Informationen über die aktuelle Stellung und Bewegung der Gelenke berücksichtigt (Tiefensensibilität), sondern z.B. auch die emotionale Situation (Gefühle → Körpersprache); für letzteres ist das limbische System verantwortlich.

  Im Mittelpunkt dieses Systems stehen die Basalganglien (>Abbildung) - Striatum (nucl. caudatus + Putamen), Pallidum (globus pallidus) und nucleus subthalamicus. Sie beeinflussen einander mit vorwiegend hemmenden Verbindungsbahnen; daraus ergeben sich Regelkreise und Feinabstimmungen für die Kontrolle der Motorik.

Die Basalganglien verwenden verschiedene Transmitter, die teils exzitatorisch (Glutamat, Azetylcholin), teils hemmend wirken (GABA, Dopamin) und in den Neuronenendigungen, d.h. direkt präsynaptisch synthetisiert werden; das
neuroaktive Peptid Substanz P entsteht im Soma und wird mittels axonalem Transport zur Synapse gebracht.

Die Abfolge der Vorgänge kann vereinfacht so beschrieben werden:


Das Striatum (der Streifenkörper) wird von der gesamten Großhirnrinde und der Sensorik angeregt (Transmitter: Glutamat) und inhibiert seinerseits über GABAerge Neurone Pallidum und substantia nigra (pars reticulata). Die substantia nigra (pars compacta) hemmt die Aktivität von Neuronen im Striatum (nigro-striatale Projektion); bei Ausfall dieser Projektion treten Symptome eines Parkinson-Syndroms (s. unten) auf.

Die Basalganglien senden hemmende Impulse an Thalamus und Hirnstamm. Dadurch werden dort vorliegende motorische Programme "im Zaum gehalten". Ein Ausfall dieser Kontrollfunktion kann zu willkürlich nicht beeinflussbaren Kontraktionen im Bereich der Extremitäten, des Rumpfes, Halses und Gesichts führen (Chorea, „Veitstanz“), die unvermittelt aus dem Ruhezustand, aber auch Willkürbewegungen überlagernd, auftreten.

Die Hemmung der thalamischen Kerne durch GABAerge Neurone (inneres Pallidum, substantia nigra pars reticulata) wird durch Aktivierung des Striatum aufgehoben (Disinhibition): Das Gehirn kann über Aktivierung des Striatum eine vorübergehende "Entfesselung" des motorischen Thalamus bewirken.

Ferner empfängt das Kleinhirn (Neozerebellum) Signale von der motorischen Großhirnrinde und koordiniert präzise Portionierung
und kurzfristige Beendigung motorischer Aktivitäten, was z.B. rasch aufeinander folgende, z.T. antagonistische Bewegungsabläufe ermöglicht. Dieser Rückkopplungskreis läuft parallel zu dem der Basalganglien und schaltet ebenfalls im Thalamus um, der dann auf den motorischen Kortex projiziert.


1686 verfasste Thomas Sydenham Schriften über die Chorea minor (daher auch "Sydenham-Chorea"). Die substantia nigra wurde erstmals 1800 von Samuel Sömmerring identifiziert (daher auch die Bezeichnung "Sömmerring-Ganglion"). 1817 beschrieb James Parkinson die später (60 Jahre nach seinem Tod) nach ihm benannte Schüttellähmung. Die Chorea major ("Veitstanz") wurde 1872 von George Huntington beschrieben, nach ihm wird diese bis heute unheilbare Krankheit als Huntington-Chorea bezeichnet (s. unten).



<Abbildung: Basalganglienkette: Direkter und indirekter Weg
Nach einer Vorlage in Hal Blumenfeld, Neuroanatomy Through Clinical Cases, Sinauer Ass. 2002

Als exzitatorischer Transmitter dient Glutamat, als inhibitorischer GABA (γ-Aminobuttersäure). Dopamin kann über D1-Rezeptoren exzitatorisch (direkter Weg), über D2-Rezeptoren inhibitorisch wirken (indirekter Weg). VA, VL = nucll. thalamici ventralis anterior und lateralis

Der nucl. subthalamicus empfängt direkte Anregung aus der Großhirnrinde

Diese Kreisschaltungen dienen der Kontrolle von Muskeltonus und Begleitbewegungen motorischer Abläufe. Sie benützen verschiedene Pfade, z.B. Kortex - Striatum - Pallidum - Thalamus - Kortex.

