Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

  
Integrative Funktionen des Nervensystems, Physiologie des Verhaltens

Hirnstamm und Zwischenhirn
© H. Hinghofer-Szalkay
Herring-Körperchen: Percy T. Herring
locus coeruleus: himmelblauer Ort
Meynert-Kern: Theodor Meynert
nucleus ambiguus: ambiguus = doppelgestaltig, ungewiss, zweifelhaft
Okulomotorik: oculus = Auge, motor = Beweger (movere = bewegen)
Orexin: ὄρεξις, = Verlangen, Appetit
Pallidum: globus pallidus = weiße Kugel
Putamen: putamen = Schale (putare = beschneiden)
Raphekerne: ραφή = Naht (liegen an der Naht zwischen den beiden Hirnstammhälften)
Thalamus: θάλαμος = Kammer


Der Hirnstamm hat zahlreiche lebenswichtige Aufgaben; beispielsweise aktiviert sein retikuläres System das Großhirn so, dass Bewusstsein und Aufmerksamkeit entstehen, und erzeugt Motivation oder Aversion; Reflexzentren steuern viele automatisierte motorische Abläufe, u.a. die Augenmuskulatur (Blickmotorik). Atmungsapparat, Herz, Blutgefäße und Eingeweide stehen unter der Kontrolle des Hirnstamms.

Die Medulla oblongata (verlängertes Mark) enthält Reflexzentren für Atmung und Säure-Basen-Haushalt, Blutdruckregulation, Niesen, Husten, Schlucken etc. Der nucleus tractus solitarii erhält viszerale Afferenzen von kardiovaskulären Rezeptoren, dem Respirationssystem, Geschmacksrezeptoren (Speichelsekretion) und dem gastrointestinalen System; der Schluckvorgang wird durch den nucl. ambiguus koordiniert.

Die Pons (Brücke) beinhaltet Brückenkerne und Teile der formatio reticularis; sie kommuniziert insbesondere mit dem Kleinhirn und beteiligt sich auch an der Steuerung der Harnblase.

Das Mesencephalon (Mittelhirn) steuert die Augenbewegungen und ist an der Extrapyramidalmotorik beteiligt. Die Mittelhirnhaube (tegmentum) enthält den nucl. ruber, Teile des nucl. niger (Basalganglien) und zahlreiche Hirnnervenkerne; das Mittelhirndach (tectum, Vierhügelplatte) steuert optische und akustische Reflexe und unterstützt die Zielmotorik.

Das Zwischenhirn (Diencephalon) beeinflusst Muskeltonus und Bewegungsabläufe über noradrenerge, serotoninerge, dopaminerge und cholinerge Projektionen in das Vorderhirn; zu ihm gehören Thalamus, Hypothalamus (vegetativ-endokrines Regulationszentrum), globus pallidus (Motorik), Zirbeldrüse (Biorhythmen), Raphekerne und nucl. coeruleus (Konzentration, Schlafsteuerung u.a.).

Übersicht Medulla oblongata, nucl. tractus solitarii Pons, Mesencephalon Projektionen aus dem Hirnstamm Wachheit, Aufmerksamkeit, Bewusstsein Thalamus Hypothalamus Magno- und parvozelluläre Gebiete

Praktische Aspekte        Core messages
    
Als Hirnstamm bezeichnet man die neuronale Zwischenzone, die vom oberen Rückenmark (Spinalmark) bis zum Zwischenhirn (Diencephalon) reicht. Das Diencephalon wird manchmal dem Hirnstamm zugerechnet; jedenfalls enthält der Hirnstamm das Mittelhirn, die Brücke und das verlängerte Mark. Gemeinsam ist diesen Teilen die Verwaltung lebenswichtiger Grundfunktionen wie Atmung und Kreislauf, zahlreicher Reflexe, die Erhaltung von Gleichgewicht, Vorbearbeitung von Sinnesinformation (Hören, Sehen), Anregung des Großhirns etc. Bewusste Interaktion mit der Umwelt ist dem Hirnstamm alleine nicht möglich.

Man kann den Hirnstamm stark vereinfacht als das "Rückenmark für Kopf und Hals" bezeichnen: So wie das Rückenmark von Körperstamm und Extremitäten sensorische Informationen erhält und an diese
motorische Impulse sendet, tut dies der Hirnstamm mit somatosensorischer Informationen aus dem Kopf-Hals-Bereich (dazu kommen auditorische, vestibuläre, Geschmacks- und viszerale Afferenzen) und sendet efferente Impulse zu Augen, Tränen- und Speicheldrüsen, der Muskulatur im Kopf-Hals-Bereich (inklusive Pharynx und Larynx) sowie an Organe in Thorax und Abdomen.

Folgende Strukturen bauen den Hirnstamm (verlängertes Mark bis Mittelhirn) auf:

    Absteigende motorische Bahnen für Stamm und Extremitäten (tr. corticospinalis)

    Aufsteigende sensorische Bahnen aus Stamm und Extremitäten (tr. spinothalamicus, Hintersäulen)

    Hirnnervenkerne und -faszikel (=Verbindung Kern-Nerv) im dorsalen Hirnstamm (motorische eher medial, sensorische lateral)

    Pedunculi cerebellares (Verbindungen mit dem Kleinhirn) im dorsalen Hirnstamm

    Retikuläres System und aufsteigende Projektionssysteme
 
Der Hirnstamm stabilisiert basale Körperfunktionen
 
Der Hirnstamm besteht aus verlängertem Mark (medulla oblongata), Brücke (pons) und Mittelhirn (mesencephalon). Er enthält den nucleus ruber (im Mittelhirn), die formatio reticularis (pontiner und medullärer Teil), sowie die Vestibulariskerne.


Abbildung: Vegetative Zentren im Hirnstamm
Nach einer Vorlage in Silverthorn, Human Physiology, an integrated approach, 4th Int'l ed. 2007, Pearson / Benjamin Cummings

Der Hirnstamm steuert das kardiovaskuläre System, die Atmung, Elemente der posturalen Motorik und der Fortbewegung, sowie zahlreiche Schutzreflexe

Der Hirnstamm enthält lebenswichtige Zentren (Atem- und Kreislaufzentrum) und steuert komplexe Reflexe mit unterschiedlichen  Aufgaben, z.B. der Erhaltung des Gleichgewichts.

Auch das Zwischenhirn (
Diencephalon, bestehend aus Thalamus, Hypo-, Sub-, Epithalamus) wird oft dem Hirnstamm zugerechnet. Dieses enthält umfangreiche Kerngebiete, die sensorische, motorische, vegetative, hormonelle, emotionale sowie stimmungs- und aufmerksamkeitssteuernde Funktionen haben.

      Zu motorischen Aufgaben des Hirnstamms s. dort.

Dazu gehört
 
      die Stabilisierung des Körpers gegen die Wirkung der Schwerkraft (posturale Motorik: Halte- und Stellreflexe)
 
      Schutzreflexe, wie Korneal-, Husten-, Nies- und Würgereflex
 
      die Modulation des Lokomotionsgenerators im Rückenmark, wie die Anpassung der Gehbewegungen an die Geschwindigkeit der Fortbewegung (Schreiten bis Laufen).
 

Medulla oblongata
 

In der medulla oblongata befinden sich Reflexzentren für Herzfunktion, Kreislauf, Atmung, sowie Neuronengruppen für die Kontrolle des Nies-, Husten-, Schluck-, Saug- und Brechreflexes untergebracht. Weiters befinden sich hier Chemorezeptoren für den Säure-Basen-Haushalt.

  Einer der zentralen Kerne der medulla oblongata ist der nucleus tractus solitarii ( Abbildungen unten). Er besteht aus einer Gruppe von Kernen, die viszerale Afferenzen aus dem N. facialis (VII), glossopharyngeus (IX) und vagus (X) über den Zustand folgender Systeme erhalten:

     von kardiovaskulären Rezeptoren (Carotissinus, Aortenbogen, Herzräume, Lungengefäße: Kreislaufreflexe)
 
     aus dem Respirationssystem (Chemorezeptoren: Atmungssteuerung)
 
     aus dem gastrointestinalen System (Mechano- und Chemorezeptoren, Beeinflussung des Nahrungsaufnahmeverhaltens)
 
     von Geschmacksrezeptoren (daher auch "Geschmackskern": SpeichelsekretionKaubewegungen, Schluckreflex).
 
     sensorische Informationen aus dem Mittelohr (plexus tympanicus)
 
 
Abbildung: Kerngebiete im Hirnstamm des Menschen
Nach Theodoroff SM, Kaltenbach JA. The Role of the Brainstem in Generating and Modulating Tinnitus. Amer J Audiol 2019; 28: 225-38

Dazu zählen die meisten Hirnnervenkerne


Efferenzen von den Solitariuskernen projizieren einerseits auf weite Teile des Gehirns, andererseits zum dorsalen motorischen Vaguskern und von hier über parasympathische Fasern in die Peripherie (Herz, Gefäße, Speicheldrüsen, Pharynx, Oesophagus, Magen-Darm-Trakt).
 
       Über Hirnnerven und ihre Funktionen s. dort

    Die formatio reticularis durchzieht den Hirnstamm (Mittelhirn bis medulla oblongata) als eine unscharf begrenzte Gruppe miteinander vernetzter Neuronenansammlungen (Kerne). Sie enthält u.a. das aszendierende aktivierende System (ARAS) und ist Ursprung des tractus reticulospinalis. Sie besteht aus einer medianen (Raphekerne), einer medialen gigantozellulären sowie einer lateral gelegenen parvozellulären Zone. Zu ihren Funktionen gehören Beiträge zur Steuerung von Bewusstsein und Schlaf, motorischer Kontrolle, Kreislaufregulation sowie endogene Schmerzmodulation.

    Im Tegmentum der medulla oblongata befindet sich der nucleus ambiguus ( Abbildung), ein viszeromotorischer Kern, der Afferenzen aus der Großhirnrinde sowie dem Spinalkern des Trigeminus (V.) erhält. Seine Efferenzen ziehen über den IX., X. und XI. Hirnnerven zu Muskeln des Rachens, Gaumens und Kehlkopfs; dadurch beeinflusst er u.a. den Schluckvorgang sowie für das Sprechen benötigte motorische Systeme.

Läsionen des nucl. ambiguus äußern sich in nasaler Sprache, Schluckstörung (
Dysphagie), Stimmstörung (Dysphonie); die Uvula ist auf die Gegenseite verzogen.


Brücke und Mittelhirn
 

  Die Brücke (pons) stellt sozusagen ein Verbindungsstück zwischen Rückenmark, Kleinhirn und Mittelhirn dar.

      Sie beinhaltet zahlreiche Nervenbahnen, Teile der formatio reticularis und Brückenkerne für die Kommunikation zwischen Groß- und Kleinhirn.

      Die Brücke ist ein wichtiges Zentrum für die Kontrolle eines Teils der Blickbewegungen - sie enthält die Abducenskerne (VI. Hirnnerv), welche Abduktionsbewegungen der Augen steuern (Blick nach lateral).

      Sie beteiligt sich an der Verwaltung vestibulärer Funktionen (z.B. Erhaltung des Gleichgewichts).

      Die Brücke enthält die obere Olive, eine zentrale Schaltstelle der Hörbahn.

      Der obere Anteil der Brücke beteiligt sich an der Steuerung der Harnblase (Kontrolle des sakralen Detrusionsreflexes).
 
