Integrative Funktionen des Nervensystems, Physiologie des Verhaltens

Funktion von Nervenzellen im Verbund; Physiologie des Kortex

 
 
© H. Hinghofer-Szalkay

corpus callosum: corpus = Körper, callosus = schwielig (Wulstform des Balkens)
fissura Sylvii: Nach Franciscus Sylvius
Glutamat: Zuerst in Klebereiweiß gefunden (lat. gluten = Leim)
Reelin: to reel = taumeln (Fortbewegungsmuster Reelin-defekter Mäuse)
Synapse: σύν = zusammen, ἅπτειν = fassen, ergreifen, συναψις = Verbindung
Tensor: tendere = (an-, auf-)spannen



Obzwar man die Funktionsweise des Gehirns als Ganzes nur ansatzweise erfassen kann, lassen sich seine Moleküle, Synapsen, Zellen und Module gut untersuchen. Dabei wird Information mit sehr unterschiedlicher Geschwindigkeit umgesetzt: Millisekunden (Aktionspotential, rasche Transmitter, Ionenkanäle), Sekunden bis Minuten (langsame Transmitter, second messenger), Stunden (Rezeptorzahl) oder länger (Genexpression, modifizierte Verbindungsstrategien).

Synapsen sind interzelluläre Schaltstellen; einige wenige arbeiten elektrisch, bei weitem die meisten chemisch: Dutzende Transmitterstoffe sind bekannt. Der wichtigste anregende (depolarisierende) Transmitter ist Glutamat, hemmend (hyperoplarisierend) wirken GABA und Glyzin.

Synapsen können depolarisierend wirken, ihr Effekt heißt exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) - das "Vorspiel" zur Erregung (Aktionspotential). Wird das Membranpotential verstärkt (hyperpolarisierende Synapsenwirtkung), wirkt dies hemmend (inhibitorisches postsynaptisches Potential, IPSP).

Im Neokortex sind Neuronengruppen zu kortikalen Säulen organisiert - mit jeweils ≈1 mm3 Volumen, ≈104 Neuronen und ≈108 Synapsen; diese Recheneinheiten sind modular miteinander verschaltet. Assoziationsfasern stellen Kontakte mit Nachbarsäulen und entfernteren Teilen der Hemisphäre (ipsilateralen Arealen) her, Kommissurenfasern mit kontralateralen Rindengebieten, Projektionsfasern mit Neuronen außerhalb des Kortex.

Die Gesamtheit der Verbindungen im Nervensystem wird als
Konnektom bezeichnet.


Übersicht
Neuronale Verbindungen, EPSP, IPSP Transmitter Lateralisation kortikale Säulen  Entstehung kortikaler Potentiale, EEG
 
Die Großhirnrinde ermöglicht Fähigkeiten, die über die Stabilisierung grundlegender Körperfunktionen hinausgehen
 
        Über elektrophysiologische Grundlagen s. dort


>Abbildung: Kortikale Netzwerke

Nach: Zimmer C, 100 Trillion Connections. Scientific American 2011; 304: 58 - 63

Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (diffusion tensor imaging) ist ein bildgebendes Verfahren, das eine präzise Darstellung von Fasersystemen im Gehirn erlaubt (links). Es zeigt bevorzugte Knotenpunkte der neuronalen Datenverarbeitung auf. Als "Konnektom" ist eine vollständige Beschreibung der funktionellen Verbindungen zu verstehen, die das Gehirn ausmachen.

Schon ein small world network-Modell des Gehirns (rechts) kann Gedächtnisspuren entwickeln (rot: Knotenpunkte)

Das Gehirn einer erwachsenen Person wiegt ≈1300-1500 Gramm (das Gehirn einer Honigbiene ≈1 Milligramm). Das gesamte Zentralnervensystem eines erwachsenen Menschen enthält ≈85 Milliarden Nervenzellen (davon jeweils ≈25% in Groß- und Kleinhirnrinde).
 
Der Fadenwurm caenorhabditis elegans - ein beliebtes Modell zum Studium neuronaler Verschaltungen - hat exakt 302 Nervenzellen und 8000 Synapsen; das Gehirn einer Fruchtfliege enthält eine Viertelmillion, das einer Maus ≈107, das einer Ratte 108, das eines Rhesusaffen 6.109, das eines Elefanten knapp 3.1011 Nervenzellen.

Die Gehirnmasse nimmt bei Säugetieren entsprechend dem Körpergewicht hoch ≈0,7 zu. Aufgrund der so beschriebenen Funktion kann berechnet werden, welches Gehirngewicht einer Spezies aufgrund des Körpergewichts erwartet werden kann. Untersucht man zahlreiche Tierarten, ergibt sich eine entsprechende Regressionslinie zwischen Körper- und Hirnmasse.

Der Enzephalisationsquotient (EQ) gibt das spezifische Gehirngewicht in Relation zu dem Wert an, den die Regressionslinie nahelegt (1 = Erwartungswert). Der EQ beträgt beim Menschen ≈7,5 und ist damit der höchste im gesamten Tierreich.

 
Die Oberfläche der Großhirnrinde - auf eine Ebene ausgebreitet - würde etwa 2000 cm2 betragen. Die Gesamtlänge der ≈85 Milliarden Axone würde aneinandergereiht ungefähr 60.000 km betragen, und mit seinen über 1014 Synapsen   führt es geschätzte 1016 Rechenoperationen pro Sekunde durch.

Die Leistungsfähigkeit des Gehirns hängt von zahlreichen Parametern ab (Durchblutung, Sauerstoff- und Glukoseangebot, Stoffwechsel, Zahl und Konnektivität von Neuronen, Isolation der Axone durch Myelinscheide u.a.). Der Energiedurchsatz des menschlichen Gehirns beträgt etwa 25 Watt (rund 1/4 des gesamten Grundumsatzes des Körpers). Dass größere Gehirne leistungsfähiger sind als kleine, ist eine triviale, aber im Allgemeinen zutreffende Aussage; die Frage ist, was man unter "Leistungsfähigkeit" versteht. Aspekte sind z.B. die Zahl der zu versorgenden motorischen Einheiten (große Tiere haben mehr als kleine), die Menge der zu verarbeitenden Sinnesinformation, oder die Komplexität der zu bewältigenden Kalkulationen. Teilaspekte wie Merkfähigkeit, "Intelligenz", Geschicklichkeit usw. sind mit wissenschaftlichen Methoden zumindest teilweise erklär- und quantifizierbar; je komplexer die Erklärungsmodelle, umso schwerer ist es, diese nachzuvollziehen.

Das Gehirn ist symmetrisch organisiert: Fast alle Strukturen sind bilateral vertreten - nur einige median gelegene Strukturen wie corpus callosum (Balken - bestehend aus Fasern, welche die beiden Hemisphären verbinden), Epiphyse (Zirbeldrüse) und Hypophyse (Hirnanhangsdrüse) sind nicht paarig angelegt - und die Repräsentation des Körpers ist im wesentlichen seitenverkehrt (die rechte Hirnhälfte korrespondiert mit der linken Körperhälfte und umgekehrt, die Gehirn und Körper verbindenden Nervenfasern kreuzen die Seite).

