Das Gehirn: Räume, Strukturen und verbundene Netzwerke

Eine räumliche Orientierung für die Gehirnansichten

Abbildung vergrößern ↗

Das Großhirn bildet mit seinen beiden Hemisphären den größten sichtbaren Anteil. Unter und zwischen den Hemisphären liegen das Zwischenhirn und die Verbindung zum Hirnstamm. Hinter dem Hirnstamm befindet sich das Kleinhirn. Das verlängerte Mark setzt sich durch das große Hinterhauptsloch in das Rückenmark fort. Diese Nachbarschaften lassen sich sowohl an der äußeren Form als auch in Schnittansichten wiederfinden. [1] [10]

Eine Seitenansicht zeigt vor allem die äußeren Lappen und Furchen einer Hemisphäre. Ein mittiger Sagittalschnitt öffnet dagegen den Blick auf die Innenfläche, den Balken, das Zwischenhirn und den Hirnstamm. Koronare Schnitte teilen den Kopf in vordere und hintere Anteile; axiale Schnitte in obere und untere. Jede Blickrichtung stellt andere Nachbarschaften in den Vordergrund. [1]

Rostral bezeichnet am Großhirn die Richtung zur Stirn, kaudal die Richtung zum Hinterhaupt. Am Hirnstamm und Rückenmark folgt die Längsachse stärker der aufrechten Körperachse. Für die eigene Orientierung helfen deshalb zusätzlich eindeutige Angaben wie vorne, hinten, oben und unten. Die Ansicht und die Schnittebene gehören immer zur Bedeutung einer Abbildung. [1] [10]

Furchen und Lappen gliedern die Großhirnoberfläche

Abbildung vergrößern ↗

Die Rinde ist in Windungen, Gyri, und dazwischenliegende Furchen, Sulci, gefaltet. Die tiefe Längsspalte trennt die beiden Hemisphären. Auf jeder Seite bildet die Zentralfurche eine wichtige Grenze: Vor ihr liegt der Stirnlappen, hinter ihr der Scheitellappen. Die Seitenfurche begrenzt den Schläfenlappen nach oben und trennt ihn von darüberliegenden Stirn- und Scheitelregionen. [1] [17]

Der Hinterhauptslappen nimmt den hinteren Teil der Hemisphäre ein. Auf der Innenfläche ist die parieto-okzipitale Furche eine gut erkennbare Orientierung. Außen wird ein Teil der Grenze zu Nachbarlappen gedanklich ergänzt. Die Inselrinde liegt verborgen in der Tiefe der Seitenfurche. Rindenanteile aus Stirn-, Scheitel- und Schläfenregion bedecken sie als Opercula. [1] [17]

Die Namen der Lappen beziehen sich auf ihre Lage im Schädel. Innerhalb eines Lappens liegen mehrere Gebiete mit verschiedenen Verbindungen. Auch benachbarte Windungen können sich in Zellaufbau und Funktion unterscheiden. Eine Lappenkarte liefert damit die grobe anatomische Orientierung; für einen konkreten Verarbeitungsvorgang verfolgt man zusätzlich die beteiligten Rindenfelder und ihre Verbindungen. [1] [10]

Rindenfelder verbinden Körperkarten mit verteilten Aufgaben

Unmittelbar vor der Zentralfurche liegt der Gyrus praecentralis mit der primären motorischen Rinde. Hinter ihr liegt der Gyrus postcentralis mit der primären somatosensorischen Rinde. Körperregionen sind dort in einer geordneten räumlichen Folge repräsentiert. Die Größe der jeweiligen Rindenrepräsentation hängt mit der Verarbeitung zusammen und entspricht daher einer anderen Karte als den äußerlich sichtbaren Körperproportionen. [1] [10]

Die primäre Sehrinde liegt überwiegend auf der Innenfläche des Hinterhauptslappens in der Nachbarschaft der Fissura calcarina. Die primäre Hörrinde liegt auf quer verlaufenden Windungen an der oberen Fläche des Schläfenlappens, innerhalb der Seitenfurche. Die äußere Seitenansicht verdeckt somit wichtige Teile beider Sinnesfelder. Ihre genaue Lage wird in Schnitt- oder aufgeklappten Ansichten deutlicher. [1] [10]

Assoziationsgebiete verknüpfen Informationen über mehrere Verarbeitungsschritte. Beim Greifen werden beispielsweise visuelle Eigenschaften des Gegenstands mit Körperstellung, Ziel und Bewegungserfahrung verbunden. Verschiedene Rindenregionen tragen zur Auswahl und Vorbereitung der Handlung bei; motorische Ausgänge und sensorische Rückmeldung halten den weiteren Ablauf mit der Situation verbunden. Das Zusammenspiel benötigt anatomische Verbindungswege und zeitliche Abstimmung. [1] [36]