  Das Mittelhirn (mesencephalon) beinhaltet ebenfalls massive Nervenstränge (crura cerebri), ist an der Extrapyramidalmotorik beteiligt. Das Mittelhirn ist an der Bildung komplexer motorischer Muster beteiligt, so generiert es bei Reizung einer als mesencephalic locomotor region (MLR) bezeichneten Neuronengruppe Schreitbewegungen (Zunahme der Reizstärke kann z.B. bei Versuchstieren den Übergang von Trab- auf Galopp-Motorik bewirken). Langsame und rasche lokomotorische Bewegungsmuster scheinen dabei von unterschiedlichen glutamatergen Neuronengruppen angeregt zu werden (langsame von Zellen des pedunculopontinen Kerns, rasche von Zellen des nucleus cuneiformis). Neben der Lokomotion kontrolliert der Hirnstamm (z.B. über die formatio reticularis) eine Fülle weiterer Bewegungsmuster, inklusive die Okulomotorik .

Eingänge von verschiedenen Sinnessystemen spielen für mesenzephale Aktivitätsmuster eine modifizierende Rolle; das Mittelhirn vermittelt Orientierung nach akustischen und optischen Hinweisen.

Tegmentum  Tectum
 

Abbildung: Hirnstamm: Kerne und Bahnen
Nach einer Vorlage in what-when-how.com

Der fascululus longitudinalis medialis verbindet die Kerne der Augenmuskeln (N. oculomotorius, trochlearias, abducens) mit den Vestibulariskernen sowie der  formatio reticularis, was der Koordination von Kopfstellung und Augenbewegungen dient.
 
Der lemniscus medialis ist Teil der somatischen Afferenzen und leitet Informationen der Oberflächensensibilität (außer Schmerz und Temperatur) und Tiefensensibilität; der nucl. gracilis bekommt Impulse von unteren, der nucl. cuneatus von oberen Rumpfabschnitten.
 
Der lemniscus lateralis ist Teil der Hörbahn, der die obere Olive mit dem nucl. cochlearis der Gegenseite verbindet.
 
Der tractus corticobulbaris leitet motorische Impulse vom cortex cerebri zu motorischen Kernen des Hirnstamms, der tractus corticospinalis weiter zu motorischen Vorderhornzellen im Rückenmark


Tegmentum
 
Als Tegmentum (lat. für "Abdeckung") bezeichnet man die ventral an den inneren Liquorraum angrenzende Schicht im Bereich des Hirnstamms (dorsal liegt im Mittelhirnbereich das Tectum). Es enthält u.a. die formatio reticularis, okulomotorische Kerne, zentrales Höhlengrau, nucl. ruber und niger.

Der größte Anteil des Mesencephalon ist die Mittelhirnhaube (Tegmentum). Diese hat vorwiegend motorische Funktionen und enthält u.a. folgende Teile:

      Nucleus ruber und Teile des nucl. niger (Extrapyramidalmotorik)

      Hirnnervenkerne - nucl. N. oculomotorii (III), nucl. N. trochlearis (IV), nucl. accessorius N. oculomotorii (Edinger-Westphal-Kern), nucl. mesencephalicus N. trigemini (V)

      Teile der formatio reticularis (vegetative, sensorische und motorische Aufgaben)

      Fasciculus longitudinalis medialis (grün in der Abbildung; Koordination der Blickbewegungen, auch mit Rücksicht auf den Gleichgewichtssinn: Verknüpfung der vestibularis- mit den okulomotorischen Hirnnervenkernen)

      Der fasciculus longitudinalis dorsalis (Schütz'sches Bündel) ist eine lange Projektionsbahn des Hypothalamus. Er zieht vom Mamillarkörper zur medulla oblongata und verbindet den Edinger-Westphal-Kern (nucl. accessorius N. oculomotorii), die Salivatoriuskerne und den nucl. dorsalis N. vagi miteinander. Er leitet sensorische und motorische Information im vegetativen System und wirkt sich auf die meisten autonom-nervösen Funktionen des Körpers aus.

Aufsteigende Fasern leiten viszerale Afferenzen von der formatio reticularis zum Hypothalamus, absteigende Efferenzen vom Hypothalamus an präganglionäre autonome Neuronen - diese beeinflussen z.B. Herzfrequenz, Blutdruck, Atmung und andere sympathische / parasympathische Aktivitäten

      Tractus tegmentalis centralis ("zentrale Haubenbahn", leitet extrapyramidalmotorische Fasern)
 

Tectum (Vierhügel, colliculi)
 

Das dorsal gelegene Mittelhirndach (Tectum) hat sensorische Funktionen und wird wegen seiner anatomischen Struktur als Vierhügelplatte bezeichnet. Ursprünglich nahm man an, dass die oberen Vierhügel rein visuelle, die unteren nur auditive Information verarbeiten; tatsächlich überlappen sich diese Bereiche. Einige Neuronen reagieren auf beide sensorischen Eingänge, es besteht funktionelle Synergie.

  Die oberen Vierhügel (colliculi superiores) dienen visuellen Reflexen. Zusätzlich spielen sie eine Rolle für motorische Zielauswahl, insbesondere wenn sensorische Reize (visuelle, somatosensorische, auditive) diese Funktion anregen. Sie empfangen auch Impulse von Großhirnrinde (supplementäres Augenfeld, dorsolateraler Präfrontalkortex, parietale Systeme) und substantia nigra (pars reticulata).
 
Auf diese Weise können sie die Blickmotorik in einen umfassenden Gesamtzusammenhang integrieren. Die colliculi superiores sind eine Integrationsstelle für multisensorische, kontextuelle Information, die bei der Steuerung zielgerichteter, explorativ-orientierender Bewegungen berücksichtigt und an prämotorische Neuronen weitergeleitet wird.

Das tectopulvinäre System (tectopulvinar pathway) dient der raschen Reaktion auf plötzlich auftauchende visuelle Reize. Es geht von den oberen Vierhügeln aus, projiziert auf das Pulvinar thalami und spricht vor allem auf Bewegung in der Netzhautperipherie an (insbesondere via M-Ganglienzellen, die auf hohe zeitliche Auflösung spezialisiert sind). So wird die Aufmerksamkeit (und Motorik) auf überraschende, unerwartete Reize fokussiert, bevor noch visuelle Information bewusst verarbeitet werden kann.
 
Auch spezielle Regionen des Frontallappens (frontale Augenfelder) beeinflussen die Okulomotorik und sind im Fall widersprüchlicher Intentionen in der Lage, reflektorische Impulse aus den oberen Vierhügeln zu unterdrücken.

  Die unteren Vierhügel (colliculi inferiores) dienen Umschaltungen und Informationsmodifikation in der Hörbahn. Sie beteiligen sich an der Lokalisation von Schallquellen, sowie an Reflexen für entsprechende Zuwendungsmotorik der Augen und des Kopfes (Orientierung hin zur Schallquelle).

Das Prätektum (area praetectalis) erhält sensorische Information aus der Netzhaut und sendet Impulse an beide Edinger-Westphal-Kerne. Es ermöglicht so den konsensuellen Pupillenreflex (symmetrische Reaktion beider Pupillen auch bei Beleuchtung nur eines Auges).

 
   Das zentrale Höhlengrau dient u.a. der Verwaltung somatischer und viszeraler Stereotypen, beeinflusst das 'fight or flight'-Verhalten, kann starke Gefühlsregungen (Panik) auslösen, und dient der opioidergen Schmerzunterdrückung.
  
Projektionen aus dem Hirnstamm
   
Monoaminerge (noradrenerge, serotoninerge, dopaminerge, cholinerge, histaminerge) Neurone im Hirnstamm haben elektrophysiologische Ähnlichkeiten: Sie zeigen hohe Spontanaktivität, mit jeweils einer Depolarisationsphase vor dem nächsten Aktionspotential, reguliert durch Schrittmacherschaltungen. Die Freisetzung der Monoamine erfolgt teilweise synaptisch, teilweise breitflächiger (parakrin); zahlreiche monoaminerge Neurone setzen auch Kotransmitter frei.

Monoaminerge Projektionen üben modulierende Wirkung auf das Vorderhirn aus, wo sie kortikale und subkortikale Funktionskreise beeinflussen. Beispielsweise ist die Funktion der Basalganglien von kontinuierlicher dopaminerger Anregung (substantia nigra auf Striatum) abhängig; serotoninerge Projektionen modulieren motorische Programme; noradrenerge unterstützen die Aufmerksamkeit und stimulieren motorische Vorderhornzellen. Insgesamt erleichtert monoaminerge Anregung die motorische Aktivität und spielt für Motivation und Belohnungsmechanismen eine wichtige Rolle.
 
Noradrenalin     Serotonin    Dopamin  

Acetylcholin    Histamin     Orexin
 
  Noradrenerge Projektionen
 
Noradrenalin ist ein im Gehirn weit verbreiteter Neurotransmitter und wirkt u.a. auf Aufmerksamkeit, Stimmung, Sexualverhalten und andere Verhaltenskomponenten. Die Aktivität noradrenerger Neurone ist im Wachzustand wesentlich höher als im Schlaf (im REM-Schlaf feuern sie so gut wie überhaupt nicht) oder in Narkose.

Noradrenerge Neuronen finden sich
im unteren Hirnstamm, hauptsächlich im pontinen (aus ~12.000 Neuronen bestehenden) nucleus (locus) coeruleus sowie in der formatio reticularis. Aufsteigende Fasern projizieren in Zwischenhirn und Kortex (zerebral und zerebellär), absteigende in medulla oblongata und Rückenmark ( Abbildung):
 

Abbildung: Noradrenerge Projektionen aus dem Hirnstamm
Nach einer Vorlage in Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020 (Elsevier)

Ansammlungen noradrenerger Neurone / Fasern dunkelrot, Projektionsgebiete hellrot. Noradrenerge Projektionen bestehen vom locus coeruleus in das gesamte Groß- und Kleinhirn sowie in das Rückenmark.

Am = Mandelkerne, C = Kleinhirn, Hip = Hippocampus, Hyp = Hypothalamus, LC = locus (nucleus) coeruleus, LTA = laterales tegmentales Areal (Teil der formatio reticularis), MBF = mediales Vorderhirnbündel, NTS = nucleus tractus solitarii (sensorischer Vaguskern), Sep = Septum, Str = Striatum, Th = Thalamus


Diese noradrenerge Neuronengruppe wird durch neue, insbesondere bedrohliche Reize aktiviert. Das System erhöht die kortikale signal to noise ratio“. Diese noradrenergen Systeme wirken auf
 
      Aufmerksamkeit (Arousal) und Interesse - u.a. über Rezeptoren im Thalamus und im Kortex,
 
      Lernfähigkeit und Gedächtnis,
 
      Wachheit (Schlafzyklus) - noradrenerge Projektionen fördern den Wachzustand und sind im REM-Schlaf inaktiv,
 
      Angst-, Schmerz- und Stressantworten,
 
      Ausschüttung hypophysärer Hormone wie GH, LH, Prolaktin,
 
      Stimmungsbeeinflussung (Unterfunktion dieses Systems kann depressive Verstimmung, Überfunktion schizophrene Psychose zur Folge haben).

Die Axone von locis-coeruleus-Neuronen - organisiert als ein aufsteigendes dorsales und ein ventrales Vorderhirnbündel sowie ein absteigendes Bündel - erreichen das gesamte ZNS (Großhirnrinde, Riechhirn, Hippocampus, Thalamus, Hypothalamus, Hirnstamm, Kleinhirn, Rückenmark). Jedes einzelne Neuron bildet bis zu 250.000 Synapsen in verschiedenen Teilen des Gehirns aus (z.B. sowohl in der Großhirn- als auch in der Kleinhirnrinde - extreme Divergenz). Diese Synapsen wirken meist inhibitorisch über ß-Rezeptoren.

 
 

Abbildung: Noradrenerge Synapse (vgl. dort)
Nach einer Vorlage bei Ganongs's Review of Medical Physiology, 24th ed. Lange Basic Science 2012

Tyrosin wird über einen Natrium-abhängigen Kotransport in das Axon geschleust. Anschließend erfolgt die enzymatische Verwandlung (hemmbar durch Metyrosin) zu Dopamin. Dopamin wird mittels Monoaminotransporters in Vesikel aufgenommen (VMAT); dieser Vorgang ist durch Reserpin blockierbar. Im Vesikel wird Dopamin zu Noradrenalin umgewandelt.
 