Die Zusammenarbeit verschiedener Regionen der Großhirnrinde erlaubt komplexe kognitive Funktionen und die Ausbildung von Verhaltensmustern. Subkortikale Strukturen sind an der Steuerung von Bewegungen und Regulierung von Emotionen beteiligt. Das Dienzephalon ordnet sensorische Information und steuert basale physiologische Funktionen. Das Mittelhirn hat vor allem grundlegende sensorische und motorische Aufgaben. Das an die Brücke gekoppelte Kleinhirn ist für die motorische Koordination unentbehrlich. Die medulla oblongata steuert vitale Körperfunktionen (z.B. Kreislauf, Atmung).

Der tägliche Verlust an zerebralen Neuronen wird beim Erwachsenen auf 5-10 x 104 geschätzt
(<1% des Ausgangsbestandes pro Jahrzehnt); bei schädigenden Einflüssen auf das Gehirn (Sauerstoffmangel, Gifte) oder pathologischen Vorgängen kann der Verlust wesentlich höher sein. Neubildung von Neuronen wurde an einigen Stellen nachgewiesen, insbesondere im Hippokampus.
 
Über Durchblutung und Sauerstoffbedarf des Gehirns s. dort
 
Über die embryonale Entwicklung des Kortex s. dort
    
Zur Geschichte der Hirnforschung s. dort
  
 
 
>Abbildung: Skizze der Informationsverarbeitung in der Großhirnrinde (Isokortex)
Nach einer Vorlage bei quora.com

Afferente Fasern blau, efferente rot, auf den Kortex beschränkte Neuronen schwarz dargestellt.

B = Korbzelle, F = fusiforme Zelle, H = Horizontalzelle, M = Martinotti-Zelle, N = Neurogliaforme Zelle, P = Pyramidenzelle, S = Sternzelle

Glutaminerge Neurone (Pyramidenzellen, Sternzellen) bilden Erregungsschleifen, die durch GABAerge Interneurone (Korbzellen, Martinotti-Zellen) moduliert werden

Der größte Teil der Großhirnrinde des Menschen kann aus sechs Schichten aufgebaut gesehen werden (>Abbildung) und wird als Isokortex (Neokortex) bezeichnet:
 
    I = Molekularschicht; enthält vorwiegend Assoziationsfasern
 
    II = äußere Körnerschichte
 
    III = äußere Pyramidenschicht
 
    IV = innere Körnerschicht; erhält zahlreiche thalamische Eingänge
 
    V = innere Pyramidenschicht; Ursprung zahlreicher Assoziations- und Projektionsfasern
 
    VI = multiforme Schicht

Die Ausprägung dieser Schichten differiert je nach Hirnregion / Funktion; so sind die Pyramidenschichten in motorischen Gebieten stark, in sensorischen schwach ausgeprägt.

Einige - entwicklungsgeschichtlich ältere - Teile der Großhirnrinde bestehen aus nur drei Schichten oder sind nicht "schichtig" organisiert, man bezeichnet sie als Allokortex (früher auch Archi- oder Paläokortex).

Etwa 80% der kortikalen Neuronen sind glutamaterg (und damit exzitatorisch): Pyramidenzellen (kleine in Schicht II und III, große in Schicht V) und Sternzellen (Schicht III und IV). Pyramidenzellen integrieren sehr zahlreiche synaptische Inputs und reagieren nur auf entsprechend "eindeutige" Exzitationsmuster (ausreichende Summation erregender Impulse führt zu Depolarisation über das Schwellenpotential hinaus) mit Aktionspotentialen.

Rund 20% der Neurone sind GABAerge (hemmende) Interneurone (Martinotti-Zellen, Korbzellen). Assoziationsfasern verbinden Kortexareale miteinander, Projektionsfasern den Kortex mit subkortikalen Teilen des ZNS (z.B. Thalamus, Brücke). Kommissurenfasern verbinden die beiden Hälften des Gehirns miteinander (über das corpus callosum). Zur Organisation in kortikale Säulen s. weiter unten.
 
  Wie korrespondieren Neuronengruppen miteinander?
 

<Abbildung: Typische Verschaltungsmuster zwischen Neuronen
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Die Endverzweigungen von Axonen (präsynaptischer Apparat) können auf Dendriten bzw. deren Dornfortsätzen (dendritic spines), am Soma der Zielzelle, oder an deren Axon ansetzen (axodendritisch, axosomatisch, axoaxonal) - auch andere Verschaltungsmuster sind möglich

Die Verbindungsstrategie zwischen den Nervenzellen ist Gegenstand intensiver Forschung. Man schätzt, dass die Summe aller Nervenfortsätze im menschlichen Gehirn eine Gesamtstrecke von fast 6 Millionen km Länge aufweisen - das wäre das ≈15-fache der Entfernung Erde - Mond (0,38 Mio km). Dabei muss die "Verkabelung" angesichts der begrenzten Zahl genetischer Anweisungen relativ einfachen Prinzipien folgen.

Vernetzung (wiring): Nervenzellen sind untereinander nernetzt, wobei einerseits eine Zelle mehrere andere synaptisch erreicht, andererseits jede Zelle von mehreren anderen erreicht wird (
Divergenz, Konvergenz).

Dabei kann die Gewichtung der synaptischen Effizienz nicht nur unterschiedlich ausgeprägt sein (woraus sich bestimmte Muster ergeben, die von neuronalen Netzen erkannt werden), sondern diese Gewichtungen können sich auch ändern (wie das bei
Lernprozessen geschieht).

Die (postsynaptische) Zielmembran kann dendritisch (bzw. an einem Dornfortsatz: dendritic spine, daher "axospinal" - 90% aller exzitatorischen Synapsen im ZNS), somatisch (Körper eines Neurons, nahe dem Zellkern) oder axonal gelegen sein. Aber auch dendrodendritische, somatosomatische und somatodendritische Synapsen wurden beschrieben. Dendro-dendritische Synapsen koordinieren die elektrische Aktivität benachbarter Dendritenbäume.

Die Vielfalt der Verschaltungsmöglichkeiten geht noch weiter: So können postsynaptische Zellen mittels Gasotransmittern (NO, CO) die präsynaptischen Endigungen zur Freisetzung von mehr Neurotransmitter anregen (retrograde Synapse). Neurotransmitter können auf größere Areale wirken und viele Neurone gleichzeitig beeinflussen (ektopische Übertragung). Axonale Varikositäten üben - ählich wie im peripher-autonomen System - einen stetigen Einfluss auf die neuronale Nachbarschaft aus (nondirected synapses). Solchermaßen werden ganze Gruppen von Neuronen funktionell koordiniert.

Schließlich gibr es auch elektrische Synapsen - über gap junctions kommt es zu direkter Beeinflussung des Membranpotentials benachbarter Neuronen. Im Gegensatz zu chemischen Synapsen gibt es hier praktisch keine Zeitverzögerung (≈1 ms), gut für blitzartige Koordination, wie bei der Verschaltung von
Augenbewegungen steuernden Neuronen.
 