Die Basalganglien haben zwei Ausgangssysteme, welche die rhythmische Aktivität der Thalamusneurone erregend oder hemmend beeinflussen:

      Direkter Weg: Er projiziert GABAerg aus dem Striatum in das innere Pallidum (<Abbildung) und in die Substantia nigra (pars reticulata) und von diesen beiden Stellen ebenfalls GABAerg in den Thalamus. Dies führt zu einer Steigerung der Thalamusaktivität (Disinhibition: Zwei hemmende Neurone hintereinandergeschaltet).

      Indirekter Weg: Die GABAergen Neurone projizieren aus dem Striatum in das äußere Pallidum und von dort ebenfalls GABAerg in den nucleus subthalamicus (<Abbildung). Von dort geht es glutamaterg zu den GABAergen Neuronen des inneren Pallidum und der pars reticulata des nucleus niger. Auf diese Weise kommt es zu Inhibition thalamischer Neuronen, der Thalamus (nucl. ventralis anterior und lateralis) wird gehemmt.

Die Schaltungen sind somatotopisch gegliedert. Man kennt Funktionsketten für die

      Körpermotorik (mit Betonung von Gesichts- und Mundbewegungen), für die

  
   Kontrolle der Augenbewegungen (gesteuert vom frontalen Augenfeld des Kortex), und

      komplex-assoziative zur Ausarbeitung motorischer Strategien im Rahmen von motivations- und erkenntnisabhängigem Verhalten.

So ist der nucleus caudatus auf stereotype Handlungen (z.B. Körperpflege) spezialisiert, das Putamen auf motorische Fähigkeiten wie z.B. Bewegungsabläufe beim Sport.


>Abbildung: Basalgangliensystem
Nach einer Vorlage bei Ganongs's Review of Medical Physiology, 24th ed. Lange Basic Science 2012

Die Basalganglien haben zwei führende Eingänge - beide sind exzitatorisch und glutaminerg und projizieren in das Striatum: Kortikostriatal aus weiten Großhirnregionen, und thalamostriatal aus intralaminaren Thalamuskernen. Zwei führende Ausgänge sind aus dem inneren Pallidum und der pars reticulata der substantia nigra - sie sind GABAerg (inhibitorisch) und projizieren auf den Thalamus. Dessen Projektion auf den präfrontalen / prämotorischen Kortex ist vermutlich glutamaterg

DA
, Dopamin
     GABA, γ-amino-Buttersäure    Glu, Glutamat

Die substantia nigra spielt insbesondere für die Steuerung von Augenbewegungen und motorische Planungsvorgänge eine Rolle, aber auch für Lernvorgänge und motiviertes Verhalten. Ihre Funktionen stehen unter der Kontrolle des Striatums, umgekehrt projiziert sie dopaminerg auf das Striatum zurück (>Abbildung).
 
   Die pars reticulata verfügt über GABAerge Neuronen, diese projizieren auf den Thalamus (<Abbildung) und die oberen Vierhügel (Augenbewegungen), und hemmen dopaminerge Aktivitäten der pars compacta. Diese Neuronen sind spontanaktiv und üben tonisch-inhibitorische Aktivität aus.

   Die pars compacta sendet exzitatorische dopaminerge (D1) Impulse an das Striatum, die in die Kontrolle der Feinmotorik einfließen und motorische Lernvorgänge unterstützen. Wahrscheinlich ist sie auch in die Schlaf-Wach-Regulation involviert.

 
 
<Abbildung: Amygdala und Basalganglien
Nach einer Vorlage bei what-when-how.com/neuroscience

Die Amygdala grenzt unmittelbar an den nucleus caudatus, mit dem sie direkte Verbindung hat

Verbindungen zur Funktion des limbischen Systems. Der Mandelkern hat direkte Verbindungen zum nucleus caudatus (<Abbildung), und beide projizieren - direkt und indirekt - auf den Hippokampus, der Erinnerungsinhalte verfügbar hält, bis sie kortikal "abgespeichert" sind. Das bedeutet, dass die Amygdala Lernprozesse in der Basalganglien beeinflusst. 