Aktionspotentiale öffnen Calciumkanäle; Ca++ bewirkt Vesikelfusion mit der präsynaptischen Membran, Noradrenalin wird freigesetzt (zusammen mit Peptiden (P) und ATP. Dieser Vorgang involviert SNAPs und VAMPs und kann u.a. durch Guanethidin blockiert werden.
 
Freigesetztes Noradrenalin wirkt nicht nur auf postsynaptische Adrenozeptoren, sondern auch an präsynaptischen Autorezeptoren sowie anderen Neuroeffektoren, z.B. Blutgefäßen. Auch kann Noradrenalin präsynaptisch wieder aufgenommen und wiederverwertet werden (Noradrenalintransporter, hemmbar u.a. durch Kokain oder trizyklische Antidepressiva)


  Noradrenerge Übertragung im Gehirn kann an verschiedenen Stellen pharmakologisch beeinflusst werden, z.B. durch Blockade der Wiederaufnahme von Noradrenalin an der präsynaptischen Membran. Dadurch bleibt Noradrenalin länger an der Synapse verfügbar. Solche Substanzen können eine pathologisch eingetrübte Stimmung heben (trizyklische Antidepressiva, Abbildung). Monoamin- bzw. Serotonin-Noradrenalin-Wiederaufnahmehemmer (SNRIs: Serotonin-norepinephrine reuptake inhibitors) blockieren das präsynaptische Recycling von Monoaminen und erhöhen dadurch die Verfügbarkeit dieser Neurotransmitter an den postsynaptischen Rezeptoren. Sie werden als Antidepressiva eingesetzt.

  In den synaptischen Spalt freigesetztes Noradrenalin wird entweder präsynaptisch wiederaufgenommen (reuptake) oder es diffundiert in die Umgebung, gelangt mit dem Blutkreislauf in die Peripherie und wird dort (hauptächlich in der Leber) durch MAO und COMT abgebaut.

Im Gehirn werden alle Subtypen adrenerger Rezeptoren exprimiert, allerdings an unterschiedlichen Orten, was pharmakologisch bedeutsam sein kann:
 
Rezeptortyp
Lokalisierung
Rezeptortyp Lokalisierung
α1A Großhirnrinde
Hippocampus

α2B Zwischenhirn
α1B Großhirnrinde
Hirnstamm

α2C weit verbreitet
α1D Großhirnrinde
ß1 Großhirnrinde
Hypothalamus
α2A Locus coeruleus
Hippocampus

ß2 Kleinhirn
Hippocampus
Großhirnrinde
 
Über den anregenden Einfluss von Orexin auf den nucleus coeruleus s. dort.

  Eine schwedische Forschergruppe entdeckte in den 60er-Jahren (20. Jh) Wesen und Verschaltungsmuster der Zellen im locus coeruleus. Ein noradrenerges Transmittersystem im Gehirn war so neu und unerwartet, dass es Jahre weiterer Forschung brauchte, bis dieses von der etablierten Wissenschaft allgemein akzeptiert wurde.
   
  Serotoninerge Projektionen
 
Serotonin ist in zahlreiche autonome Funktionen involviert, wie gastrointestinale Motorik, Thermoregulation, Kreislaufregulation (Steigerung von Herzfrequenz und Blutdruck), Atmung (pCO2-sensitive serotoninerge Neuronen), Sexualverhalten, Schlaf, Schmerzempfinden (Blockade auf Hinterhornebene). Serotoninerge Neuronen finden sich (in mehreren Gruppen) in einer medianen Zone des Hirnstamms.

Serotoninerge mediane Raphekerne in medulla oblongata, pons und mesencephalon projizieren auf verschiedenste Hirnteile mit ähnlicher Ausdehnung wie das noradrenerge des locus coeruleus - beide beteiligen sich am Aufbau des aktivierenden retikulären Systems ( Abbildung):
 

Abbildung: Serotoninerge Projektionen aus dem Hirnstamm
Nach einer Vorlage in Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020 (Elsevier)

Ansammlungen noradrenerger Neurone / Fasern dunkelrot, Projektionsgebiete hellrot. Serotoninerge Projektionen kommen von den Raphekernen in das gesamte Groß- und Kleinhirn sowie in das Rückenmark.

Am = Mandelkerne, C = Kleinhirn, Hip = Hippocampus, Hyp = Hypothalamus, Sep = Septum, Str = Striatum, Th = Thalamus

 
      Kaudale Zellgruppen projizieren in das Rückenmark (vor allem zu motorischen Vorderhornzellen, aber auch zu Seiten- und Hinterhorn) und zum Kleinhirn,
 

      Rostrale Zellgruppen projizieren in Großhirnrinde sowie Hypothalamus (nucleus suprachiasmaticus), ventrolaterale corpora geniculata, Hippocampus / limbisches System (Mandelkerne).

Serotoninerge Projektionen in das Frontalhirn regen dessen Aktivität an - u.a. eine Dämpfung der Aktivität der Amygdalae -, und eine Abnahme dieser Funktion (also reduzierte serotoninerge Anregung) kann zu aggressivem und antisozialem Verhalten führen.
 
  Selektive Serotonin-Aufnahmehemmer (SSRIs: Selective serotonin reuptake inhibitors - z.B. Fluoxetin) hemmen gezielt die präsynaptische Wiederverwertung des Serotonins durch den Serotonin-Transporter (SERT). Sie senken u.a. die Bereitschaft zu aggressivem Verhalten und erhöhen die Aktivität des präfrontalen Kortex. 

Die Raphekerne übernehmen sensory processing“, sie helfen, unwesentliche Reize zu ignorieren, und modulieren neurovegetative Stressantworten (Blutdruck). Sie regen die Lokomotion an, beeinflussen Sinnes- (auch Schmerz-) Afferenzen und haben Einfluss auf Appetit, Körpertemperatur und Stimmungslage.

Beeinträchtigung der Raphe-Region bewirkt Schlafstörungen (insbesondere im
REM-Schlaf).

 
Verschiedene Rezeptortypen (16 bekannt) sind unterschiedlich verteilt auf Groß- und Kleinhirnrinde, Thalamus, Basalganglien, Hippocampus, Hypothalamus, Rückenmark.

Serotonin wirkt postsynaptisch auf

      Typ 5-HT2A, 2C (über Gq, PLC, IP3, DAG)
 
      Typ 5-HT1A (über Gi, Hemmung von AC, cAMP)
 
      Typ 5-HT4 (über Gs, AC, cAMP)
 
      Typ 5-HT3 (über Natriumeinstrom). Dies sind pentamere Ionenkanäle, ähnlich dem nikotinischen Acetylcholinrezeptor. Ähnlich dem AMPA-Rezeptorkanal sind sie im offenen Zustand für Na+ und K+ durchgängig; das Umkehrpotential liegt bei ~0 mV.
 

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

Tryptophan wird über einen Natrium-abhängigen Kotransport (Aminosäuretransporter) in das Axon geschleust und enzymatisch zu Serotonin (5-Hydroxy-Tryptamin, 5HT) umgewandelt. (Tryptophanhydroxylase im Gehirn unterscheidet sich von derjeniger in der Peripherie.) 5HT gelangt über einen Monoaminotransporter (VMAT) in Speichervesikel.
 
Öffnet ein Aktionspotential Calciumkanäle, bewirkt eingeströmtes Ca++ die Exozytose von Serotonin aus Vesikeln - 5HT gelangt in den synaptischen Spaltraum. Dort wirkt es  auf postsynaptische Serotoninrezeptoren (nicht gezeigt), diffundiert aus der Synapse, oder wird über Serotonintransporter präsynaptisch (Na+-abhängig) wieder aufgenommen (blockierbar durch Rückaufnahme-Inhibitoren).
 
In der Zelle wird Serotonin durch Monoaminooxydase (MAO) abgebaut. (Dieser Vorgang lässt sich durch MAO-Hemmer blockieren)


Serotonin scheint über 1A-Serotoninrezeptoren für die 'innere Entspannung' im Sinne der Aktivierung eines default mode network notwendig zu sein.

(Depressive) Patienten / Patientinnen mit schwach ausgeprägter 1A-Rezeptorwirkung leiden unter Unruhe und Problemen, sich zu entspannen.
(LSD beeinträchtigt die Aktivität serotoninerger Nervenzellen).

Über den anregenden Einfluss von Orexin s. dort.

   Selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer steigern die Serotoninkonzentration an der Synapse und wirken antidepressiv.
 
Zahlreiche halluzinogene Drogen (z.B. LSD) wirken offenbar durch Interaktion mit dem serotoninergen System.

   
  Dopaminerge Projektionen
  
Etwa eine Million Nervenzellen im Gehirn des Menschen verwenden Dopamin als Neurotransmitter. Sie sind über das ganze ZNS verstreut, kommen aber an bestimmten Stellen gehäuft vor.
 
Dopaminerge Neuronen des Hirnstamms finden sich im Mittelhirn: Im nucleus niger
(Projektion auf das Striatum) und im ventralen tegmentalen Gebiet (Projektion auf den präfrontalen Kortex und Teile des limbischen Systems, u.a. den nucleus accumbens).
 

Abbildung: Dopaminerge Projektionen aus Hirnstamm und Hypothalamus
Nach einer Vorlage in Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020 (Elsevier)

Ansammlungen noradrenerger Neurone / Fasern dunkelrot, Projektionsgebiete hellrot. Dopaminerge Projektionen erfolgen vom Tegmentum, der substantia nigra und dem ventralen Hypothalamus in das limbische System, das Frontalhirn, die Basalganglien und die Hypophyse

Ac = nucleus accumbens, C = Kleinhirn, Hip = Hippocampus, Hyp = Hypothalamus, P = Hypophyse, Sep = Septum, SN = substantia nigra, Str = Striatum, VTA = ventrales tegmentales Areal


Dopaminerge Neuronen beteiligen sich an

      Bewegungskontrolle (sie erleichtern die Auslösung von Willkürbewegungen - gestört bei Mb. Parkinson),

      Psyche und Verhalten, und

      endokriner Steuerung (Hemmung der Prolaktinfreisetzung).

Dopaminerge Neurone werden von glutamatergen (exzitatorischen) und GABAergen (inhibitorischen) Axonen intensiv beeinflusst. Solche Verschaltungen können u.a. an Langzeiteffekten wie synaptischer Potenzierung oder Hemmung beteiligt sein (Neuroplastizität). Dazu zählen Belohnung, Motivation, Erinnerung (Lernen) oder auch Gewöhnung und Löschung (Vergessen).

Das Wirkungsspektrum des Dopamins ist vielfältig und z.T. widersprüchlich erscheinend. Angesichts der Tatsache, dass es ein modulatorisch (nicht direkt inhibitorisch oder exzitatorisch) wirksamer Neurotransmitter ist, der teils eher parakrin als synaptisch, und auf zahlreiche verschiedene Rezeptoren wirkt (Vertreter der D1-Gruppe steigern, solche der D2-Gruppe reduzieren die cAMP-Konzentration), ist dieser Umstand erklärlich.
  
 
Abbildung: Dopaminrezeptoren im Gehirn
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman & Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw Hill Education 2014

Das Gehirn exprimiert alle Arten von Dopaminrezeptoren ( s. dort)


Wo befinden sich welche Dopaminrezeptoren? D1-Rezeptoren finden sich ausschließlich auf postsynaptischen Membranen, D2-Rezeptoren sind sowohl prä- (wo sie als Autorezeptoren wirken) als auch postsynaptisch positioniert (zahlreiche antipsychotisch wirkenden Medikamente sind
D2-Rezeptorantagonisten).