       
   Zur Ausbreitung von Aktionspotenzialen über kortikale Nervenzellen s. auch dort
 
Dendriten
 
Dendriten sind "Empfangsantennen" der Neurone. Während die Aufgabe des Axons die Generierung (am Axonhügel) und Weiterleitung (bis zu synaptischen Endigungen) von Aktionspotentialen ist, sammeln Dendriten (und Zellkörper) Informationen von anderen Neuronen ein, die über (axodendritische und axosomatische) Synapsen auf die Nervenzelle einströmen.

Dabei ist zu bedenken, dass die Übertragung der synaptischen Effekte (EPSPs, IPSPs) auf elektrotonischem Wege erfolgt, d.h. mit zunehmender Distanz Synapse-Axonhügel an Amplitude abnimmt. Je näher die Synapse am Axonhügel liegt, desto stärker ist ihr Effekt. Das kann durch verstärkte Synapsenwirkung distaler Synapsen wettgemacht werden, die Synapsengröße (und damit ihre Wirkamplitude) kann variieren. Insgesamt bestehen zahlreiche Möglichkeiten der Modifikation synaptischer Effekte bei der "Verrechnung" unterschiedlicher Eingänge am Dendritenbaum, was sich auf die Summation der synaptischen Potentialveränderungen auswirkt.
 

>Abbildung: Chemische Synapse
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Synapsen nutzen eine Vielzahl von Transmittern, sind unterschiedlich groß, nutzen verschiedene Rezeptoren und postsynaptische Wirkungsmechanismen

Besonders häufig sind axospinale / axodendritische Synapsen. Die Ausstattung derer postsynaptischen Membran mit Ionenkanälen ist unterschiedlich: Spannungsabhängige Natrium- und Kalziumkanäle (und andere) sind in variierender Dichte vertreten, und der Besatz mit Ionenkanälen bestimmt das elektrische Antwortverhalten auf eingehende Reize. Resultierende exzitatorische Potentiale (EPSPs) bleiben meist unterschwellig und nehmen an einem räumlich breiteren Integrationsprozess im Bereich des Dendritenbaums teil.

Dabei spielen spannungsgesteuerte Permeasen (voltage-gated channels) eine wichtige Verstärkerrolle; sie können das postsynaptische Signal auf weite dendritische Strecken hin wirksam halten, ohne überschwellig zu wirken, d.h. Aktionspotentiale zu bilden.

An einigen Nervenzellen sind diese spannungsgesteuerten Ionenkanäle so dicht gepackt, dass sie - wie Axone - Aktionspotentiale generieren (z.B. an Purkinje-Zellen des Kleinhirns). Dies sind Kalziumpotentiale, die aber auf den Bereich der Dendriten beschränkt bleiben; ab dem Soma bzw. Axon "übernehmen" Natrium-abhängige Aktionspotentiale das Geschehen. Diese - wesentlich rascher ablaufenden - "Natrium-Spikes" propagieren über das Axon, in der Purkinjezelle aber kaum retrograd auf den Dendritenbaum.

Anders ist das z.B. in einigen Pyramidenzellen der Großhirnrinde, die auch im Dendritenbaum Spikes generieren; diese sind natrium- oder kalziumabhängig, oder beides. Meist ist der Dendritenbaum aber unterschwellig-integrierend aktiv.


"Für ihre Entdeckungen zur Signalübertragung im Nervensystem" wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2000 dem Schweden Arvid Carlsson, dem US-Amerikaner Paul Greengard und dem in Wien geborenen Eric Kandel zugesprochen. Während Carlsson die Rolle des Dopamins entdeckte und Greengard an Neuriten komplexer Gehirnpräparate arbeitete, wählte Kandel für seine Studien eine Meeresschnecke (Aplysia californica) als einfachen Modellorganismus, von dessen sehr großen Neuronen Potentialverläufe leicht ableitbar sind, der aber bereits Lernfähigkeit zeigt.


Summation und logische Operationen
 

<Abbildung: Konvergenz hemmender (inhibitorischer) und erregender (exzitatorischer) synaptischer Einflüsse an einer Nervenzelle
Nach einer Vorlage bei Pearson Education 2000

Dendriten verfügen je nach Zelltyp (unterschiedlich verteilt) über Na+- und (hauptsächlich) Ca++-Kanäle, sie verstärken oft synaptische Effekte auf das Membranpotential, aber sie bilden im Allgemeinen nicht selbst Aktionspotentiale.

Der Dendritenbaum hat integrierende Funktion, er "summiert" synaptische Effekte (EPSPs, IPSPs), die pro Sekunde in die Hunderte gehen können.

Der Zellkörper mit dem Axonhügel verfügt vor allem über Na+-Kanäle, der Axonhügel ist besonders gut erregbar (niedrige Reizschwelle), er ist Ausgangspunkt von Aktionspotentialen

Die auf einzelne Neuronen eintreffenden synaptischen Einflüsse (<Abbildung) sind in ihrer Wirkung teils

  bahnend (depolarisierend: exzitatorische postsynaptische Potentiale, EPSPs - durch vermehrten Einstrom und/oder verringerten Ausstrom positiver Ladungsträger) oder

  hemmend (inhibitorische postsynaptische Potentiale: IPSPs - z.B. durch Erhöhung der Chloridpermeabilität) auf die allfällige Generierung von Aktionspotentialen.
 

>Abbildung: Gleichgewichtspotentiale (E) und elektrochemische Gradienten für Natrium, Kalium, Kalzium, Chlorid: Übersicht
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Pfeile geben den elektrochemischen Gradienten für das jeweilige Ion bei einem Ruhepotential (strichlierte Linie) von -80 mV an. Die Lage des Chlorid-Gleichgewichtspotentials ist gewebeabhängig

Wie sich das Membranpotential ändert, wenn in der betreffenden Membran eine bestimmte Art von Ionenkanälen öffnet, hängt von der Lage des Gleichgewichtspotentials E (für equilibrium) ab: Dies ist der Betrag desjenigen Membranpotentials Vm, bei dem keine Diffusion eines bestimmten Ions stattfindet.

Dabei hängt dieser Betrag von den
gegebenen Konzentrationswerten des betreffenden Ions (innerhalb und außerhalb der Membran) ab; z.B. beträgt [E] für Chlorid bei vielen Zelltypen etwa -47 mV (>Abbildung), d.h. bei dieser (geringen) Membranspannung fließt kein Cl- durch die Zellmembran (Öffnung der Chloriodkanäle bei diesem Potentialbetrag ändert nichts am Membranpotential). Bei Skelettmuskelfasern hingegen beträgt [E] für Chlorid -89 mV; bei einem Ruhepotential von -80 mV würde eine Öffnung von Chloridkanälen daher zu Chlorideinstrom führen (extrazelluläre Konzentration höher als intrazelluläre) und die Zelle somit stärker aufladen.

Tatsächlich
funktionieren viele inhibitorische (hemmende) Synapsen so, dass sie die Öffnungswahrscheinlichkeit für Chlorid- und/oder Kaliumkanäle erhöhen und dadurch die Membran der postsynaptischen Zelle hyperpolarisieren.
 

<Abbildung: Effekt der Aktivierung von IPSP-Synapsen bei unterschiedlichem Membranpotentialbetrag (blau)

Absinken der Kurve = Hyperpolarisierung, Anstieg = Depolarisierung.

