Basalganglien: tiefe Kerne und miteinander verbundene Handlungsschleifen

Was gehört zu den Basalganglien?

Zum funktionellen Kernverbund zählen Striatum und Pallidum sowie eng verbundene Gebiete im Zwischen- und Mittelhirn: Nucleus subthalamicus und Substantia nigra. Der Name Basalganglien ist historisch etabliert. Anatomisch handelt es sich um Kerne innerhalb des Zentralnervensystems; der Ausdruck Ganglion wird sonst vor allem für periphere Ansammlungen von Nervenzellkörpern verwendet. Die funktionelle Zusammenfassung folgt hier den Verschaltungen und umfasst somit Strukturen unterschiedlicher Entwicklung und Lage. [50][61]

Das dorsale Striatum besteht aus Nucleus caudatus und Putamen. Zum ventralen Striatum zählt insbesondere der Nucleus accumbens mit angrenzenden ventralen Anteilen. Beim Pallidum unterscheidet man im dorsalen System äußeren und inneren Abschnitt, GPe und GPi. Ventral bestehen entsprechende, funktionell anders eingebundene Gebiete. Die Amygdala wird in älteren anatomischen Zusammenstellungen gelegentlich mit aufgezählt; für die hier beschriebenen motorischen Basalganglienschleifen bildet sie ein benachbartes, verbundenes System mit eigener Kernorganisation. [50][61]

Lage im Schnitt durch das Großhirn

Der Nucleus caudatus besitzt einen vorderen Kopf, einen längs des Seitenventrikels verlaufenden Körper und einen nach unten in den Temporallappen gebogenen Schwanz. Er folgt damit einer ausgeprägten C-Form. Das Putamen liegt weiter lateral; medial davon schließt das Pallidum an. Putamen und Pallidum werden aufgrund ihrer gemeinsamen Kontur auch als Linsenkern, Nucleus lentiformis, bezeichnet. Diese Formgruppe ist eine anatomische Orientierung und fasst funktionell verschieden arbeitende Kernanteile zusammen. [14][62]

Die innere Kapsel zieht zwischen diesen Kerngebieten hindurch. Ihr vorderer Schenkel liegt zwischen Caudatuskopf und Linsenkern, ihr hinterer zwischen Thalamus und Linsenkern. In der Kapsel verlaufen dicht gebündelte auf- und absteigende Fasern. Dadurch kann eine kleine benachbarte Läsion andere Folgen haben als eine Schädigung des Putamens selbst. In weiter kaudal gelegenen Schnitten ändern sich die sichtbaren Kerne und ihre Beziehungen zum Thalamus. Eine Abbildung zeigt deshalb stets eine ausgewählte Höhe. [14][61]

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Striatum: Eingang aus vielen Rindenregionen

Das Striatum erhält umfangreiche erregende Eingänge aus der Großhirnrinde und zusätzliche thalamische Eingänge. Viele seiner Projektionsneurone besitzen zahlreiche dendritische Dornen und verwenden GABA als hemmenden Botenstoff. Daneben liegen verschiedene lokale Interneurone, darunter cholinerge Zellen. Die Information wird somit bereits am Eingang in einer örtlichen Schaltung verarbeitet. Dopamin aus der Substantia nigra pars compacta verändert die Bedingungen, unter denen diese Zellgruppen auf ihre Eingänge reagieren. [50][60]

Die Herkunft kortikaler Eingänge trägt zur räumlichen Ordnung des Systems bei. Motorische, okulomotorische, assoziative und limbische Rindenregionen sind mit teilweise unterschiedlich gelegenen striatalen Gebieten verbunden. Daraus entstehen miteinander verschränkte Funktionsschleifen. Bewegungen, Planung, Bewertung und Lernen können sich über solche Verbindungen gegenseitig beeinflussen. Zusätzliche Schleifen beteiligen diese Kerngebiete an kognitiven und limbisch verbundenen Aspekten von Handlungen. [50][60]

Pallidum und Substantia nigra

GPi und Substantia nigra pars reticulata, SNr, bilden wichtige Ausgangsgebiete. Ihre Projektionsneurone wirken überwiegend hemmend auf Zielgebiete im Thalamus und in Teilen des Hirnstamms. Dabei besitzt die laufende Aktivität eine wesentliche Bedeutung: Eine Verringerung des hemmenden Ausgangs kann ein nachgeschaltetes Ziel zeitweise stärker auf andere Eingänge reagieren lassen. Eine Verstärkung der Hemmung verändert die Weiterleitung in umgekehrter Richtung. Die genaue Wirkung hängt davon ab, welche Zellgruppe wann betroffen ist. [8][64]