Dopaminmangel wirkt sich - auch entsprechend den betroffenen Neuronengruppen - vielfältig aus: Motorische (Mb. Parkinson, Tourette-Syndrom), psychische Störungen (Depression, Schizophrenie, ADHD, Suchtverhalten) sowie solche in hormonellen Regelkreisen (Dopamin hemmt die Freisetzung von Prolaktin).
  
Folgende aufsteigende Projektionen aus dem Hirnstamm sind dopaminerg:
  
Mesokortikale vom ventralen Tegmentum des Mittelhirns zum präfrontalen Kortex - sie sind an Arbeitsgedächtnis, Planung und Problemlösung, aber auch emotionaler Verarbeitung und Motivation beteiligt.
  
Fehlfunktion des mesokortikalen Systems wird mit der Entstehung von Psychosen (wie Schizophrenie) in Zusammenhang gebracht.
  
Mesolimbische vom ventralen Tegmentum zum limbischen System (Hippocampus, Amydgala) sowie zu ventalen Anteilen des Striatums, insbesondere Nucl. accumbens und tuberculum olfactorium. Dieses System ist in belohnungsabhängiges Verhalten involviert (es weckt das Belohnungsbedürfnis und motiviert zur Verstärkung von Anregungen verschiedener Art).
  
Funktionsstörungen im mesolimbischen System können vermutlich attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) und Drogenabhängigkeit bedingen.
  
In das Auftreten eines ADHD können neben dopaminergen auch noradrenerge Projektionssysteme involviert sein, eines von mehreren Beispielen für die Interaktion zwischen Transmittersystemen.
  
Nigrostriatale - von der substantia nigra zum nucl. caudatus und Putamen (~75% der dopaminergen Fasern): Diese haben extrapyramidalmotorische Funktion.
  
Dopaminmangel im nigrostriatalen System ruft Symptome des Mb. Parkinson hervor.
 
Freudige Überraschungen stimulieren die Dopaminausschüttung im Gehirn
   
      Tuberoinfundibuläre / tuberohypophysäre vom Hypothalamus zur Hypophyse: Hauptverantwortlich für die Regulation der Prolaktinausschüttung.

Weitere dopaminerge Neuronengruppen befinden sich an anderen Stellen des Gehirns und in der Netzhaut.

Die Wirkung erfolgt über verschiedene Dopaminrezeptoren (D1 bis D5) und umfasst drei Aufgabengebiete: Motorische Kontrolle, Verhaltensbeeinflussung und endokrine Steuerung. Dopaminerge Neurone spielen auch eine Rolle bei Übelkeit und Erbrechen.
 
  Dopaminantagonisten wirken antiemetisch.

Der nucleus accumbens wirkt als "Belohnungszentrum", das dopaminerg angeregt werden kann; das mediale Vorderhirnbündel verbindet beteiligte Zentren, verstärkt "belohnende" Aktivitäten und wird daher als "pleasure reward bundle" bezeichnet. Insgesamt stehen zerebrale Vorgänge wie Emotion, Kognition, Gedächtnis, Belohnung sowie motorische Aktivität unter dopaminergem Einfluss.

Dopaminerge Neurone spielen eine Rolle bei Übelkeit (Reizung von D2-Rezeptoren in der area postrema löst Erbrechen aus).

Der nucleus arcuatus (nucl. infundibularis) entsendet weiters Fasern zur eminentia mediana (tubero-infundibuläres System).
Dopamin ist der wichtigste Inhibitor der Prolaktinsekretion (prolactin inhibiting factor).
 
  Antipsychotika (Neuroleptika) wirken als selektive D2-Rezeptor-Antagonisten und werden eingesetzt, um sogenannte positive Symptome der Schizophrenie (Halluzinationen, Wahnvorstellungen) zu mildern.

Kokain und Amphetamine hemmen die Wiederaufnahme von Katecholaminen - Noradrenalin und Dopamin - in präsynaptische Neurone. Dadurch verlängern sie die Aufenthaltsdauer dieser Transmitter im synaptischen Spalt und intensivieren deren Wirkung, was anregende (exzitierende) Effekte hat (Wachheit, Alertheit) und ähnlich wirkt wie erhöhter Sympathikustonus (Herzfrequenzsteigerung, Pupillenerweiterung usw).
 
    Cholinerge Projektionen
  
Acetylcholin war der erste indentifizierte Neurotransmitter, und er findet sich in praktisch allen Teilen des menschlichen Gehirns. Cholinerge Übertragung beteiligt sich z.B. an Lern- und Gedächtnisprozessen und anderen Funktionen des limbischen Systems.
 
Neurone des modulatorischen cholinergen Systems des Hirnstamms finden sich in der pons (pedunculopontine Kerne), projizieren auf breite Hirngebiete und üben starken Einfluss auf das Verhalten aus.



Abbildung: Cholinerge Projektionen aus Hirnstamm und Vorderhirn
Nach einer Vorlage in Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020 (Elsevier)
Ansammlungen noradrenerger Neurone / Fasern dunkelrot, Projektionsgebiete hellrot.
 
Cholinerge Projektionen erfolgen
  aus Septumkernen zum Hippocampus,
  sehr diffus zu großen Teilen des Kortex aus dem nucl. basalis (Meynert-Kern, Teil des basalen Vorderhirns, basal forebrain) sowie
  zum Thalamus aus dem ponto- mesencephal- tegmentalem Komplex (pedunculopontinen und laterodorsalen tegmentalen Kernen)

C = Kleinhirn, Hip = Hippocampus, Hyp = Hypothalamus, PPT/LD = pedunculopontine und laterodorsale tegmentale Kerne, Sep = Septum, Str = Striatum, Th = Thalamus


Mb. Alzheimer ist durch breitflächigen Verlust cholinerger Neurone gekennzeichnet.

Cholinerge Systeme bilden ein diffuses modulierendes System, das aus mehreren Teilen besteht ( Abbildung), nämlich dem basalen Vorderhirnsystem, dem ponto-mesenzephalo-tegmentalen Komplex sowie Interneuronen im Basalgangliensystem:

        Der basale Vorderhirnkomplex innerviert

   den Hippocampus aus den
(unter dem Rostrum des Balkens gelegenen) medialen Septumkernen (septum pellucidum) - sie beeinflussen Belohnung, Lernprozesse, Kurzzeitgedächtnis

 
  den Neokortex sowie das limbische System aus dem (zwischen Mandelkern und globus pallidus gelegenen) nucleus basalis Meynert ( Abbildung). Die Fasern aus dem Meynert'schen Kern nutzen Galanin als Cotransmitter. Dieses System ist einer der bedeutendsten Acetylcholinproduzenten des Gehirns und dient u.a. der Aufmerksamkeitssteuerung.

Dieses Fasersystem degeneriert bei Personen, die an Mb. Alzheimer leiden.


       Der ponto-mesenzephalo-tegmentale Komplex des Mittelhirns und der Brücke ( Abbildung) innerviert den dorsalen Thalamus sowie motorische Vorderhornzellen im Rückenmark. Zusammen mit noradrenergen und serotoninergen Bahnen aktiviert dieses System sensorische Relaiskerne und Teile des Vorderhirns.

  
    Kurze cholinerge Verbindungen (Interneurone) im Striatum dienen der motorischen Kontrolle, solche im nucl. accumbens dem zerebralen Belohnungssystem.
 

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

Cholin wird über einen Natrium-abhängigen Cholintransporter in das Axon befördert (blockierbar durch Hemicholinium). Acetylcholin wird mittels der zytoplasmatischen Cholin-Acetyltransferase aus Cholin und Essigsäure gebildet. Dann erfolgt die Einlagerung in Speichervesikel mittels vesikel-assoziierten Transporters (VAT), zusammen mit Peptiden (P) und ATP. (Dieser Schritt ist durch Vesamicol blockierbar.)
 
Erregung des präsynaptischen Axons öffnet spannungssensitive Calciumkanäle, eingeströmtes Ca++ bewirkt Vesikelfusion und Freigabe von Acetylcholin und seinen Ko-Transmittern in den synaptischen Spalt. Dieser Vorgang involviert SNAPs und VAMPs und kann (in der Peripherie) durch Botulinumtoxin blockiert werden. Die Aktivierung präsynaptischer Auto- und Heterorezeptoren modifiziert die Freisetzung der Transmitter.
 
Über Acetylcholinrezeptoren s. dort.
 
Damit sich die postsynaptische Membran rasch erholen (repolarisieren) kann, muss das freigesetzte Acetylcholin rasch aus dem synaptischen Extrazellulärraum entfernt werden. Neben der präsynaptischen Wiederaufnahme sowie Abdiffusion in die Umgebung dient dazu die Aktivität von Acetylcholinesterase


   Cholinerge Projektionen in den Hypothalamus beeinflussen die Freisetzung von GnRH, ACTH, TSH und GH, sowie Oxytozin und Vasopressin.
 
   Das cholinerge System scheint weiters in die Kontrolle der Aufmerksamkeit und in die Schlaf-Wach-Steuerung involviert zu sein. Seine Aktivität ist für die Vigilanz bedeutsam (Nikotin ist ein Acetylcholin-Agonist) und fördert die selektive (zielgerichtete) Aufmerksamkeit.

Cholinerge Neurone sind im Rahmen einiger neurodegenerativer Erkrankungen (Demenz, Mb. Parkinson) betroffen. In der Narkose ist die zerebrale Aktivität reduziert und die Acetylcholinproduktion reduziert.

Cholinerg sind folgende Neuronen:

   Projektionen aus dem basalen Vorderhirnkomplex und dem ponto-mesenzephalo-tegmentalen Komplex des Hirnstamms (s. oben)
 
   Interneurone im Striatum, die durch nigro-striatale dopaminerge Neuronen gehemmt werden (deren Degeneration enthemmt die cholinergen Interneurone, was bei Mb. Parkisnon der Fall ist)
 
   Alle Motoneurone zu quergestreifter Muskulatur
 
   Präganglionäre autonome Nervenfasern (nikotinerg)
 
   Postganglionäre parasympathische Neurone (muskarinerg)
 
   Postganglionär-sympathische Fasern zu Schweißdrüsen
 
   Zahlreiche Neurone im Darmnervensystem

Über den anregenden Einfluss von Orexin s. dort.
  
  Histaminerge Projektionen
 
Auch Histamin beteiligt sich an der Regulierung von Wachheit und Aufmerksamkeit.
 

  Abbildung: Histaminerge Projektionen
Nach Schneider E, Neumann D, Seifert R. Modulation of behavior by the histaminergic system: Lessons from H1R- and H2R- deficient mice. Neurosci Biobehav Rev 2014; 42: 252-66


Histamin entsteht aus der Aminosäure Histidin und wirkt über H2-Rezeptoren zerebral anregend (hirngängige Antihistaminika machen müde und benommen). Histaminerge Neuronen finden sich im knapp rostral der Mamillarkörper gelegenen nucleus tuberomamillaris (TMN: tuberomamillary nucleus) des Hypothalamus  (  Abbildung).

Von hier projizieren die Axone vor allem in die Großhirnrinde, in den Thalamus, zu den Basalganglien, das (vorwiegend cholinerge, ebenfalls auf das Gehirn anregend wirkende sowie auch in den REM-Schlaf involvierte) basale Vorderhirn sowie in andere hypothalamische Kerne. Die Wirkung ist eine direkte (erhöhte Aufmerksamkeit und zerebrale Anregung) sowie indirekte (Stimulierung des basalen Vorderhirns und der dorsalen Brückenregion).

Die Aktivität histaminerger Neurone ist im Wachzustand hoch und im Schlaf (sowohl slow-wave als auch REM) niedrig.