Das Cl--Gleichgewichtspotential liegt bei etwa -70mV. Ausgehend vom "Ruhezustand" (Membranpotential ≈-60mV) führt Aktivierung der IPSP-Synapse (<Abbildung unten) zu Hyperpolarisierung und damit zu Inhibition (erschwerter Erregbarkeit der postsynaptischen Zelle)


Inhibitorische postsynaptische Potentiale (IPSPs) sind durch Erhöhung des Chlorideinstroms durch die postsynaptische Zellmembran bedingt - oder durch vermehrten Kaliumausstrom. Dies wird bei experimenteller Manipulation des Membranpotentials ersichtlich, wenn dabei die Spannungsänderung jeweils nach Aktivierung der Synapse registriert wird (<Abbildung):

     Liegt das Membranpotential unter dem Betrag des Chlorid-Gleichgewichtspotentials (wie beim Ruhepotential), kommt es zu Einstrom von Cl- und Verstärkung der intrazellulären Negativität, also Hyperpolarisierung (inhibitorischer Effekt)

     Liegt das Membranpotential auf dem Betrag des Chlorid-Gleichgewichtspotentials, tut sich gar nichts

     Liegt das Membranpotential über dem Betrag des Chlorid-Gleichgewichtspotentials, strömt Chlorid aufgrund des starken elektrischen Gradienten aus der Zelle; Reizung der Synapse führt zu Depolarisierung (reversal potential).

Als typischer exzitierender Transmitterstoff gilt Glutamat
(s. unten), als inhibierende Glyzin (z.B. Renshaw-Selbsthemmung motorischer Vorderhornzellen) und GABA (γ-Aminobuttersäure). Allerdings ist die synaptische Wirkung nicht vom Transmitter abhängig, sondern davon, welche Vorgänge die Aktivierung seiner Rezeptoren in der Empfänger-Zellmembran auslöst ( s. dort).

Prä- vs. postsynaptische Hemmung (>Abbildung):

IPSP-Synapsen (violettes Neuron) hemmen direkt am Neuronenkörper (axo-somatische Synapse), indem sie das Membranpotential erhöhen (vorausgesetzt, der Betrag des Membranpotentials ist geringer als der Betrag des Chlorid-Gleichgewichtspotentials) und dadurch die Erregbarkeit senken (größere Entfernung des Membranpotentials vom Schwellenpotential). Man spricht von postsynaptischer Inhibition.

Greifen axo-axonale Synapsen (grünes Neuron) direkt an einer exzitatorischen Synapse an, indem sie diese vordepolarisieren, dann senken sie dadurch den Effekt des Neurons (hellbraun), das einen exzitierenden Transmitter (meist Glutamat) abgibt.

Hier wird also durch Hintereinanderschaltung zweier exzitatorischer Prinzipien insgesamt eine Reduktion des Exzitationserfolgs erreicht (Abschwächung der Auswirkung von Aktionspotentialen eines "EPSP-Neurons").
 
 

<Abbildung: Extrazelluläre Matrix und synaptische Plastizität
Nach Dityatev A, Schachner M, Sonderegger P. The dual role of the extracellular matrix in synaptic plasticity and homeostasis. Nature Rev Neurosci 2010; 11: 735-46

Reelin   - ein von frühembryonalen Neuronen (Cajal–Retzius-Zellen) sezerniertea, aus verschiedenen Subdomänen bestehendea Glykoprotein - bindet an Very-low-density lipoprotein-Rezeptoren (VLDLR) und Apolipoprotein E-Rezeptoren (APOER2) - s. dort.

Diese interagieren mit Adapterproteinen (DAB1,
Disabled-1, Komponente im Reelin-Signalweg), dieses wiederum aktiviert Src-Tyrokinasen (SFK) und phorphoryliert / aktiviert NMDAR (N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptoren).

Hyaluronsäure und das Glykoprotein Tenaszin C unterstützen die Aktivität neuronaler L-Typ-spannungsabhängiger Kalziumkanäle (LVDCC). Der Ca++-Einstrom durch
NMDAR und LVDCC etabliert die Langzeitpotenzierung

    AMPAR, α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid receptor - s. dort

 
  PSD95, postsynaptic density protein 95 - auch SAP-90 (synapse-associated protein 90 -, eine membran-assoziierte Guanylat-Kinase

Die Synapsenfunktion wird in vielfacher Weise durch die extrazelluläre Matrix beeinflusst: Diese stabilisiert die synaptische Konnektivität und damit auch Lernen und Gedächtnis. Synaptische Aktivität modifiziert die extrazelluläre Matrix, die Bildung dendritischer Filopodien und das Auswachsen von Dendritenfortsätzen (spines); umgekehrt stabilisiert die Matrix in dynamischer Weise neuronale Schaltkreise (<Abbildung).

  Die Signalübermittlung zwischen den Zellen erfolgt in verschiedenen Zeitbereichen:

     Millisekunden
(Aktionspotential, rasche Transmitter: spannungs- und ligandenaktivierte Ionenkanäle)

  
  Sekunden bis Minuten (langsame Transmitter, Neuromodulation, synaptische Plastizität: G-Proteine, second messenger)

  
  Stunden (neuroaktive Drogen: Rezeptor up-/down-Regulation) - oder auch länger (Remodelling: veränderte Genexpression). Für all diese Aktivität verbraucht das Gehirn gerade einmal ≈20 Watt Energie (ein Notebook verbraucht ≈40 Watt oder mehr) - korrespondierend zu einer Durchblutung von ≈0,7-0,8 l/min und entsprechend einem Sauerstoffverbrauch von ≈50 ml/min, das sind knapp 20% des gesamten O2-Verbrauchs des (körperlich ruhenden) Menschen (das Gehirngewicht beträgt ≈2% des Körpergewichts). Beim Neugeborenen beträgt der Anteil sogar >60% des Sauerstoffverbrauchs. Etwa 4/5 des Energieverbrauchs im Gehirn wird für Informationsaustausch (Kommunikation in neuronalen Netzwerken) aufgebracht, der Rest zur Strukturerhaltung.

Interdisziplinäre Erforschung der Informationsverarbeitungsvorgänge im Gehirn ist das Gebiet der Computational Neurosciences. Mathematische Modellierungen werden auch zur Analyse von Musterbildung und -erkennung genutzt. Neuronale Netzwerke sind funktionelle Muster, nach denen miteinander verschaltete Neuronen bestimmte Aufgaben und Fähigkeiten annehmen. Zu den mit solchen Fragen befassten Gebieten gehören die Neuroinformatik und die Beschätigung mit "künstlicher Intelligenz".
 
Neurotransmitter
 

An den Synapsen wirken zahlreiche Überträgersubstanzen, die z.T. depolarisierend (erregend), hyperpolarisierend (hemmend), anderweitig modifizierend (Kotransmitter, wie Substanz P, vasoaktives intestinales Peptid (VIP), Neuropeptid Y) oder als Gasotransmitter wirken (Stickstoffmonoxid).