Die unmittelbar benachbarte Substantia nigra pars compacta, SNc, enthält dagegen wichtige dopaminerge Neurone mit Projektionen zum Striatum. Pars compacta und pars reticulata unterscheiden sich somit nach Zelltyp, Botenstoff und zentraler Aufgabe in den beschriebenen Schleifen. Das GPe ist ein weiterer, reich vernetzter pallidaler Abschnitt. Er steht unter anderem mit Striatum, Nucleus subthalamicus und Ausgangskernen in Verbindung. Diese Verbindungen binden das GPe in mehrere rückgekoppelte Netzwerke ein. [7][62]

Der direkte Weg: Hemmung einer Hemmung

Im klassischen direkten Weg erregt die Großhirnrinde striatale Projektionsneurone. Diese hemmen GPi beziehungsweise SNr. Da die Ausgangskerne ihrerseits nachgeschaltete Ziele hemmen, kann ihre vorübergehende Hemmung dort eine Enthemmung bewirken. Der Weg führt im Grundschema also von Kortex über Striatum zum Ausgangskern und weiter zum thalamischen oder Hirnstammziel. Die direkte Route wird häufig mit striatalen Zellen verbunden, die Dopaminrezeptoren vom D1-Typ exprimieren. [7][62]

Das Vorzeichen muss bei jedem Schritt neu betrachtet werden. Ein hemmendes Neuron vermindert zunächst die Aktivität seiner konkreten Zielpopulation. Die Einbindung dieser Population in weitere Verbindungen bestimmt die Wirkung auf den gesamten Ablauf. Bei einer doppelten Hemmung kann der Nettoeinfluss auf ein nachgeschaltetes Gebiet erregungsfördernd erscheinen. Diese Betrachtung erklärt den Ausdruck Enthemmung und ist wesentlich präziser als die Zuordnung eines einzelnen Botenstoffs zu einer allgemeinen Verhaltenswirkung. [8][64]

Der indirekte Weg und der Nucleus subthalamicus

Im vereinfachten indirekten Weg hemmen andere striatale Projektionsneurone zunächst das GPe. Dessen Hemmung des Nucleus subthalamicus kann dadurch abnehmen. Der subthalamische Kern sendet erregende, glutamaterge Projektionen an GPi und SNr; deren hemmender Ausgang kann entsprechend zunehmen. So entsteht im Grundmodell eine anders gerichtete Veränderung des Basalganglienausgangs. Viele striatale Zellen dieses Weges besitzen Dopaminrezeptoren vom D2-Typ. [8][64]

Der Nucleus subthalamicus liegt unterhalb des Thalamus im Zwischenhirn und ist beidseits relativ klein. Seine erregenden Ausgänge sind eine wichtige Besonderheit innerhalb einer ansonsten stark durch GABAerge Projektionswege geprägten Schleife. GPe und subthalamischer Kern beeinflussen sich wechselseitig; zusätzliche direkte und lokale Verbindungen erweitern das Grundschema. Das klassische Diagramm eignet sich daher zum Lernen der Hauptvorzeichen und Stationen, während reale zeitliche Aktivitätsmuster vielfältiger organisiert sind. [8][64]

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Der hyperdirekte Weg erreicht den subthalamischen Kern

Kortikale Fasern können den Nucleus subthalamicus auch ohne vorgeschaltete striatale Umschaltung erreichen. Von dort führt die Verbindung weiter zu den Ausgangskernen. Dieser Kortex-STN-Pallidum-Weg wird hyperdirekt genannt. Seine schnelle Einflussnahme wird unter anderem im Zusammenhang mit Anpassung und Unterbrechung von Handlungen untersucht. Wie stark ein bestimmtes Zielgebiet beeinflusst wird, hängt von der räumlichen und zeitlichen Einbindung der beteiligten Verbindungen ab. [8][10]

Für den Menschen liefern unter anderem intraoperative Ableitungen Hinweise auf solche Verbindungen. In einer Studie wurden bei zehn Parkinsonpatienten kortikale Antworten auf subthalamische und pallidale Stimulation verglichen. Sehr kurzzeitige Antworten nach subthalamischer Stimulation waren mit einer antidromen Aktivierung kortikaler Projektionen vereinbar. Dieser Befund stützt das Vorhandensein eines schnellen kortiko-subthalamischen Verbindungswegs beim Menschen. [10]

