

Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
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)
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.).
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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).
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:
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
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.
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.
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 und steuert die Okulomotorik
(Augenmuskelkerne). Das Mittelhirn ermöglicht die Orientierung nach akustischen und optischen Hinweisen.

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

Der größte Anteil des Mesencephalon ist die Mittelhirnhaube (Tegmentum). Dieses 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)
Das dorsal gelegene Mittelhirndach (Tectum) wird als Vierhügelplatte bezeichnet:

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 (frontales und 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.

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 in das Vorderhirn
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.
Noradrenerges System
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.
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 coeruleus, LTA = laterales tegmentales Areal (Teil der
formatio reticularis), MBF = mediales Vorderhirnbündel, NTS = nucleus
tractus solitarii (sensorischer Vaguskern), Sep = Septum, Str =
Striatum, Th = Thalamus

In der Brücke (pons) befindet sich auf beiden Seiten je ein aus ~12.000 Neuronen bestehender nucleus (locus)
coeruleus. Diese
noradrenerge Neuronengruppe wird durch neue, insbesondere bedrohliche Reize
aktiviert. Das System erhöht die kortikale „signal to noise ratio“.
Hauptfunktionen noradrenerger Systeme im Gehirn sind die Wirkung auf
Aufmerksamkeit (Arousal) und
Interesse,
Lernfähigkeit und Gedächtnis,
Wachheit (Schlafzyklus), 
Angst-, Schmerz- und Stressantworten,
Ausschüttung hypophysärer Hormone wie GH, LH, Prolaktin,
Stimmungsbeeinflussung
(eine Unterfunktion dieses Systems steht mit depressiver Verstimmung in Zusammenhang, Überfunktion mit Schizophrenie).
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, Hippokampus, 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
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Lokalisierung |
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Rezeptortyp |
Lokalisierung
|
α1A |
Großhirnrinde
Hippokampus |
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α2B |
Zwischenhirn |
α1B |
Großhirnrinde
Hirnstamm |
|
α2C |
weit verbreitet |
α1D |
Großhirnrinde |
|
ß1 |
Großhirnrinde
Hypothalamus |
α2A |
Locus coeruleus
Hippokampus |
|
ß2 |
Kleinhirn
Hippokampus
Großhirnrinde |
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.

Serotoninerges System
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.
Die serotoninergen 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, Hippokampus / limbisches System (Mandelkerne).
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, Hippokampus, 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).
Selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer
(SSRIs: Selective serotonin reuptake inhibitors) - z.B. Fluoxetin - hemmen gezielt die präsynaptische Wiederverwertung des Serotonins durch den Serotonin-Transporter (SERT), steigern die
Serotoninkonzentration an der Synapse und wirken antidepressiv.
Zahlreiche halluzinogene Drogen (z.B. LSD) wirken offenbar durch Interaktion mit dem serotoninergen System.
Dopaminerges System
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
finden sich vor allem im ventralen tegmentalen Gebiet (einem Teil des Mittelhirns, der dopaminerg auf den präfrontalen Kortex und Teile des limbischen Systems - u.a. den nucleus accumbens - projiziert) sowie
im nucleus niger des Mittelhirns (Projektion auf das Striatum).
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)

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).
Die bedeutsamsten dopaminergen Projektionen sind:
Mesokortikale vom ventralen
Tegmentum zum Frontalhirn. Dies ist ein komplexes
Belohnungssystem.
Nigrostriatale - von der
substantia nigra
zum nucl. caudatus und Putamen

(~75% der dopaminergen Fasern): Diese
haben extrapyramidalmotorische Funktion.
Dopaminmangel in diesem System
ruft Symptome des Mb. Parkinson hervor.
Mesolimbische vom ventralen Tegmentum
zum limbischen System, u.a.
Hippocampus,
Nucl. accumbens und
Amydgala.
Störungen werden z.B. mit attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) und Drogenabhängigkeit in Zusammenhang gebracht.
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).
Cholinerges System
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. Die
Axone dieses modulatorischen Systems projizieren auf breite Hirngebiete
und haben so einen außerordentlich starken Einfluss auf das Verhalten.