Im Soma der Nervenzellen erfolgt die Proteinsynthese; von dort erfolgt der Transport in die axonale Peripherie

     entweder von Enzymen, die sich an der Synthese des Transmitters beteiligen - z.B. Dopa-Dekarboxylase zur Umwandlung von DOPA in Dopamin oder Dopamin-ß-Hydroxylase zur Bildung von Noradrenalin. Der so gebildete Neurotransmitter wird vesikulär gespeichert und bei Erregung vesikulär freigesetzt;

     oder von Propeptiden, aus denen in der Peripherie ein Peptid-Neurotransmitter abgespalten, vesikulär gespeichert und bei Erregung vesikulär freigesetzt wird.
   

>Abbildung: Regulierte Exozytose (Modell) und SNARE-Komplex
Nach Seino S, Shibasaki T. PKA-Dependent and PKA-Independent Pathways for cAMP-Regulated Exocytosis. Physiol Rev 2005; 85: 1303-42

Sekretorische Vesikel werden zunächst für die Anlagerung an die Außenmembran bestimmt (targeting). Schlüsselkomponenten für die Anlagerung (docking), Vorbereitung (priming) und Herstellkung einer offenen Verbindung mit dem Extrazellulärraum (Fusion) sind am SNARE-Komplex beteiligte Proteine wie

    VAMP (vesicle-associated membrane protein)

    Synaptotagmine

    Syntaxine

    SNAP-25 (Synaptosomal nerve-associated protein)

    Munc- (mammalian uncoordinated) Proteine

    Rab3 (Ras-related protein)

    spannungsabhängige Kalziumkanäle

Die Freisetzung der Neurotransmitter ist ein präzise kontrollierter Vorgang: So fördern Proteinkomplexe in präsynaptischen Vesikeln, wie den SNAREs (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor attachment receptors) - diese sind beteiligt an der Fusion von Membranen, wie bei Transmitter-Exozytose in den synaptischen Spalt (>Abbildung). Sie bilden Membranporen aus, durch welche der Transmitter aus dem Vesikelspeicher entweichen kann.
 
       Zu SNARE-Proteinen s. auch dort
 
Man kennt mehr als 100 Neurotransmitter. Sie können an verschiedenen Stellen des beeinflussten Neurons zur Wirkung kommen; je nach der Lokalisation unterscheidet man

     axono-dendritische Synapsen (wirken auf Dendriten),

     axono-somatische Synapsen (wirken auf einen Zellkörper) oder

     axono-axonale Synapse (wirken auf ein Axon).

Meist wirken axonodendritische Synapsen exzitatorisch (depolarisierend), axonosomatische und axono-axonale inhibierend (hyperpolarisierend). Die Lage der Synapse hängt mit der jeweiligen Verschaltungsstrategie zusammen.

 
       Zu Neurotransmittern s. auch dort
 


Glutamaterg GABA- und glyzinerg Projektionen aus dem Hirnstamm
 
Glutamat
    Der wichtigste erregende (depolarisierende) Transmitter im Gehirn ist Glutamat. ( Näheres s. dort).

L-Glutamat bindet an entsprechende Rezeptoren (z.B. NMDA) und reduziert das Membranpotential der nachgeschalteten Zelle. Es findet sich an der Mehrzahl von Synapsen, welche dem Aufbau von Aktionspotentialen dienen. Glutamatrezeptoren können Ionenkanäle sein (NMDA-, AMPA-Rezeptoren) oder metabotrop (G-Protein-gekoppelt) funktionieren.

Glutamat wird im präsynaptischen Apparat vesikulär gespeichert und bei Erregung freigesetzt. Sie binden an - metabotrope und ionotrope - Glutamatrezeptoren und wirken postsynaptisch anregend (depolarisierend). Dabei können postsynaptisch einfache Exzitation, aber auch Langzeiteffekte (Potenzierung) auftreten, die am Aufbau von Gedächtniselementen beteiligt sind. Auch modulierende Einflüsse auf die neuronale Nachbarschaft können auftreten (Volumentransmission: Langsam fortschreitende extrazelluläre Informationsausberitung).

Bei Schädigung der Zellen (
Schädel-Hirn-Trauma, Schlaganfall, neurodegenerative Erkrankungen) kann dieser Mechanismus erlahmen oder sich umkehren; durch Überstimulierung werden dann die Nervenzellen geschädigt (Exzitotoxizität) - wahrscheinlich durch übermäßigen Ca++-Einstrom in die Zelle - oder sterben sogar ab. (Gegenmaßnahme: Gabe von Rezeptorantagonisten.)
  
Hemmende (hyperpolarisierende) Transmitter sind GABA und Glyzin:
 
GABA
  GABA ( Näheres s. dort)

γ-Aminobutyrat (gamma-aminobutyric acid, GABA) wirkt über verschiedene GABA-Rezeptoren. GABA hemmt postsynaptisch die neuronale Übertragung, indem es über ionotrope Rezeptoren (GABAA - an die z.B. Barbiturate binden) oder metabotrope Rezeptoren (GABAB) das Membranpotential stabilisieren bzw. erhöhen (über IPSPs).

Glia-Recycling: GABA wird nach seiner Freisetzung von Astrozyten aufgenommen und mitochondrial zu Glutamat umgewandelt. Schließlich wird dem präsynaptischen Neuron Glutamin für die Transmittersynthese wieder zur Verfügung gestellt.
 
Glyzin

      Glyzin ( Näheres s. dort)

Glyzin wirkt über den Glyzinrezeptor u.a. dämpfend auf die Erregbarkeit motorischer Vorderhornzellen (Renshaw-Hemmung). Glyzin öffnet Chloridkanäle und hyperpolarisiert (über IPSP's) die Zielzelle.
 
Funktionen des Hirnstamms
  
 
>Abbildung: Noradrenerge, serotoninerge, dopaminerge und cholinerge Projektionen aus dem Hirnstamm
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

   Über Azetylcholin, Katecholamine, Serotonin s. Hirnstammprojektionen (>Abbildung)

   Zu Histamin, ATP s. dort

   Zu Tachykininen und Opioiden s. dort

Der Hirnstamm besteht aus Medulla oblongata, Pons und Mesencephalon; auch das Diencephalon (Thalamus, Hypo-, Sub-, Epithalamus) wird oft dem Hirnstamm zugerechnet. Diese stammesgeschichtlich älteren Hirnanteile haben zahlreiche

      motorische,

     sensorische,

     vegetative und

     hormonelle Funktionen und erfüllen außerdem

     emotionale,

     stimmungs- und

     aufmerksamkeitssteuernde Aufgaben.

Kerne im Hirnstamm - wie nucleus ruber, formatio reticularis, Vestibulariskerne, Atem- und Kreislaufzentrum - erfüllen lebenswichtige Funktionen.

Dazu gehören die Stabilisierung des Körpers gegen die Wirkung der Schwerkraft (Halte- und Stellreflexe), die Anpassung der Gehbewegungen an die Geschwindigkeit der Fortbewegung,  Schutzreflexe wie der Korneal-, Husten-, Nies- und Würgereflex.

Einige Kerne haben Projektionen in praktisch alle anderen Teile des Gehirns (>Abbildung) und wirken z.B. anregend und aufmerksamkeitssteigernd, modulierend und belohnend.
 
Über die Entstehung von Bewegungen und die Frage des freien Willens s. dort.
 