Anregenden Einfluss u.a. auf die tuberomamillären Kerne hat Orexin:
 
Orexin

 
Orexin (auch: Hypocretin) ist ein Neuropeptid (Orexin A: 33, Orexin B: 28 Aminosäuren; durch Spaltung von Präproorexin - 130 Aminosäuren; etwa 50% Sequenzhomologie), das vorwiegend im lateralen Hypothalamus gebildet wird ( vgl. dort),. Die beztreffenden Neurone projizieren von dort auf zahlreiche Gebiete des ZNS und regulieren verschiedene Verhaltensweisen. Orexin wirkt anregend auf die Gehirnfunktion, es steigert Wachheit und Aufmerksamkeit, indem es  die Großhirnrinde und mehrere aufmerksamkeitssteigernde Gehirngebiete - auch des Hirnstamms - anregt (Raphekerne, locus coeruleus, nucl. tuberomamillaris, cholinerge Hirnstammneurone).
  
Aufmerksamkeit und aktivierendes retikuläres System
  
Zur formatio reticularis s. auch dort
Zu Aufmerkasmkeit und Bewusstsein s. auch dort

Wachheit / Erregung (arousal) und Aufmerksamkeit (attention / vigilance) treten nur auf, wenn das Großhirn von subkortikalen Systemen in Hinstamm und Zwischenhirn aus stimuliert wird ( Abbildung). Reduziert dieses System seine Tätigkeit, tritt ein Zustand von mangelnder Aufmerksamkeit und Vigilanz oder Schlaf auf.
 
Beschädigung oder mangelnde Versorgung subkortikaler Wecksysteme kann Bewusstlosigkeit oder Koma bewirken. Dabei sind die Augen geschlossen, Reize aus der Umgebung werden nicht wahrgenommen; in schweren Fällen bewirken auch schmerzhafte Reize keine Abwehrreaktionen mehr. Allgemeinnarkose führt ebenfalls zu einem Funktionsausfall der zerebralen Wecksysteme.
Bewusstsein
erfordert unter anderem eine aktivierte Großhirnrinde.

 

Abbildung: Aszendierendes retikuläres aktivierendes System (ARAS)
Nach Morin CM, Drake CL, Harvey AG, Krystal AD, Manber R, Riemann D, Spiegelhalder K. Insomnia disorder. Nat Rev Dis Primers. 2015; 1: 15026

Das blau gezeigte aufsteigende Anregungssystem beinhaltet noradrenerge Fasern aus dem locus coeruleus, serotoninerge aus den Raphekernen, histaminerge aus dem tuberomamillären Kern, dopaminerge aus dem ventralen Tegmentum und zentralen Höhlengrau. Dieses System erhält auch Zuflüsse aus dem lateralen Hypothalamus (Orexin, MCH) und aus dem basalen Vorderhirn (Acetylcholin, GABA).
 
Ein zweites anregendes System (rot) projiziert cholinerg-anregend aus dem pedunculopontinen Kern (Brücke) und laterodorsalen Tegmentum (Mittelhirn) auf Ralaisneurone im Thalamus, was ebenfalls den Kortex aktiviert


Das subkortikale Wecksystem ist aus Komponenten des Hirnstamms (extrathalamisches Kontrollsystem) und Anteilen des Thalamus aufgebaut:
 
  Das extrathalamische (modulatorische) Kontrollsystem besteht aus mehreren miteinander verbundenen Anteilen. In seinem Zentrum steht die
 
       Formatio reticularis des Hirnstamms (von medulla oblongata bis Mittelhirn). Aktivität dessen "aufsteigenden" Teils - des (aszendierenden) aktivierenden retikulären Systemsreticular activating system, ascending arousal system (A)RAS - ist für die Aufrechterhaltung des Bewusstseinszustandes essentiell, es steuert Wachheit, Aufmerksamkeit, Bewusstsein und regt dafür notwendige Funktionen an. So steigert seine Aktivität den Blutdruck über Erhöhung des sympathischen Tonus.
 
Bei einem Ausfall des aktivierenden retikulären Systems (oder im Zuge einer Vollnarkose) kommt es zu Bewusstlosigkeit bzw. komatösen Zuständen.


Das ARAS hat mehrere Stränge mit unterschiedlichen Neurotransmittern, und projiziert über mehrere Routen auf die Großhirnrinde, darunter
   
   Eine ventrale Route - hauptsächlich noradrenerg (locus coeruleus) und serotoninerg (Raphekerne), aber auch dopaminerg (zentrales Höhlengrau) und histaminerg (Hypothalamus, nucl. tuberomamillaris) - via das basale Vorderhirn. Diese Systeme sind im Wachzustand aktiv und reduzieren ihre Aktivität im Schlaf (REM und non-REM).
   
   Eine dorsale Route - hauptsächlich cholinerg - zum Thalamus ( Abbildung) und basalen Vorderhirn, der in weiterer Folge glutamaterg den Kortex anregt. Diese Route ist am aktivsten bei Wachheit und im REM-Schlaf und beeinflusst die Aktivität thalamischer und kortikaler Neurone.
   
Das cholinerge und das noradrenerge System sind zusammen bedeutsam für die Aufrechterhaltung längerdauernder Aufmerksamkeit und Wachsamkeit (Vigilanz). Diese Fähigkeit wird auch von der Großhirnrinde unterstützt, vor allem von der rechten Hemisphäre (das gilt für visuelle genauso wie für auditive Reize), insbesondere in den Gebieten des Frontal- und des unteren Parietallappens.
   
   Zusätzlich wirkt  ein Sytem GABAerger Neurone des Hypothalamus (präoptisches Areal POA), das vor allem im Schlafzustand aktiv ist. Läsionen dieser Neurone lädiert sowohl den Ablauf des REM- als auch des non-REM-Schlafs. Andererseits regt ein System von Neuronen des lateralen Hypothalamus, die Hypocretin (=Orexin) als Neurotransmitter verwenden, den Wachzustand an, wohl über Reizung des ARAS ( vgl. dort).
 

Weitere Komponenten des subkortikalen Wecksystems sind

   
       Mittelhirn / Tectum: Die oberen Vierhügel haben eine zentrale Funktion bei der Nachjustierung der Aufmerksamkeit, in deren Rahmen z.B. sakkadische Blickeinstellungen erfolgen
   
       Dorsaler Hypothalamus, dieser verwaltet neurohumorale und einige motorische Begleitreaktionen
 
 
Das thalamische Wecksystem umfasst mehrere Thalamuskerne  ( Abbildung).
 

Abbildung: Thalamuskerne
Nach einer Vorlage in Banich / Compton, Cognitive Neuroscience, 4th ed. 2018, Cambridge Univ. Press

Grün / hellblau gezeigt sind Kerne, die vermutlich an der Aufrechterhaltung von Wachheit und Aufmerksamkeit beteiligt sind.
 
Wachheit und Vigilanz werden wahrscheinlich vor allem durch Aktivität der nuclei reticulares, intralaminares (grün) sowie mediales dorsales (hellblau) angeregt, selektive Aufmerksamkeit durch Aktivität des Pulvinar sowie der corpora geniculata lateralia


An der Aufrechterhaltung von Wachheit sind außer intralaminaren (zentromedianen) auch retikuläre und mediodorsale Thalamuskerne beteiligt, an gerichteter Aufmerksamkeit (Vigilanz, Konzentration) Pulvinar und lateraler Kniehöcker. Der Thalamus kanalisiert sensorische Information (gating) und lenkt so die Aufmerksamkeit auf jeweils prioritäre Information.
 
Im Zentrum des subkortikalen Wecksystems stehen aufsteigende Bahnen aus dem mesenzephalen Tegmentum (diese entspringen in parabrachialen / pedunculopontinen Kernen und sind glutamaterg) sowie dem basalen Vorderhirn (cholinerg und GABAerg). Dazu kommen dopaminerge Neurone aus ventralem Tegmentum und zentralen Höhlengrau, weiters glutamaterge und GABAerge aus dem nucl. supramamillaris. Diese Systeme sind zur Erhaltung des Wachzustandes beim Menschen notwendig; ihr Ausfall führt zu komatösen Zuständen.

Serotoninerge (Raphekerne), noradrenerge (locus coeruleus), histaminerge (nucl. tuberomamillaris), orexinerge (lateraler Hypothalamus) Bahnen spielen eine weniger ausgeprägte Rolle in der Funktion des ARAS. Sie unterstützen die Funktion des "Hauptsystems", sind dafür aber nicht essentiell - Abnahme oder Ausfall ihrer Aktivität wirkt sich auf das "Arousal" nur geringgradig aus.
 
Läsionen orexigener Neurone im lateralen Hypothalamus führen zu Narkolepsie.

   Die Neurone ziehen durch Hypothalamus und basales Vorderhirn und projizieren direkt auf die Großhirnrinde, deren Aktivität sie anregen. Modulierende Axone ziehen auch zum Thalamus und fördern das "Durchschalten" sensorischer Impulse zum Kortex.

Der neuronale Schaltplan des ARAS beinhaltet hemmende Elemente, sodass sich im aktiven ARAS oszillierende Exzitationen ergeben, die sich im EEG als Rhythmen darstellen ( s. auch Schlafstadien). Auf diese Weise wird die Aktivität auf bestimmte Inhalte gebündelt, ohne dass es zu ungehemmter Ausbreitung von Exzitationen im Gehirn kommt - immerhin sind wahrscheinlich mehr als 10% der Nervenzellen im ARAS elektrisch gekoppelt (mittels gap junctions).
 
Aufmerksamkeit
s. auch dort
 
Aufmerksamkeit kann das Antwortverhalten einzelner Neurone verändern, z.B. kann das maximale Ansprechverhalten auf adäquate Reizmuster im rezeptiven Feld zu- oder abnehmen, das Ansprechverhalten sich um den optimalen Reiz herum verschärfen (fokussieren), oder auch verändern (verlagern).

Man unterscheidet zwei Formen der Aufmerksamkeit, die meist interagieren:
    Exogene Aufmerksamkeit (bottom-up oder reflexive oder exogenously controlled attention): Ein äußerer Stimulus triggert sie ohne kognitive Anstrengung. Diese Form der Aufmerksamkeit wird offenbar über das untere Parietalhirn (lobus parietalis inferior) vermittelt (der sulcus intraparietalis trennt den oberen vom unteren Parietallappen). Sie erreicht ihr Maximum innerhalb einer Zehntelsekunde nach Reizbeginn und flacht rasch wieder ab, falls dem Reiz keine weitere Bedeutung zukommt.
   Im Gegensatz dazu unterstützt endogene ("willentliche") Aufmerksamkeit (top-down oder voluntary oder consciously controlled attention) die bewußte Suche nach einem Zielobjekt oder die Konzentration auf ein bestimmtes Verhalten. Diese Art der Aufmerksamkeit wird vermutlich vor allem über das obere Parietalhirn (lobus parietalis superior) vermittelt. Endogene Aufmerksamkeit ist unter der Kontrolle des Bewußtseins, und es dauert etwa 0,3 Sekunden (dreimal so lang wie bei der exogenen Aufmerksamkeit), bis ihr Maximum erreicht ist; sie bleibt im Allgemeinen auch länger bestehen.
 
"Top-down" Aufmerksamkeit wird wahrscheinlich auch durch die vordere Insel mit dem Operculum, dorsal-anteriore Anteile des gyrus cinguli, sowie den (direkt darüber liegenden) medialen Abschnitt des oberen Frontalkortex vermittelt.
Beginn und Fortsetzung zielgerichteter Aufmerksamkeit aktiviert diese Rindenregionen, ihre Aktivität nimmt bei Fehlern weiter zu.

Der Bereich des sulcus intraparietalis (er trennt den lobus parietalis superior vom lobus parietalis inferior) scheint an der Selektion von Prioritäten wesentlich beteiligt zu sein. Er beteiligt sich weiters an der Selektion unter mehreren konkurrierenden visuellen Reizen.