In den Basalganglien wirken weiters cholinerge Interneurone (ihr Ausfall trägt zu den Symptomen einer Chorea bei), Eingänge aus dem Hirnstamm (noradrenerge aus dem locus coeruleus, serotoninerge aus den Raphekernen) sowie verschiedene peptiderge Afferenzen. Diese Systeme projizieren auch intensiv auf die Großhirnrinde und das limbische System.




Die Funktionsschleifen in den Basalganglien werden durch “Berieselungssysteme” moduliert, z.B. durch die nigro-striatalen Bahnen. Diese benutzen Dopamin als Transmitter, ihr Ausfall führt zum Parkinson-Syndrom.
  Dopaminrezeptoren befinden sich an entsprechenden Nervenzellen (Striatum, limbisches System, nucl. accumbens, Groß- und Kleinhirnhirnrinde). Teils regen sie über ein Gs-Protein die Adenylatzyklase an (D1-Gruppe: D1, D5), teils hemmen sie diese über ein Gi-Protein (D2-Gruppe: D2, D3, D4).

Die Rezeptor-Subtypen sind unterschiedlich auf die Hirnregionen verteilt, was funktionelle Verschiedenheiten andeutet. Für das Belohnungssystem des Gehirns spielen Dopaminrezeptoren eine zentrale Rolle. Substanzen, welche die Wirkung an Dopaminrezeptoren verstärken, können euphorisierende Effekte auslösen.

Motorische Thalamuskerne regen motorische Rindenareale im Großhirn an. Sie werden von vielen anderen Zentren beeinflusst, insbesondere von Basalganglien und Kleinhirn. Dopamin im Neostriatum (nucl. caudatus, putamen) beeinflusst die Aktivität im direkten und indirekten Weg (graue und blaue Pfeile in <Abbildung oben):

  D1-Dopaminrezeptoren regen striatale Output-Neurone im direkten Weg an, hemmen GABAerge Neurone in innerem Globus pallidus (GPi) und der substantia nigra pars reticulata (SNr).

  Im indirekten Weg bewirkt Aktivierung von D2-Dopaminrezeptoren die Hemmung striataler Output-Neurone zum äußeren Globus pallidus (GPe) und Hemmung von glutamatergen Neuronen im nucleus subthalamicus (STN), und GABAerger Neurone im inneren globus pallidus und dem retikulären Teil der substantia nigra.
 

<Abbildung: Funktionelle Beziehung zwischen lateralen Habenulae und Basalganglien
Nach: Hong S & Hikosaka O, The globus pallidus sends reward-related signals to the lateral habenula. Neuron 2008; 60: 720-9

Die Verbindung vom Pallidum zur Habenula dient der Evaluation von Handlungserfolgen (reward evaluation)

N-PRE, negative reward prediction error 
  P-RPE, positive reward projection error nach der (umstrittenen) Reward prediction error-Hypothese signalisiert die phasische Aktivität dopaminerger Neurone im Mittelhirn die Diskrepanz zwischen dem erwarteten und dem aktuell erfahrenen "Belohnungseffekt" eines bestimmten Ereignisses

Die Habenulae
(Epiphysenstiele) sind Teil des Zwischenhirns, verbinden die Zirbeldrüse mit dem Thalamus und haben Verbindungen zum limbischen System

Dopaminrezeptoren haben eine zentrale Bedeutung für Verhaltensmotorik, wie sie z.B. für räumliches Gedächtnis benötigt wird. Dopamin ist ein Schlüsselfaktor für die motorische Kontrolle, weiters für Kognition, Gedächtnis, Lernen, Motivation, Lustempfinden sowie auch für die Steuerung neuroendokriner Signale.

Im Striatum ist die Aktivierung von Dopaminrezeptoren für das Gleichgewicht motorischer Anregungsmuster entscheidend.