Lateralisation
 
Die Hemisphären des Großhirns sind teilweise auf die Durchführung unterschiedlicher Aufgaben spezialisiert (<Abbildung).
 

<Abbildung: Spezialisierung der Hemisphären (Lateralisation)
Nach einer Vorlage bei faculty.pasadena.edu

Linke und rechte Hemisphäre sind spezialisiert und müssen bei der Bearbeitung von Umwelt- und Körperreizen kooperieren. Bei Unterbrechung der seitenkreuzenden Fasern im Balken (corpus callosum) kommt es zu entsprechenden Funktionsausfällen (split brain, s. nächstes Bild)

Das äußert sich auch anatomisch: Beispielsweise ist die seitliche Furche (fissura Sylvii ), die zwischen Temporal- und Parietallappen liegt, in der Mehrzahl der Fälle links länger als rechts ausgeprägt (vor allem bei Rechtshändern), die linke Insel ist größer als die rechte, die linke Hemisphäre weist einen höheren Anteil an grauer Substanz auf u.a.

Funktionell zeigt sich die Lateralisation z.B. in der Sprachproduktion: Diese erfolgt bei 95% der Rechtshänder und 70% der Linkshänder im linken Gehirn (Broca-Zentrum, Wernicke-Zentrum etc.). Man sagt in diesen Fällen, die linke Hemisphäre ist sprachdominant.

Bei den meisten Menschen ist die linke Hemisphäre sprachdominant.
 
Die rechte Hemisphäre konzentriert sich bei der Mehrzahl der Menschen auf Leistungen wie Gesichtserkennung (ein Wegfall dieser Fähigkeit wird als Prosopagnosie bezeichnet), musische / künstlerische Fähigkeiten, räumliches Vorstellungsvermögen.
 
Den Nobelpreis 1982 für Physiologie oder Medizin erhielt der amerikanische Neurobiologe Roger Sperry "für seine Entdeckungen über die funktionelle Spezialisierung der Gehirnhemisphären". Zusammen mit Michael Gazzaniga untersuchte er Patienten, denen der Balken durchtrennt wurde (split brain) und beschrieb Details der Lateralisation.

Man sagt, das linke Gehirn ist typischerweise auf die Lösung "logischer" Probleme spezialisiert, das rechte auf "Kreativität". Damit zusammenhängende Erkenntnisse sind nicht nur physiologisch / neurologisch bedeutsam, sie werden auch werbetechnisch, u.a. als "Hemisphärenmodell", genutzt.
 
Auch
die kortikale Beteiligung an motorischen Aufgaben wird von den Hemisphären unterschiedlich wahrgenommen. So deuten Forschungsergebnisse darauf hin, dass sich
 
     die linke Hemisphäre auf adaptive Funktionen sowie das Lernern neuer Bewegungssequenzen und Fähigkeiten spezialisiert, wobei ihre prädiktive Fähigkeit im Sinne einer Kostenoptimierung eine Rolle spielen dürfte.
 
     Die rechte Hemisphäre hingegen scheint sich um die Aktualisierung von Bewegungsabläufen und das Anhalten einer Bewegung bei Erreichen der Zielposition zu kümmern und dabei zur sensorimotorischen Stabilisierung beizutragen.

Besonders eindrucksvoll kommt die Tatsache, dass der Balken (corpus callosum ) fast ausschließlich die Kommunikation zwischen den beiden Hemisphären übernimmt, bei Patienten zum Vorschein, denen der Balken aus Gründen der Eindämmung von Krampfzuständen neurochirurgisch durchtrennt wurde (split brain). Sie können mit ihrer nicht-sprachdominanten Hemisphäre Probleme korrekt lösen, soferne dazu keine Sprachanalyse / Sprachproduktion nötig ist, aber sie können dies nicht bewusst tun bzw. benennen (>Abbildung).
 

>Abbildung: Split brain: Beispiel Geruchsreiz (die linke Hemisphäre ist sprachdominant)
Nach einer Vorlage bei rohan.sdsu.edu

Einer Person mit durchtrenntem Balken wird in der rechten Nase ein Geruchsreiz angeboten. Die Person wurde vorher instruiert, mit der linken Hand einen zum Reiz passenden Gegenstand (unter mehreren anderen, die sie nur ertasten kann) auszusuchen. Dies führt sie korrekt aus (rechte Hemisphäre), nimmt aber den Geruchsreiz nicht wahr (linke Hemisphäre)

Man kann Personen (über Kopfhörer) gleichzeitig verschiedene akustische Muster auf das linke und rechte Ohr einwirken lassen (dichotische Präsentation). Rechtshänder identifizierten auf das rechte Ohr gespielte Worte meist besser als an das linke Ohr gesendete (right-ear advantage) (bei ≈50% der Linkshänder ist es umgekehrt), ein Zeichen für die Tatsache, dass Sprache meist in der linken Hemisphäre prozessiert wird. Die hemisphärische Sprachverarbeitung kann auch bilateral erfolgen (wie bei jedem fünften Linkshänder).

      
  Zur Lateralisation der Sprachkontrolle s. auch dort.

Ähnliches gilt für die visuelle Wahrnehmung: In die rechte Gesichtsfeldhälfte projizierte Buchstaben oder Worte (für ca. 0,15 Sekunden, um Blickbewegungen zuvorzukommen - Tachistoskop) werden (von linken Gehirn!) besser "verstanden" als in die linke Gesichtsfeldhälfte projizierte. Umgekehrt kann das rechte Gehirn (linke Gesichtsfeldhälfte) Gesichter odedr geometrische Formen bei dieser Darbietung besser erkennen als das linke.

Bei Beschädigungen neokortikaler Verarbeitungsgebiete können benachbarte oder kontralaterale (korrespondierende) Hirngebiete deren Funktion erlernen und graduell übernehmen (abhängig vom Ausmaß der Schädigung und dem Alter der betroffenen Person).

Manche Menschen werden mit unterentwickeltem oder gänzlich fehlendem Balken geboren (Corpus-callosum-Agenesie - Inzidenz ≈1:4000). Das bedeutet, die seitenkreuzenden Nervenfasern des Balkens (normalerweise 200 bis 300 Millionen an der Zahl) sind nicht angelegt, was z.B. an MRI-Bildern eindrucksvoll als Abwesenheit des corpus callosum deutlich wird. Liegt kein weiterer Symptomenkomplex vor, in dessen Rahmen die Agenesie auftritt, kann sie weitgehend oder völlig symptomfrei bleiben - das Gehirn schafft es, den Mangel an seitenkreuzenden Fasern zu kompensieren, vermutlich über alternative Wege. Dies ist nur ein Beispiel für die erstaunliche Plastizität des Gehirns.
 
Kortikale Säulen
 

Nervenzellen sind in der Gehirnrinde (≈0,5 m2 Gesamtfläche) zu mehreren Schichten angeordnet und miteinander synaptisch zu Funktionseinheiten verknüpft. Diese sind im Wesentlichen senkrecht zur Hirnoberfläche orientiert und werden als kortikale Säulen bezeichnet (in Bezug auf die Sehrinde s. auch dort).