An der Selektion zwischen mehreren Möglichkeiten der Antwort auf Inhalte, welche die Aufmerksamkeit erregen, nehmen weiters der vordere gyrus cinguli sowie der supplementär-motorische Kortex teil. Der vordere gyrus cinguli ist besonders an der Selektion korrekter motorischer Antworten bei schwierigen Problemlösungen beteiligt. In solchen Situationen sind mehrere medial gelegene präfrontale Kortexregionen gefordert.


Das thalamokortikale System ist Teil einer rückläufigen Aktivierungsschaltung und bringt Pyramidenzellen der Hirnrinde zu höherer Aktivität (starke Stimuli können "aufwecken" - oder im Wachzustand die Aufmerksamkeit auf die betreffende Reizquelle bündeln).

Gesteigerte Aufmerksamkeit hat mehrere Wirkungen - unter anderem steigt (unabhängig von der auslösenden Sinnesmodalität) die visuelle Empfindlichkeit (pulvinar thalami) und sinken die Reaktionszeiten. Die zielgerichtete Leistungsfähigkeit des Gehirns nimmt also zu. Cholinerge und adrenerge Anteile sind die wichtigsten Anteile in diesem System; beide sind im Wachzustand aktiv (die cholinergen auch im REM-Schlaf, die adrenergen auch im non-REM-Schlaf). NO (an Dendriten) scheint eine Rolle als Transmitter im ARAS zu spielen.

Da man die Aufmerksamkeit auf Dinge richtet, die man gleichzeitig mit den Augen fixiert (Projektion auf die fovea centralis), besteht eine enge Verbindung mit der Steuerung der Blickmotorik (frontales Augenfeld, Augenmuskelkerne). Zielgerichtete Augenbewegungen gehen insbesondere von den oberen Vierhügeln (colliculi superiores) des Mittelhirndachs aus. Veränderungen der Aufmerksamkeit gehen hingegen vom pulvinar thalami aus.

Die "oberste Kontrolle" über die Aufmerksamkeitssteuerung hat die Großhirnrinde - insbesondere der sulcus intraparietalis, das temporoparietale Übergangsgebiet, und das frontale Augenfeld. Die verschiedenen kortikalen Gebiete kooperieren bei der Steuerung der Aufmerksamkeit.

 
Zwischenhirn
 
Zum Zwischenhirn (Diencephalon) - wesentliche Teile davon dienen der Steuerung von Muskeltonus und Bewegungsabläufen (motorische Kontrolle) - gehören
 

Abbildung: Bereich des Zwischenhirns
Nach einer Vorlage bei toppr.com

Zum Zwischenhirn gehört der Thalamus, der u.a. fast alle afferenten (Sinnes-)Meldungen bearbeitet und wichtige motorische Funktionen hat, und der Hypothalamus, das vegetativ-endokrine Regulationszentrum


      Thalamus und Subthalamus

      Pallidum (globus pallidus )

      Hypothalamus

      Epithalamus (=Zirbeldrüse, Kommissuralsystem, habenulae, area praetectalis)

      Raphekerne , nucl. coeruleus
 
Thalamus
 

Der Thalamus dient als Schaltstelle für fast alle sensorischen Informationen (Ausnahme: Geruchssinn) sowie für den Großteil der aus dem Kortex kommenden motorischen Signale. Hier werden durchlaufende Impulse bewertet, angeglichen, neu gewichtet und modifiziert weitergeleitet. Dabei wird ein hohes Maß an Spezifität bewahrt (Sinnesmodalität, motorisches Ziel). Als Relaiszentrum verknüpft der Thalamus Informationsflüsse und kann diese abschwächen, verstärken und/oder umorganisieren.

Der Thalamus (linker und rechter Thalamus sind manchmal über die massa intermedia miteinander verbunden) liegt im posterioren Bereich des
Zwischenhirns und macht ~80% dessen Masse aus (knapp 20% entfallen auf den Hypothalamus). Er besteht aus etwa 50 Kernen (spezifische in der ventrolateralen Kerngruppe, sowie unspezifische), die mit allen Teilen der Großhirnrinde reziprok (bidirektional) verbunden sind.

Die Kontakte des Hypothalamus mit dem umliegenden Gehirn sind spezifischer Natur und extrem komplex aufgebaut, und die Organisation der Thalamuskerne kann in verschiedener Weise charakterisiert werden. Üblicherweise teilt man sie in Gruppen ein, z.B. als
 
     anteriore (Lernen, Gedächtnis)
 
     mediale (kortikale Anregung, kognitives Lernen)
 
     laterale (sensorische und motorische Aufgaben, Interpretation)
 
     posteriore Kerne (auditive und visuelle Funktionen, Sprachkontrolle, Integration)
 
Diese Kerngebiete sind durch Schichten der lamina medullaris interna thalami voneinander abgegrenzt. Diese enthält kleine Neuronengruppen, die als intralaminare Kerne bezeichnet werden und kortikaler Aktivierung sowie sensomotorischer Integration dienen.

Thalamuskerne haben koordinative und 'Relaisfunktion' (betreffende Neuronen arbeiten sensorische Information
modalitätsspezifisch auf) - nur der Mittelteil der medialen Gruppe und die intralaminären Kerne wirken als 'diffuse Projektionskerne'. Durch Verbindungen mit Frontalhirn und Hippocampus beteiligt sich der Thalamus wahrscheinlich auch an der Kognition (z.B. Gedächtnis).

Oszillationen: Spontanaktive Zellen (Schaltneuronen) im Thalamus verfügen über HCN2-Ionenkanäle und üben über diese Schrittmacherfunktion aus (Spontandepolarisierung). Die graue Substanz des Thalamus ist durch vertikale Schichten weißer Substanz (laminae) aus Nervenfasern untergliedert, welche die Kerne untereinander sowie den Thalamus mit der Großhirnrinde verbinden (
thalamokortikale, kortikothalamische, thalamothalamische Projektionen).

Der Thalamus hat vier grundsätzliche Funktionsbereiche:

     sensorisch - alle Sinnesinformation (außer dem Riechsinn) wird über den Thalamus an die Großhirnrinde übermittelt

     motorisch - Basalganglien und Kleinhirn senden motorische Impulsmuster über den Thalamus an die Großhirnrinde

     autonom-nervös (vegetativ) - der Thalamus beteiligt sich an Aufmerksamkeitssteuerung und Bewusstseinsbildung

     Emotion und Gedächtnis - der Thalamus ist Teil des Papez-Kreises und kontrolliert zum gyrus cinguli projizierte emotionale und Gedächtnisinformationen
 

Abbildung: Thalamuskerne, ihre Eingänge und Projektionen uf den Kortex
Modifiziert nach einer Vorlage bei austincc.edu

Projektionen farbcodiert


Man unterscheidet sensorische, sensomotorische, Assoziations-, viszerosensible und unspezifische Thalamuskerne:

     Unspezifisch / viszerosensibel sind intralaminäre und zentromediane Kerne. Sie erhalten Afferenzen aus der retikulären Formation des Mittelhirns und aus dem Vorderseitenstrang, und projizieren in die gesamte Großhirnrinde.

     Spezifisch sensorisch sind die Kniehöcker (corpora geniculata) für Sehen und Hören sowie die ventrobasalen Kerne für die somatische Sensibilität. Diese Kerne sind entwicklungsgeschichtlich jünger (Entwicklung mit Neokortex), arbeiten modalitätsspezifisch und sind räumlich geordnet.

     Sensomotorisch: Nucleus ventralis anterior (verlangsamt Willkürbewegungen) und lateralis (beschleunigt Willkürbewegungen).

     Zu den Assoziationskernen gehören das Pulvinar und der Nucl. lateralis posterior (parieto-okzipito-temporale Verbindungen) sowie die mit dem gyrus cinguli verbundenen Nucll. anterior und lateralis dorsalis.


Funktionen, Ein- und Ausgangsverbindungen der Thalamuskerne

Anterior

    Die Funktionen des anterioren Thalamus sind nicht eindeutig klar, er dürfte sich um Aspekte von Lernen, Gedächtnis und Emotion kümmern.

  Eingang: Hypothalamus (Mamillarkörper - Bahn: tractus mamillothalamicus), Hippopkampus
  Ausgang: Vorderes limbisches Gebiet - Gyrus cinguli, gyrus parahippocampalis
     
Intralaminar

    Intralaminare Kerne beteiligen sich an kortikaler Aktivierung und sensomotorischer Integration

  Eingang: Tractus spinothalamicus, formatio reticularis, Kleinhirnkerne, Pallidum 
  Ausgang: Striatum, Frontal- und Parietallappen
  
Mediale Gruppe

    Der Mittelteil der medialen Gruppe reguliert die Erregbarkeit des Vorderhirns

  Eingang: Formatio reticularis, Hypothalamus 
  Ausgang: Cortex cerebri inkl. Gyrus cinguli, Amygdala

    Der Mediodorsalkern ist befasst mit Emotionen, kognitivem Lernen, Gedächtnis und Beurteilung

  Eingang: Präfrontalkortex, Amygdala, Hypothalamus, Riechhirn 
  Ausgang: Präfrontalkortex, limbisches System (Gyrus cinguli), Nucleus basalis (s. weiter oben)
      
Laterale Gruppe

    Nucleus ventralis anterior: Beteiligung an der Bewegungsplanung

  Eingang: Basalganglien 
  Ausgang: Prä- und supplementär-motorischer Kortex, Gyrus cinguli

    Nucleus ventralis lateralis: Bewegungsplanung und -kontrolle

  Eingang: Kleinhirn (kontralateraler nucl. dentatus), Basalganglien (Pallidum und nucl. niger, ipsilateral), tractus spinothalamicus 
  Ausgang: Prä- und primärmotorischer Kortex

    Nucleus ventralis posterior: Somatosensorik

  Eingang: Rückenmark (nucleus gracilis und cuneatus), Hirnstamm (lemniscus medialis
  Ausgang: Parietaler Kortex (primär somatosensorisch)

    Nucleus lateralis dorsalis: Gedächtnis und Interpretation visueller Reize

  Eingang: Hippocampus, colliculi superiores 
  Ausgang: Gyrus cinguli, visueller Assoziationskortex

    Nucleus lateralis posterior: Sensorische Interpretation

  Eingang: Obere Vierhügel (colliculi superiores), Prätectum, Okzipitallappen 
  Ausgang: Assoziationskortex (okzipital, parietal, temporal)
        
Posteriore Gruppe
 
    Pulvinar: Sensorische Integration, Augenbewegungskontrolle, Sprachkontrolle, Wechsel der Aufmerksamkeit auf die Gegenseite

  Eingang: Obere Vierhügel, Prätectum, Okzipitallappen 
  Ausgang: Parieto-temporo-okzipitaler Assoziationskortex, Gyrus cinguli

    Corpus geniculatum laterale: Verarbeitung visueller Information

  Eingang: Netzhaut 
  Ausgang: Primäre Sehrinde 

    Corpus geniculatum mediale: Verarbeitung auditiver Information

  Eingang: Untere Vierhügel (colliculi inferiores) 
  Ausgang: Primäre Hörrinde
 

Hypothalamus
 
Der Hypothalamus ist die Zentralstelle für die Erhaltung physiologischer Gleichgewichte (neuro-humorale Homöostase, Integration verschiedener Regelsysteme, z.B. Körpertemperatur, Nahrungs- und Flüssigkeitsbilanz, Hormonstatus, metabolischer Status, Exekution emotionaler Antworten, Verhaltenssteuerung, zirkadiane Rhythmen). Er kann als Teil des limbischen Systems gesehen werden. Der Hypothalamus erhält Information über innere und äußere Reize und hat Zugriff auf die Hypophyse, vegetative Zentren, sowie motorische Neuronengruppen des Hirnstamms.

  vgl. auch dort
 
Man teilt den Hypothalamus in rostrokaudal angeordnete Regionen ein:
 

Abbildung: Hypothalamische Kerngebiete
Nach einer Vorlage bei uw.pressbooks.pub/ comparativeendocrinology

Links anteriorer, rechts posteriorer Hypothalamus. Die Abbildung zeigt die Gruppierung in präoptische, supraoptische, tuberale und mamilläre (posteriore) Kerngruppen.
  