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 aus Septumkernen, nucl. basalis (Meynert-Kern) und 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 Hippokampus 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.
Cholinerge Neurone sind im Rahmen einiger neurodegenerativer Erkrankungen (Demenz, Mb. Parkinson) betroffen.
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
Aufmerksamkeit und aktivierendes retikuläres System
Zu Aufmerkasmkeit und Bewusstsein s. auch dort
Wachheit / Erregung (arousal) und Aufmerksamkeit (attention / vigilance) treten nur auf, wenn das Großhirn vom sogenannten aktivierenden (aszendierenden) retikulären System (ARAS) stimuliert wird. Dieses reicht vom Hirnstamm über den Thalamus bis zur Großhirnrinde (
Abbildung). Reduziert es seine Tätigkeit, tritt ein Zustand von Schlaf, Bewusstlosigkeit oder Koma auf. Bewusstsein erfordert Aktivität der zerebralen Hemisphären im Wachzustand.

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 ARAS - auch als extrathalamisches (modulatorisches) Kontrollsystem bezeichnet - besteht aus mehreren miteinander verbundenen Anteilen. In seinem Zentrum steht die
Formatio reticularis. Weitere Komponenten 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
Thalamuskerne. 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 Systems 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
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.
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. 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.
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
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 
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. Man
teilt sie in verschiedener Weise in Gruppen ein, z.B. in
anteriore (Lernen, Gedächtnis)
mediale (kortikale Anregung, kognitives Lernen)
laterale (sensorische und motorische Aufgaben, Interpretation)
posteriore Kerne (auditive und visuelle Funktionen, Sprachkontrolle, Integration)
Diese sind durch Schichten der lamina medullaris
interna thalami voneinander abgegrenzt (diese enthält kleine
Neuronengruppen, die als intralaminare Kerne bezeichnet werden; sie dienen kortikaler Aktivierung und sensomotorischer Integration.
Funktionen: 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 Hippokampus 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
Modifiziert nach einer Vorlage bei austincc.edu

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

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
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.
Üblicherweise teilt man den Hypothalamus in drei rostrokaudal angeordnete Regionen ein:
Der präoptische Hypothalamus liegt über dem chiasma opticum
und enthält Neurone zur Steuerung von Durst, Wasserbilanz, Temperatur,
Schlaf, Sexualverhalten und zirkadiane Rhythmen. Der (anterior
gelegene) 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 tuberale Hypothalamus liegt 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. Der nucl. suprachiasmaticus empfängt retinale Inputs.
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 Hippokampus; 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.
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 (Hippokampus, 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: Magno- und parvozelluläre Neurone im Hypothalamus
Nach
Koshimitsu T et al, Vasopressin V1a and V1b Receptors: From Molecules
to Physiological Systems, Physiol Rev 2012; 92: 1814-64
Herring-Körperchen
speichern Vasopressin. In der eminentia mediana freigesetztes
Vasopressin wird auch über die Pfortadergefäße in den Vorderlappen transportiert
PVN, nucl. paraventricularis
SON, nucl. supraopticus

Neurosekretorische Zellen gruppiert man in (
Abbildung)
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 dort bis zu ihrer Sekretion gespeichert werden.
Im Bereich
der eminentia mediana wandert Vasopressin nicht nur über Neuriten zum
Hinterlappen (und wird in Herring-Körperchen zwischengespeichert, bis es
durch Aktionspotenziale getriggert in Hinterlappengefäße angegeben
wird), sondern es wird auch von Pfortadergefäßen aufgenommen und in der
Vorderlappen gespült, wo es über V1-Rezeptoren die Freisetzung von ACTH anregt. Dadurch wirkt es synergistisch mit CRH und fördert die Freisetzung von Glucocorticoiden;
Kleinzellige (parvozelluläre)
Gebiete im medialen Hypothalamus: Hier werden Hormone gebildet, die
anschließend über den Pfortaderkreislauf in den Hypophysenvorderlappen
gelangen.
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
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