Direkte und indirekte Aktivität können gemeinsam auftreten

Die beiden klassischen striatalen Wege werden oft als Gegenspieler gezeichnet. Bei der Ausführung einer Handlung können jedoch Populationen beider Wege gleichzeitig aktiv sein. Ein häufig zitiertes Experiment erfasste bei Mäusen die Aktivität genetisch markierter striataler Zellpopulationen während einer erlernten Aufgabe. Dabei zeigten sich Aktivitätsanstiege beider Populationen im Zusammenhang mit dem Handlungsbeginn. Der Befund fordert eine zeitlich und räumlich differenzierte Betrachtung des einfachen Ratenmodells. [7]

Die Untersuchung betraf Mäuse und eine bestimmte Verhaltensaufgabe. Für die menschliche Anatomie ist weiterhin wichtig, direkte, indirekte und hyperdirekte Verbindungen getrennt verfolgen zu können. Für ihre Funktion kommen die gleichzeitig aktiven Zellensembles, die beteiligten Schleifen und das Verhalten hinzu. Ein gutes Lernschema enthält deshalb konkrete Verbindungsrichtungen und Vorzeichen. Für ein genaueres Verständnis werden beteiligte Zellgruppen, ihre Verbindungen und die jeweilige Aufgabe gemeinsam betrachtet. [7][10]

Dopamin, Erfahrung und Auswahl

Dopamin beeinflusst im Striatum unter anderem Erregbarkeit und synaptische Veränderbarkeit. Seine Wirkung hängt von Rezeptortyp, Zellgruppe, zeitlichem Muster und übrigen Eingängen ab. D1- und D2-bezogene Populationen kennzeichnen wichtige Zellgruppen der klassischen Wege. Daneben tragen weitere striatale Zelltypen zur Verarbeitung bei. In Handlungsschleifen können so aktuelle Rindenaktivität, frühere Erfahrungen und bewertende Signale zusammenwirken. Die Funktionsbeschreibung bleibt an die jeweils untersuchte Schaltung gebunden. [7][62]

Klinische Begriffe anatomisch einordnen

Bei der Parkinsonkrankheit ist der Verlust dopaminerger Neurone der SNc ein wesentlicher Bestandteil der Erkrankung. Langsamere oder kleiner werdende Bewegungen, Steifigkeit und andere Zeichen werden im Zusammenhang veränderter Netzwerkaktivität verstanden. Chorea bezeichnet dagegen unwillkürliche, wechselnde Bewegungen; Dystonie anhaltende oder wiederkehrende Muskelaktivitätsmuster mit verdrehten Haltungen beziehungsweise Bewegungen. Die Begriffe beschreiben unterschiedliche Erscheinungen, deren Ursachen und beteiligte Netzwerke gesondert untersucht werden. [50][61]

Eine neurologische Untersuchung betrachtet Bewegungsbeginn, Geschwindigkeit, Ausmaß, Tonus und unwillkürliche Aktivität zusammen mit weiteren Befunden. Bildgebung kann strukturelle Veränderungen der Kerne und benachbarter Kapselanteile darstellen. Anatomisch besonders hilfreich bleibt die Trennung von Eingang, örtlicher Verarbeitung, Ausgang und Rückkopplung: Die Basalganglien beeinflussen kortikale und Hirnstammnetzwerke über solche Schleifen. Die motorische Wirkung entsteht über die Verbindungen zu diesen Zielnetzwerken. [50][61]

Drei Routen mit verschiedenen Zwischenstationen

Wichtige Begriffe

Striatum

Wichtiges Eingangsgebiet der Basalganglien; dorsal mit Caudatus und Putamen. [2][60]

GPe und GPi

Äußerer und innerer Teil des Globus pallidus mit unterschiedlichen Verbindungen. [2]

SNc und SNr

Pars compacta beziehungsweise pars reticulata der Substantia nigra. [2]

Enthemmung

Verminderung eines hemmenden Einflusses durch Hemmung der dafür verantwortlichen Population. [2][60]

Im Gesundheitswissen weiterlesen

• Das Gehirn: Räume, Strukturen und verbundene Netzwerke
• Das Nervensystem: Wahrnehmen, Verarbeiten und Handeln
• Nervenzellen: Aufbau, Signale und Verbindungen
• Synaptische Übertragung: vom Impuls zur Antwort der nächsten Zelle

Diese Zusammenhänge vertiefen

• Thalamus: Kerngebiete zwischen Sinnesbahnen und Großhirnrinde
• Kleinhirn: Aufbau, Verschaltungen und die Abstimmung von Bewegung