Der anteriore Hypothalamus steuert den Wasserhaushalt; er kann Durstempfinden erzeugen und die Wasseraussscheidung der Nieren (via Vasopressin) anregen. Angiotensin regt das Subfornikalorgan und dieses das hypothalamische Durstzentrum an. Der anteriore Hypothalamus stabilisiert die Körpertemperatur und erzeugt die Hypophyse steuernde Hormone (Liberine, Statine).
  
Der mittlere (tuberale) Hypothalamus steuert u.a. Kreislauf, Verdauungssystem, Hunger und Sattheit.
  
Der posteriore Hypothalamus regt u.a. das sympathische System an, sezerniert Vasopressin und Oxytocin, kümmert sich um Schlaf, Wachheit, Lernen, Gedächtnis, auch Appetit und Sattheit.


    Der präoptische Hypothalamus (in der  Abbildung dunkelviolett markiert) liegt über dem chiasma opticum und enthält Neurone zur Steuerung von Durst, Wasserbilanz, Körpertemperatur, Schlaf, Sexualverhalten und zirkadiane Rhythmen. Neurone der präoptischen Region projizieren inhibitorisch auf Neuronen, die Weck- bzw. anregernde Wirkung haben; man kann sie als "Schlafneurone" bezeichnen. Die Mehrzahl dieser schlafinduzierenden Neurone liegt in der ventrolateralen präoptischen Region (ventromedial preoptic area vlPOA).
 
Der mediane nucleus praeopticus (median preoptic nucleus MnPO) hat eine herausragende Bedeutung als Zentrum für die Regulation der Körpertemperatur und des Flüssigkeitshaushaltes (Einfluss auf Hitze- und Kälteschutzverhalten sowie Trinkverhalten) und beeinflusst das Schlafverhalten. Seine Efferenzen ziehen zu hypothalamischen Nachbarkernen, in tiefere Hirnstammbereiche und von hier zu autonomen (mediolateralen) Rückenmarkszonen, um Durchblutung, Schweißsekretion und Piloerektion zu beeinflussen.

    Der supraoptische Hypothalamus liegt über dem Infundubulum und enthält den supraoptischen, anterioren und paraventrikulären Kern.

    Der tuberale Hypothalamus liegt direkt dahinter über der Hypophyse und kontrolliert deren hormonelle Steuerung (Liberine, Statine), das autonome Nervensystem, Aggression, Hunger und Sexualverhalten.

    Der posteriore Hypothalamus enthält die posterioren und mamillären Kerne sowie histaminerge Neuronen im nucl. tuberomamillaris (seine Aktivität weckt die Aufmerksamkeit).
 
 
Abbildung: Kerne des medialen Hypothalamus (Rechteck) und Projektionen
Modifiziert nach einer Vorlage in Clark / Boutros: The Brain and Behavior, Blackwell Science 1999

Oben: Supraoptische Region. Die Freisetzung der Hinterlappenhormone aus den nucll. supraopticus und paraventricularis hängt nicht nur von Faktoren wie Blutvolumen und Osmolalität ab, sondern kann auch durch Stressfaktoren wie Schmerz oder Angst gesteigert sein.
  
Der nucl. supraopticus verwaltet lichtabhängig zirkadiane Rhythmen.
   
Mitte: Tuberale Region. Diese Mamiolläre Region. steuert die Hypophyse und ist mit dem limbischen System verbunden.
 
Unten: Mamilläre Region. Dieser Teil ist in den Papez-Kreis eingebunden

Der mediale Hypothalamus ( Abbildung) wird auch unterteilt in

    die supraoptische Region direkt über der Sehnervenkreuzung hinter der präoptischen Region (diese enthält die präoptischen Kerne - medial den sexually dimorphic nucleus SDN).

Die supraoptische Region beinhaltet die Kerne, welche die Hinterlappenhormone Oxytozin und Vasopressin produzieren (magnozelluläre Neurone im nucl. supraopticus und paraventricularis) und die u.a. auf Stressfaktoren reagieren.
Die (paarigen) nuclei suprachiasmatici haben
ein Volumen von jeweils nur 0,25 mm3 (0,00025 ml), sind aber von großer Bedeutung. Sie vollführen eine Zeitgeberaktivität (central master-clock), die sie zum primären Schrittmacher zirkadianer (~24-Stunden-) Rhythmen machen - eine Aufgabe, die sie über neuroendokrine Einflüsse auf zahlreiche physiologische Systeme wahrnehmen ( vgl. dort). Grundlage ist dabei ein Schwingungssystem miteinander verknüpfter molekularer Rückkopplungsschleifen, die sich auf die Genexpression der beteiligten Neurone auswirken. Sie liegen direkt über der Sehnervenkreuzung (daher der Name); zur Synchronisierung mit Rhythmen in der Umwelt empfangen sie Signale aus der Netzhaut.
 
  
    Die tuberale Region (s. oben) - der nucl. arcuatus ist in die Kontrolle des Körpergewichts involviert und produziert auch ß-Endorphin.

Der nucl. dorsomedialis vermittelt aggressives Verhalten, der nucl. ventromedialis erhält Impulse vom Mandelkern und projiziert auf den Meynert'schen Basalkern; auch er reguliert Nahrungsaufnahme und Körpergewicht. Der mediale Hypothalamus wirkt als
Sattheitszentrum
 
  
    Die mamilläre Region erhält vor allem Impulse aus dem Hippocampus; ihre Funktion ist mit Emotionen und Gedächtnisbildung verknüpft. Projektionen in den vorderen Thalamuskern sind Teil limbischer Rückkopplung.
  
Seitlich vom medialen Hypothalamus liegt der laterale Hypothalamus; diese Zone gilt als Hungerzentrum.
  
Der laterale Hypothalamus ist intensiv mit dem nucleus accumbens und dem ventralen Tegmentum verschaltet, und ist vor allem in Vorgänge im Zusammenhang mit Aufmerksamkeit und Belohnung involviert.
 

Abbildung: Kerne und Verbindungen des Hypothalamus ( s. auch dort)
Nach einer Vorlage bei clinicalgate.com

Blutversorgung der Hypophyse: Über den Pfortaderkreislauf der oberen Hypophysenarterie gelangen hypothalamische Liberine / Statine von der eminentia mediana zum Vorderlappen, und Vorderlappenhormone über den weiteren Venenverlauf - und über das Versorgungsgebiet der unteren Hypophysenarterie aus dem Hinterlappen Oxytozin und Vasopressin - in den systemischen Kreislauf.

Anteriore Kerngruppe grün, mittlere rosa, posteriore grau, nucl.lateralis blau unterlegt


Der Hypothalamus hat zentrale Bedeutung für
 
   vegetative Anpassungsreaktionen (Aufrechterhaltung der Homöostase: Kreislauf, Atmung, Körpertemperatur, Metabolismus / Nahrungsaufnahme, Flüssigkeitsvolumen und Osmolalität / Flüssigkeitsaufnahme und Nierenfunktion, vegetative Begleitung von Angriffs- oder Fluchtverhalten - Substratversorgung! -, Immunabwehr, Schlaf-Wach-Rhythmus etc) und
 
   die entsprechende Abstimmung mit der Verhaltenssteuerung, wie
 
     Essen: Nutritives (die Nahrungsaufnahme betreffendes) Verhalten und parasympathische Aktivierung des Verdauungssystems (trophotrope, d.h. auf die Ernährung gerichtete Reaktionslage). Multiple periphere und zentrale Signale - neuronale wie humorale - werden in die Steuerung der Energie-Homöostase einbezogen. Ziel ist die Herstellung eines Gleichgewichts zwischen Nahrungsaufnahme und Energiekonsumption (und die Erhaltung eines optimalen Körpergewichts).

Periphere Faktoren, die den Energiestatus längerfristig (über die Zeit gemittelt) anzeigen, sind ( Abbildung) Leptin und Adiponektin aus dem Fettgewebe und Insulin aus der Bauchspeicheldrüse. Ghrelin aus dem Magen liefert ein akutes Hungersignal, und zu den Sättigungssignalen (kurzfristige Speicheranzeige) gehören das Peptid YY (PYY3-36), pankreatisches Polypeptid, Amylin und Oxyntomodulin (OXM). Die Inkretinhormone Glukagonähnliches Peptid (GLP-1) und Glukoseabhängiges insulinotropes Peptid (GIP) verstärken die Reaktion der Langerhans-Inseln im Pankreas auf nutritive Reize.
 

Abbildung: Der Hypothalamus integriert Signale zur Steuerung des Energiehaushalts
Nach Cooke D, Bloom S, The obesity pipeline: current strategies in the development of anti-obesity drug. Nature Rev Drug Discov 2006; 5: 919-31

Hypothalamische Neuronen verfügen über zahlreiche Rezeptorarten für Signalstoffe, die für den Energiemetabolismus bedeutsam sind, wie  Ghrelin, Leptin, Insulin, Melanocortin (MC), GLP und NPY


Zusätzliche Signale kommen von Rezeptoren im Magen (Dehnung) und oberen Dünndarm (Nährstoffe) und werden über vagale und auch sympathische Afferenzen an den nucleus tractus solitarii weitergeleitet.

Der nucleus arcuatus fasst all diese Signale zusammen. So wird das Wechselspiel von appetitfördernden und -hemmenden Neuronen (orexigen, anorexigen) gesteuert.
 
     Mehr über die Steuerung von Hunger und Sattheit s. dort
 
     Trinken: Wasseraufnahme in Reaktion auf Durstempfinden. Das Trinkverhalten ist wesentlich von der osmotischen Konzentration der Körperflüssigkeiten bestimmt, insbesondere im Hypothalamus (Osmorezeptoren im Gebiet des nucleus supraopticus).
 
     Wärmehaushalt und Temperaturregulation - dazu gehören Einflüsse auf Energieutilisation, Wärmeproduktion im Muskel, Hautdurchblutung, Sudomotorik (Schweißbildung) genauso wie entsprechendes Verhalten (z.B. Aufsuchen eines wärmeren oder kühleren Ortes)
 
     Abwehr- und Aggressionsverhalten im Zusammenspiel mit dem limbischen System; hier überwiegt die Aktivität des Sympathikus (ergotrope, d.h. auf die Entfaltung von Muskelkraft gerichtete Reaktionslage), Hormonausschüttung aus der Nebenniere eingeschlossen
 
     Reproduktives Verhalten, das der Fortpflanzung dient: Verarbeitung sexueller Signale (Formen, Stimme, Bewegungsmuster, Pheromone, Pupillenweite, Berührung), Koordination hormonell-vegetativer Reaktionen
 
     Beteiligung an der Steuerung des Schlaf-Wach-Rhythmus  s. dort.
 
Diese Verhaltensmuster bedingen ein enges Zusammenspiel zwischen

      autonomem (=vegetativem) Nervensystem - z.B. Koordination von Reflexen,
 
      limbischem System (Hippocampus, Amygdala, Septumkerne usw) - Kontrolle von Gefühlen und Verhaltensabläufen,
 
      motorischen und sensorischen Systemen.
   
