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



Die Funktionsweise des Gehirns als Ganzes ist weit davon entfernt, verstanden zu werden. Aber die Physiologie seiner Moleküle, Synapsen, Zellen und Module ist recht genau untersucht. Die Signalübermittlung zwischen den Zellen erfolgt je nach Mechanismus unterschiedlich rasch: Millisekunden (Aktionspotential, rasche Transmitter, Ionenkanäle), Sekunden bis Minuten (langsame Transmitter, second messenger), Stunden (Rezeptorzahl) und 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 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


>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

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

Das Gehirn einer erwachsenen Person wiegt ≈1300-1500 Gramm (das Gehirn einer Honigbiene ≈1 Milligramm). Das gesamte Zentralnervensystem enthält mehrere 1010 Nervenzellen (86 Milliarden? - jeweils ≈25% in Groß- und Kleinhirnrinde) und über 1014 Synapsen .

Der Fadenwurm caenorhabditis elegans - ein beliebtes Modell zum Studium neuronaler Verschaltungen - hat exakt 302 Nervenzellen und 8000 Synapsen; das Gehirn einer Fliege enthält ≈105, das einer Maus ≈107, das eines Rhesusaffen 6.109, das eines Elephanten 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.

Der tägliche Verlust an zerebralen Neuronen wird beim Erwachsenen auf 5-10.104 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 Elektrophysiologische Grundlagen s. dort

Über Durchblutung und Sauerstoffbedarf des Gehirns s. dort

Über die embryonale Entwicklung des Kortex s. dort
   
Zur Geschichte der Hirnforschung s. dort
 

<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.


>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

Dendriten: Besonders häufig sind axospinale / axodendritische Synapsen. Die Ausstattung derer postsynaptischen Membran mit Ionenkanälen ist dabei 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.


<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

Summation und logische Operationen. 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").
 
  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: SNARE-Komplex
Nach Seino S, Shibasaki T. PKA-Dependent and PKA-Independent Pathways for cAMP-Regulated Exocytosis. Physiol Rev 2005; 85: 1303-42


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
 


<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

Das von frühembryonalen Neuronen (Cajal–Retzius-Zellen) sezernierte, aus verschiedenen Subdomänen bestehende Glykoprotein Reelin bindet an Very-low-density lipoprotein-Rezeptoren (VLDLR) und Apolipoprotein E-Rezeptoren (APOER2). Diese interagieren mit Adapterproteinen (DAB1), 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  
  PSD95, postsynaptic density protein 95

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).
 
Glutamaterg GABA- und glyzinerg Projektionen aus dem Hirnstamm

Der wichtigste erregende (depolarisierende) Transmitter im Gehirn ist Glutamat.
    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) oder sterben sogar ab.
 
Hemmende (hyperpolarisierende) Transmitter sind GABA und Glyzin:
  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 ( 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.

 
>Abbildung: Noradrenerge, serotoninerge, dopaminerge und cholinerge Projektionen aus dem Hirnstamm
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003


   Über Azetylcholin, Katecholamine, Serotonin in Hirnstammprojektionen (>Abbildung); zu Histamin, ATP s. dort, zu Tachykininen und Opioiden s. dort

Lateralisation. Die Hemisphären des Großhirns sind teilweise auf die Durchführung unterschiedlicher Aufgaben spezialisiert (>Abbildung).

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.


Ähnliches trifft auch auf mathematische Problemlösung zu. Die rechte Hemisphäre konzentriert sich hingegen bei der Mehrzahl der Menschen auf Leistungen wie Gesichtserkennung (ein Wegfall dieser Fähigkeit wird als Prosopagnosie bezeichnet), musische / künstlerische Fähigkeiten, räumliches Vorstellungsvermögen.



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

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.

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)

Die hemisphärische Sprachverarbeitung kann auch bilateral erfolgen (wie bei jedem fünften Linkshänder). 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).
 
Über die Entstehung von Bewegungen und die Frage des freien Willens s. dort.

  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 geben die Nummern der betreffenden kortikalen Schichte an

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

      Thalamokortikale ("afferente"),

      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.

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.





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.


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.