  Kortikale Kolumnen bestehen aus ≈104 Neuronen und enthalten ≈108 Synapsen; sie sind ca. 1,5 mm hoch und haben einen Durchmesser von etwa einem halben Millimeter. Man kann sie mit Recheneinheiten in einem Computer vergleichen (Neuroinformatik). Sie nehmen Verbindung auf

      mit Nachbarsäulen;

      mit weiter entfernten Rindenarealen - Assoziationsfasern (Association fibers) verbinden Teile der Rinde einer Hemisphäre untereinander;

      mit kontralateralen Rindengebieten - Kommissurenfasern (Commissural fibers) verbinden die Rinde beider Hemisphären (sie ziehen durch das corpus callosum);

      mit extrakortikalen Zellen - Projektionsfasern (Projection fibers) verknüpfen die Großhirnrinde mit anderen Teilen des ZNS.

Die Ausrichtung der Fasersysteme, welche die "rechnenden" Nervenzellen miteinander verbinden, scheint einem im Wesentlichen Koordinatensystem zu folgen, bei dem rechtwinkelig zueinander orientierte Kreuzungen bevorzugt werden.
 

>Abbildung: Kortikale Module ("Säulen")

Die Zahlen beziehen sich auf die betreffende kortikale Schichte. Rot sind Projektionen aus dem Thalamus, blau intrakortikale Verbindungen ("Assoziationsfasern"), gelb solche aus der Hirnrinde hinaus angedeutet

Kortikale Module sind untereinander mit Nervenfasern verbunden, die man folgendermaßen einteilen kann (>Abbildung):

      Thalamokortikale ("afferente"), s. unten,

      kortiko-kortikale, und

      kortikofugale ("efferente") Projektionen.

Als Konnektom bezeichnet man die Gesamtheit der Verbindungen im Nervensystem. Es betrifft sowohl die Verbindung zwischen einzelnen Zellen ("Mikroskala"), Schichten und Säulen in der Hirnrinde ("Mesoskala") wie auch zwischen ganzen Hirnregionen ("Makroskala").

Beispielsweise kann die thermische Bewegung von Wassermolekülen als Messsignal dienen (
diffusionsgewichtete Magnetresonanztomografie), bei der Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI: diffusion tensor imaging) wird dabei die Richtungsabhängigkeit erfasst (>Abbildung oben).

Da die methodische Auflösung im Millimeterbereich liegt, stellt das ermittelte Signal immer eine Mittlung über zahlreiche Einzelneurone dar.

Die entsprechende Ausbildung der kortikalen synaptischen Vernetzung liegt der Informationverarbeitung der Hirnrinde zugrunde, sie entwickelt sich von der frühen Kindheit an mit einem hohen Grad an Plastizität und reift bis zur Pubertät, in der sich auch die Markscheiden komplettieren.

Die synaptischen Verbindungen sind vor allem glutamaterge Projektionen auf Neurone (Sternzellen) in Schichte IV, die als "Empfangsstation" fungiert, und von hier auf Pyramidenzellen der Schichten II, III und schließlich Schichte V, die auf Ausgänge zu subkortikalen Zellen spezialisiert ist (>Abbildung). Die Pyramidenzellen der Schichte V haben besonders ausgeprägte, lange und verzweigte Axone. Auch gibt es direkte thalamokortikale Projektionen auf große Pyramidenzellen sowie auf hemmende Interneurone. Schichte VI schließlich erhält Information aus darüberliegenden Schichten sowie aus intralaminären Thalamuskernen, und projiziert auf den Thalamus zurück.

Reziproke Verbindungen sind ausgeprägt zwischen dem thalamischen nucleus medialis dorsalis und der frontalen Assoziationsrinde, sowie zwischen dem Pulvinar und parieto-temporalen Assoziationsrindengebieten.


In die Großhirnrinde treten Nervenfasern aus dem Thalamus (Sinnesinformation und motorische Impulse), dem aktivierenden retikulären System (ARAS) im Hirnstamm (Weckfunktion), und anderen Teilen der Großhirnrinde. Aus der Großhirnrinde treten Nervenfasern zu anderen Teilen der Großhirnrinde, zu Basalganglien und Kleinhirn, zu motorischen Vorderhornzellen und zu Zellen des autonom-nervösen Systems.

Assoziative Areale haben übergreifende Aufgaben: Der präfrontale Assoziationskortex des Stirnhirns beeinflusst z.B. ästhetisches Empfinden und ethische Erwägungen; der limbische Assoziationskortex am Vorderpol des Schläfenlappens koordiniert emotionale Impulse; der parieto-temporo-okzipitale Assoziationskortex fasst Information verschiedener Sinnesmodalitäten zusammen und teilt sie u.a. dem limbischen System mit.

Sind die Areale der Großhirnrinde spezifischen Körpergebieten / Fähigkeiten zuzuordnen? Funktionelle Hirnscans (Imaging) zeigen, dass das Gehirn so organisiert ist, dass bestimmte (körperliche, mentale) Tätigkeiten oder Erlebnisse mit Aktivitätsveränderung in ganz bestimmten Teilen des Kortex korrelieren. So liegt z.B. das Sprechvermögen im Broca-Areal, die Fähigkeit zu sehen im Okzipitallappen. Sie zeigen aber auch, dass diese Zuordnungen plastisch sind, d.h. sich im Laufe der Zeit ändern können - etwa bei Lernvorgängen oder nach Ausfall von Rindengebieten, was die allmähliche Übernahme von Teilfähigkeiten durch benachbarte Rindengebiete zur Folge hat.

  Im 19. Jahrhundert etablierte sich die Vorstellung, dass diese Zuordnungen - bestimmte Fähigkeiten seien in entsprechenden Hirnarealen repräsentiert - Rückschlüsse auf die Persönlichkeit erlauben (z.B. mathematische Fähigkeiten, Aggressionsbereitschaft, kriminelle Neigungen...), nicht nur was die Ausprägung bestimmter Rindengebiete betrifft, sondern z.T. sogar über die Kopfform (Lokalisationslehre, Phrenologie). Die moderne Hirnforschung hat solche simplen Vorstellungen durch neurophysiologisch fundierte Erkenntnisse ersetzt und u.a. gezeigt, dass die Aktivität des Gehirns zwar einerseits auf aktuelle Probleme fokussiert, gleichzeitig aber global, äußerst vernetzt und bemerkenswert anpassungs- und lernfähig ist. Die Gestalt der Hirnoberfläche läßt die "Persönlichkeit" eines Menschen nicht erkennen.
 
Entstehung kortikaler Potentiale, EEG
 

>Abbildung: Lokales kortikales Spannungsfeld
Nach einer Vorlage bei Strobbe G: Advanced Forward Models for EEG Source Imaging. Doktoratsschrift, Uni Gent 2015, ISBN 978-90-8578-785-3

Vereinfachte Darstellung extrazellulärer Stromlinien, ausgehend von postsynaptischer dendritischer Aktivität einer Pyramidenzelle. An den kathodischen Stellen (-, blau) erfolgt Na+-Einstrom in die, an den anodischen (+, rot) K+-Ausstrom aus der Zelle. Der rote Pfeil deutet die Ausbreitungsrichtung eines Aktionspotentials an.