Hypothalamus
Nucleus
Funktion / Stimulationseffekt
Effekt einer Läsion
suprachiasmaticus
Einstellen der zirkadianen Rhythmik
Wegfall der zirkadianen Periodik
supraopticus / paraventricularis
Anstieg von Blutvolumen, Blutdruck, Metabolismus
Diabetes insipidus
lateralis
Erhöhte Nahrungsaufnahme
Appetitlosigkeit
ventromedialis
Erniedrigte Nahrungsaufnahme
Hungerzustände
dorsomedialis
sham rage
Abnahme des Aggressionspegels
corpus mamillare
-
Übergang Kurz- zu Langzeitgedächtnis defekt
 
Von hypothalamischen Nervenzellen freigesetzte Signalstoffe
 

     wirken zum Teil als synaptische Transmitter auf andere Nervenzellen,
 
     teils werden sie über neuronalen Transport in den Hypophysenhinterlappen befördert (etwa 105 Neurone mit Zellkörpern in den nucl. supraopticus und paraventricularis), aus dem sie bei Erregung der Neurone freigesetzt werden,
 
     teils (in der eminentia mediana) in das Blut des hypothalamisch-hypophysären Pfortadersystems freigesetzt und wirken auf den Vorderlappen ein (Releasing- und Inhibiting-Faktoren = Liberine und Statine).
   

Abbildung: Fasersysteme des zentralen autonomen Systems
Nach einer Vorlage bei opentextbc.ca

Der Hypothalamus kontrolliert die meisten autonomen (vegetativen) Funktionen. Er erhält Impulse aus dem Großhirn und projiziert auf Hirnstamm und Rückenmark. So steuert er sympathische und parasympathische Aktivität. Die wichtigsten Verbindungsbahnen sind das mediale Vorderhirnbündel und der fasciculus longitudinalis dorsalis.
 
Das mediale Vorderhirnbündel (fasciculus medialis telencephali, medial forebrain bundle) ist Teil eines Belohnungssystems
(zu diesem gehört der nucl. accumbens), das auf die Brodmann-Areale 8 bis 11 projiziert und sowohl auf- als auch absteigende Bahnen enthält.
 
Das hintere Längsbündel (fasciculus longitudinalis dorsalis, Schütz'sches Bündel) zieht vom Hypothalamus (corpora mamillaria) zur medulla oblongata und verbindet parasympathische Hirnnervenkerne (Edinger-Westphal, nucll. salivatorii, nucl. dorsalis N. vagi). Es enthält ebenfalls sowohl auf- als auch absteigende Fasern und beteiligt sich an den meisten autonom-nervösen Regulationsvorgängen


Der Hypothalamus ist ein Bindeglied bei der neuro-humoralen Koordination. Er erhält Impulse von

  
    übergeordneten Gebieten (Großhirnrinde, limbisches System, Thalamus)
 
       Afferenzen aus der Peripherie
 
       Rezeptoren im Hypothalamus selbst (diese messen Hormonspiegel, Metaboliten wie Glukose und Fettsäuren, Osmolalität, Temperatur). Rezeptoren erlauben Gegensteuerung im Sinne einer negativen Rückkopplung, z.T. neuronal, z.T. durch Liberine und Statine.

    Wärmerezeptoren veranlassen bei Erhöhung der Bluttemperatur über einen Schwellenwert (z.B. 37,0°C) vermehrte Wärmeabgabe des Körpers über die Haut
 
     Osmorezeptoren messen die Osmolalität des Blutes und regen bei Erhöhung Durstempfinden und Vasopressinfreisetzung an, hemmen bei Erniedrigung das Vasopressinsystem und fördern die Aldosteronbildung
 
     Hormonrezeptoren sprechen auf die Konzentration von T3/T4, Cortisol, Östradiol und Progesteron, Testosteron und Dihydrotestosteron an und korrigieren dementsprechend die Freisetzung von Liberinen und Statinen.
 
Magno- und parvozelluläre Gebiete
  
Der Hypothalamus trägt intensiv zur Steuerung des autonomen Nervensystems (lateraler Hypothalamus) und neurosekretorischer Zellen (medialer Hypothalamus) bei.


Abbildung: Vasopressinneurone und hypothalamisch-hypophysäres System
Nach Koshimitsu T et al, Vasopressin V1a and V1b Receptors: From Molecules to Physiological Systems, Physiol Rev 2012; 92: 1814-64

Vasopressinproduzierende Neuronen bilden das Hormon als Präprohormon und verwandeln es während des Transfers in die Axonperipherie zu Vasopressin (=Adiuretin, antidiuretisches Hormon ADH).
 
Axone von magnozellulären Nervenzellen - deren Körper im nucl. paraventricularis (PVN) und supraopticus (SON) liegen - speichern das Hormon in Form von Herring-Körperchen . Sie enden im Hypophysenhinterlappen, wo Vasopressin über das Blut aus der a. hypophysealis inferior in den Kreislauf abtransportiert wird ("hypothalamisch- neurohypophysäres System").
 
Parvozelluläre Vasopressinneurone im PVN hingegen enden an äußeren Kapillarnetzen der eminentia mediana und setzen hier Vasopressin frei, das über hypothalamisch-hypophysäre Pfortadergefäße in den Vorderlappen gelangt und hier die Freisetzung von ACTH anregt


Neurosekretorische Zellen des Hypothalamus:
 
         Großzellige (magnozelluläre) Gebiete im vorderen Hypothalamus: Hierzu gehören der nucl. supraopticus und Teile des nucl. paraventricularis. Diese Zellen bilden Vasopressin und Oxytozin, die über axonalen Transport in den Hypophysenhinterlappen gelangen und in Herring-Körperchen zwischengespeichert werden, bis sie - durch Aktionspotentiale getriggert - in Hinterlappengefäße angegeben werden ( Abbildung).
 
   
    Kleinzellige (parvozelluläre) Gebiete im medialen Hypothalamus: Sie setzen im Bereich der eminentia mediana ihre Hormone in den Pfortaderkerislauf frei. Die Hormone gelangen in den Hypophysenvorderlappen ( Abbildung), wo Vasopressin über V1-Rezeptoren die Freisetzung von ACTH anregt. Dadurch wirkt es synergistisch mit CRH und fördert die Freisetzung von Glucocorticoiden.
 
Gemeinsame Aufgabe des vegetativ-nervösen Systems und der Hormone sind

       Stabilisierung und Steuerung des Stoffwechsels

       Einstellung des “inneren Milieus” (Temperatur, Kreislauf, Atmung, Wasser- und Elektrolythaushalt)

       Steuerung von Wachstum und Reifung

       Überwachung der Funktion der Fortpflanzungsorgane.

Der Hypothalamus beeinflusst somato-motorische Funktionen über eine Kreisschaltung zwischen limbischem System und formatio reticularis.
Emotionell-psychische Impulse und Umweltreize beeinflussen diese Steuerungstätigkeiten.


Bereits als Student forschte der Schweizer Walter Rudolf Hess an physiologischen Fragestellungen. Dann arbeitete er als Augenarzt, bis er sich wieder der Physiologie zuwandte und ab 1917 als Ordinarius in Zürich wirkte. Ab 1920 führte er seine bahnbrechenden Versuche mit "unterbrochener Gleichstromreizung" am Gehirn durch. Seine Elektroden hatten einen Durchmesser von lediglich 1/4 mm. Mittels punktgenauer Stimulation im Hypothalamus konnte er verschiedenste vegetative Reaktionen und Verhaltensänderungen der Versuchstiere auslösen. 1949 erhielt er den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin "für die Entdeckung der funktionellen Organisation des Zwischenhirns für die Koordination der Tätigkeit von inneren Organen".
 


 
Schon im frühen Kindesalter kann es zum Auftreten eines Attention Deficit / Hyperactivity Syndrome (ADHS, Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung) kommen. Bei diesen Patienten ist die Aktivität im Präfrontalkortex betroffen, dies hängt offenbar mit Veränderungen in den Dopamin-, Serotonin- und/oder Noradrenalinsystemen des Hirnstamms zusammen.
 
    Dementsprechend versucht man, diese Systeme pharmakologisch zu beeinflussen, z.B. mit Methylphenidat (Ritalin): Dieses hemmt präsynaptische Wiederaufnahme-Transporter (reuptake inhibition) für Dopamin und Noradrenalin und erhöht dadurch deren synaptische Verfügbarkeit und Wirkung; und es bindet an Serotoninrezeptoren.
 

 
      Der Hirnstamm hat motorische, sensorische, vegetative, endokrine Funktionen. Zu motorischen Aufgaben des Hirnstamms gehören Körperstabilisierung (posturale Motorik, Halte- und Stellreflexe), Schutzmotorik, Modulation von Lokomotionsautomatismen (Schreiten, Laufen)
 
     Die Medulla oblongata hat Chemorezeptoren (Säure-Basen-Haushalt) und Reflexzentren für Kreislauf, Atmung, Ernährung. Viszerale Afferenzen der Nn. facialis, glossopharyngeus, vagus informieren den nucleus tractus solitarii über den Zustand in Carotissinus, Aortenbogen, Herzräumen, Lunge und gastrointestinalem System. Der viszeromotorische nucleus ambiguus erhält Afferenzen aus Großhirnrinde und Trigeminuskern und projiziert auf Muskeln in Gaumen, Rachen und Kehlkopf (Schluckvorgang, Sprechen)
 
     Die Pons enthält Kerne für die Kommunikation zwischen Groß- und Kleinhirn und kontrolliert die Freigabe des Detrusionsreflexes (Steuerung der Blasenmotorik)
 
     Das Mesencephalon beteiligt sich an der Extrapyramidalmotorik und steuert die Okulomotorik.
 
   --  Das Tegmentum erfüllt vegetative, sensorische und motorische Aufgaben; es enthält Teile der formatio reticularis (Atem- und Kreislaufzentrum), den fasciculus longitudinalis medialis (Koordination der Blickbewegungen und Gleichgewicht), den fasciculus longitudinalis dorsalis (Projektionsbahn des Hypothalamus) und wirkt sich auf die meisten autonom-nervösen Funktionen des Körpers aus
 
   --  Das Tectum (Vierhügelplatte): Die colliculi superiores dienen visuellen Reflexen (Zielauswahl) und dienen als Integrationsstelle für multisensorische, kontextuelle Information für die Steuerung von Blickbewegungen; die colliculi inferiores dienen Umschaltungen der Hörbahn
 
   --  Das Prätektum ermöglicht den konsensuellen Pupillenreflex
 
   --  Das zentrale Höhlengrau dient opioiderger Schmerzunterdrückung, es kann Panik auslösen
 
     Zum Diencephalon gehören Thalamus, Hypothalamus, Zirbeldrüse und Subthalamus, Pallidum, Raphekerne und Coeruleuskerne. Es entsendet noradrenerge (Wachheit, Aufmerksamkeit, Angst, Stress, Blutdruckregulation), serotoninerge (aktivierendes retikuläres System, sensory processing, Appetit, Körpertemperatur, Stimmungslage), dopaminerge (Motorik, Psyche, Prolaktinfreisetzung) und cholinerge (Belohnung, Lernen, Aufmerksamkeit, Gedächtnis) Projektionen in das Vorderhirn
 
     Wachheit und Bewusstsein werden durch Aktivität des aktivierenden (aszendierenden) retikulären Systems (ARAS, auch extrathalamisches Kontrollsystem) ermöglicht. Dieses reicht vom Hirnstamm über den Thalamus bis zur Großhirnrinde, in seinem Zentrum steht die formatio reticularis des Mittelhirns. Endo- (top down) oder exogen (bottom up) aktiviert, regt es den Kortex an
 
     Der Thalamus hat mehrere Funktionsbereiche: Sensorische (alle Sinne außer olfaktorisch), motorische (von Basalganglien und Kleinhirn zur Großhirnrinde), vegetative und emotionale (Teil limbischer Kreisschaltungen). Die Kerne des Thalamus wirken viszerosensibel, sensorisch, sensomotorisch und assoziativ
 
     Der Hypothalamus konzentriert sich auf die Aufrechterhaltung der Homöostase (Kreislauf, Atmung, Körpertemperatur, Metabolismus / Nahrungsaufnahme, Flüssigkeitsbilanz, Osmolalität und Nierenfunktion, vegetative Begleitung von Angriffs- oder Fluchtverhalten, Immunabwehr, Schlaf-Wach-Rhythmus) und Verhaltenssteuerung
 

 




  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.