Dopaminrezeptoren werden auch in anderen Geweben, insbesondere in der Niere exprimiert (vasokonstriktorische Wirkung).




Schädigungen im Basalganglienbereich bedingen Bewegungsstörungen, die man als Plus- und Minussymptome klassifiziert. Diese gehen jeweils auf Unter- und Überfunktion bestimmter Neurotransmitter zurück. Zu den Plus-Symptomen zählen unwillkürliche, abnorme Bewegungen (Hyperkinesien), zu den Minus-Symptomen Bewegungsverlangsamungen und -störungen (Hypokinesien).

 
>Abbildung: Extrapyramidalmotorische Störungen
Nach einer Vorlage bei what-when-how.com

Eingänge (aus dem Kortex) zum Striatum, Ausgänge (zum Thalamus) aus innerem Pallidumkern (GPi) und subantia nigra, pars reticulata (SNr). Diese Ausgangskerne sind teils direkt, teils indirekt - über den äußeren Pallidumkern (GPe) und den nucl. subthalamicus (STN) - an das Putamen angekoppelt.

Direkter Weg: Aktivierung, indirekter Weg: Hemmung der thalamokortikalen Projektion. Blaue Pfeile glutaminerg, schwarze GABAerg.

Perkinsonismus: Ausfall der dopaminergen Projektion der pars compacta des nucleus niger (SNc) führt zu eines Dysbalance des dopaminergen Einflusses (D1/D2) auf striatale Neuronen mit dem Resultat verringerter kortikal-motorischer Anregung

Hemiballismus: Einseitiger Ausfall des nucl. subthalamicus

Chorea: Ausfall striataler GABAerger Projektionen zum externen Pallidum


  Das Parkinson-Syndrom ist die häufigste Basalganglienerkrankung. Symptome sind das “Einfrieren” von Bewegungen (Akinese), erhöhter Muskeltonus (Rigor) und ein Zittern der Finger (Ruhetremor). Eine Substitutionstherapie mit der Vorstufe L-DOPA oder Dopamin-Agonisten ist möglich, weiters die Gabe von Anticholinergika, um der dopaminmangelbedingten Enthemmung des cholinergen Systems entgegenzuwirken. Parkinsonartige Symptome können aber auch durch Medikamente (Neuroleptika) hervorgerufen werden.

Fehlfunktionen des dopaminergen Systems werden nicht nur mit Parkinson-Syndrom, sondern auch mit Erkrankungen wie Drogenabhängigkeit, Schizophrenie
, Tourette-Syndrom , Aufmerksamkeitsdefizit / Hyperaktivität (ADHD, Attention deficit hyperactivity disorder) u.a. in Verbindung gebracht.

  Die (vererbliche) Huntington-Chorea geht mit Degeneration GABAerger Nerven, die vom Striatum in Pallidum und substantia nigra ziehen, sowie cholinerger Interneurone einher. Die Krankheit beginnt mit Bewegungsunruhe (Extremitäten, Mimik, später Kopf und Rumpf), die sich später zu plötzlich einsetzendem, unwillkürlichen Bewegungen steigern (choreatische Hyperkinesie: kurze, irreguläre Bewegungen, welche die Willkürmotorik unterbrechen). Im weiteren Verlauf kann es zu Akinesie und Rigor kommen.

  Athetose ist eine relativ häufig auftretende extrapyramidal-motorische Störung, bedingt durch Defekte im Striatum (Pallidum), die oft auf perinatale Schädigungen zurückzuführen sind. Zu den hyperkinetischen Bewegungsabläufen gehören u.a. langsame, schraubende Bewegungen der Gliedmaßen und des Rumpfes, stolpernder Gang, Überstreckungen, Spreizung der Finger, Grimassieren bei geöffnetem Mund.

  Ballismus tritt meist (infolge Blutung in einen nucl. subthalamicus) einseitig als Hemiballismus auf (oder nur eine Extremität betreffend: Monoballismus) und bedingt “schleudernde” Bewegungen im Arm-, Bein-, Schulter- oder Beckengürtelbereich.


Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.