Synchronisierte Entladungen sind bis zur Kopfhaut (mittels EEG) darstellbar

Neuronen der Großhirnrinde erhalten einen Teil ihrer neuronalen Zuflüsse über Projektionsfasern aus dem Thalamus. Diese thalamokortikalen Fasern stammen jeweils aus speziellen Thalamuskernen, z.B. gelangen Fasern aus dem corpus geniculatum mediale zur Hörrinde.

Die meisten Synapsen enden auf dendritischen Minifortsätzen, den ≈1 µm großen spines, mit denen Pyramidenzellen förmlich übersät sind (einige 103 pro Zelle). (Die Dichte des Spine-Besatzes korreliert mit der Ausprägung kognitiver Fähigkeiten; bei Demenz nimmt sie ab.)

Diese Synapsen sind sehr oft glutamaterg, sie erzeugen über NMDA- und AMPA-Rezeptoren exzitatorische postsynaptische Potentiale (EPSPs). Durch gleichzeitiges Auftreten mehrerer dendritischer EPSPs kann an der adressierten Nervenzelle ein Aktionspotential ausgelöst werden (elektrotonische Fortleitung auf den Axonhügel, s. oben).

Summierte EPSPs sind eine Grundlage der Entstehung eines EEG.
 
Als Funktionseinheit der neuronalen Aktivität gilt nicht die Aktivität einzelner Nervenzellen, sondern diejenige miteinander funktionell verschalteter Gruppen (Zellensemble, cell assembly). Eine solche "Gruppenaktivität" repräsentiert ein bestimmtes Objekt oder eine definierte Muskelgruppe (Bewegung), wobei eine bestimmte Nervenzelle an der Repräsentation unterschiedlicher Objekte beteiligt sein kann - das Objekt wird durch die Aktivität einer bestimmten Gruppe codiert.

Dabei wirken GABAerge hemmende Interneurone in einem 25-ms-Takt "neuordnend" auf die Ensemble-Bildung, ihre Aktivität erzeugt eine elektrische Schwingung mit einer Frequenz von ≈40-Hz (γ-Oszillationen). Dieser
γ-Rhythmus tritt bei Konzentration auf mentale Ziele (Lernen) auf, z.B. beim aufmerksamen Verfolgen eines Vortrags.

Aufmerksame mentale Beschäftigung (wie Lernen) erzeugt γ-Wellen (30-40 / Sekunde).

Fließen an den aktivierten Synapsen Kationen in die erregte Zelle ein, dann führt dies zu winzigen Negativierungen ihrer extrazellulären Umgebung. Nach Ablauf des EPSPs strömt Kalium vermehrt aus der Zelle, die sich repolarisiert - das positiviert wiederum das extrazelluläre Potential. Das Interstitium um die Zelle durchläuft - dem intrazellulären Potential gegenphasige - elektrische Schwingungen. Man kann die Aktivität direkt aus der Hirnrinde abgreifen, was eine invasive Vorgangsweise erfordert (neurochirurgisches Einbringen kortikaler Multielektroden-Arrays).

Werden zahlreiche (≈105) Synapsen gleichzeitig aktiv, führt dies zu ausreichend intensiven Potentialänderungen des Kortex, um sie als Elektrokortikogramm (ECoG) ableiten zu können (Signalamplituden bis 100 µV). Das ist eine "partiell invasive" Ableitung, die einen neurochirurgischen Eingriff erfordert (Einbringen von Elektroden in den Epi- oder Subduralraum).
 
Über uni- und bipolare Anleitestrategien s. dort.
 
Sind die
Potentialänderungen auch von der Kopfhaut ableitbar (Abschwächung durch Knochen und Haut um den Faktor ≈10), spricht man von einem Elektroenzephalogramm (EEG s. dort).

Man hat sich darauf geeinigt,
die (extrazellulär abgeleiteten) Potentialverläufe im ECoG / EEG so darzustellen, dass negative Potentialänderungen nach oben zeigen (und umgekehrt). Oberflächliche EPSPs stellen sich mit negativen (nach oben dargestellt), tiefe mit positiven (nach unten dargestellt) Zacken dar.

Im Ruhezustand (entspannt, meditierend, evt. Augen geschlossen) tritt ein α-Rhythmus mit 8-13 Wellen pro Sekunde auf.
Dieser wird durch einen basalen Eigenrhythmus thalamischer Neurone hervorgerufen, thalamo-kortikale Projektionen lassen den Kortex "mitschwingen" und diese Oszillationen äußern sich im ECoG / EEG als α-Rhythmik.


Der thalamische Grundrhythmus erzeugt α-Rhythmus im EEG.
 
Der ß-Rhythmus (14-30 Hz) tritt z.B. nach dem Öffnen der Augen auf, γ-Rhythmus (30-40 s-1) bei Konzentration auf Inhaltszusammenhänge (s. oben). Über das EEG während verschiederer Schlafstadien s. dort.





Gedächtnisstörungen (Amnesien) können den Übertritt ins Langzeitgedächtnis betreffen (antegrade Amnesie): Durch Erkrankungen wie das Korsakow-Syndrom (infolge Hirnschädigung u.a.) oder schockartige Ereignisse (Unfall, Blutung) verklingen neue Gedächtnisinhalte spurlos. Der Patient ist ab dem auslösenden Ereignis unfähig, sich Neues zu merken (der Inhalt einer Zeitung erscheint ihm immer wieder neu).

Durch Gehirnerschütterung, Gehirnschlag oder ähnliche Akutereignisse kann zweitens das Langzeitgedächtnis angegriffen sein (retrograde Amnesie). Je schwerer die Schädigung, umso weiter in die Vergangenheit reicht das zurückgreifende Vergessen. Retrograde Amnesien sind oft mit antegraden kombiniert. Amnesien können sich mit Besserung des Zustandes weitgehend wieder zurückbilden, scheinbar verlorene Gedächtnisinhalte wieder auffindbar werden.

Bewusstseinsstadien: Um den Bewusstseinsszustand einer Person abzuschätzen und eine allfällige Bewusstseinsstörung
einzuordnen, wird die Glasgow Coma Scale verwendet. Dabei werden für folgende drei Kriterien Punkte vergeben: Augenöffnung, verbale Reaktion und motorische Reaktion. Dabei gilt folgendes Bewertungsschema:

Augen öffnen
Beste motorische Reaktion
Beste verbale Reaktion
Punkte
-
befolgt Aufforderungen
-
6
-
gezielte Reaktion auf Schmerzreize
orientiert
5
spontan
ungezielte Reaktion auf Schmerzreize
desorientierte, konfuse Antwort
4
auf Ansprechen
abnorme Beugereaktionen
inadäquate Äußerung
3
auf Schmerzreiz
abnorme Streckreaktionen
unverständliche Laute
2
keine Reaktion
keine Reaktion
keine Äußerung
1

Ein schweres Schädel-Hirntrauma (Bewußtseinstrübung mehr als 24 Stunden) liegt bei 5-8 Punkten vor, ein mittelschweres (temporäre Bewußtseinstrübung, <24 h) bei 9-12, ein leichtes (nur Kopfschmerzen oder beschwerdefrei) bei 13-15 Punkten (maximal mögliche Punktezahl 15).



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.