Sprache, räumliche Aufmerksamkeit und Handlungsplanung greifen ebenfalls auf verteilte Verbindungen zurück. Manche Aufgaben zeigen eine deutliche Seitengewichtung. Gleichzeitig stehen beide Hemisphären und mehrere beteiligte Netzwerke in Austausch. Für das anatomische Verständnis ist deshalb hilfreich, eine Verarbeitung zunächst regional zu verorten und anschließend die zugehörigen Zuflüsse und Ausgänge mitzudenken. [1] [10]

Der mikroskopische Rindenbau ordnet Ein- und Ausgänge

Ein großer Teil der Großhirnrinde gehört zum Neokortex, dessen Zellorganisation in sechs Schichten gegliedert wird. Die oberste liegt nahe der Pia, die tiefste an der weißen Substanz. Dazwischen unterscheiden sich Größe, Dichte und Form der Nervenzellen sowie die Verteilung von Fortsätzen. Diese Zytoarchitektur liefert eine zusätzliche Karte, die über die sichtbaren Lappengrenzen hinausreicht. [38]

Pyramidenzellen besitzen einen auffälligen zur Oberfläche gerichteten apikalen Dendriten und weitere basal abgehende Dendriten. Viele ihrer Axone verbinden die Region mit anderen Rinden- oder tieferen Gebieten. Lokale Interneurone ergänzen diese längeren Verbindungen innerhalb des Gewebes. In sensorischen und motorischen Rindenfeldern sind die Schichten unterschiedlich ausgeprägt. Ein mikroskopischer Schnitt macht damit die besondere Anschlussorganisation eines Rindenabschnitts sichtbar. [38]

Weiße Substanz bildet die Verbindung zwischen den Regionen

Graue Substanz enthält zahlreiche Nervenzellkörper, Dendriten, Synapsen und Gliazellen. Weiße Substanz ist besonders reich an myelinisierten Axonen. Im Großhirn überzieht graue Rinde die Oberfläche; unter ihr verläuft ein großes Fasersystem. Weitere graue Kerngebiete liegen in der Tiefe. Die Gewebefarbe macht dadurch vorherrschende Bestandteile sichtbar, während beide Bereiche auch Gefäße und unterstützende Zellen enthalten. [1] [10]

Assoziationsfasern verbinden Rindenregionen derselben Hemisphäre. Kurze Verbindungen ziehen zwischen benachbarten Windungen, längere Bündel zwischen weiter auseinanderliegenden Gebieten. Kommissuren verbinden die beiden Gehirnseiten. Die größte Kommissur ist das Corpus callosum, der Balken. Seine gebogene Form wird auf der Innenfläche besonders deutlich und liefert dort einen wichtigen räumlichen Bezugspunkt. [1] [10]

Projektionsfasern verbinden die Rinde mit tieferen Strukturen. Sie ziehen unter anderem zwischen Großhirnrinde, Thalamus, Hirnstamm und Rückenmark. In der inneren Kapsel, Capsula interna, liegen viele dieser Fasern eng beieinander. Ein kleiner räumlicher Bereich kann dadurch Verbindungen für mehrere Körperfunktionen enthalten. Die eng gebündelten Verbindungen machen die innere Kapsel zu einem wichtigen Durchgang für mehrere Funktionswege. [8] [10]

Tiefe Kerne beteiligen sich an Handlung, Gedächtnis und Bedeutung

Zu den tiefen Großhirnkernen gehören Nucleus caudatus, Putamen und Globus pallidus. Zusammen mit weiteren funktionell verbundenen Gebieten werden sie im Zusammenhang der Basalganglien betrachtet. Das Striatum bildet eine wichtige Eingangsregion für Signale aus der Rinde. Über weitere Kerne und thalamische Rückwege entstehen Schleifen, die erneut kortikale Verarbeitung erreichen. [15] [16]

Diese Schleifen wirken an Auswahl, Einleitung und Anpassung von Handlungen mit. Ausgänge aus den Basalganglien beeinflussen andere motorische Verarbeitungsgebiete; die Verbindung zur Skelettmuskulatur führt über nachgeschaltete zentrale Netzwerke und Motoneurone. Die räumliche Schleifenorganisation erklärt, weshalb Handlungsvorbereitung und laufende Ausführung über mehrere miteinander gekoppelte Ebenen verteilt sind. [15] [16] [36]

Der Hippocampus liegt im medialen Schläfenlappen. Er ist an der Bildung und Organisation bestimmter Gedächtnisinhalte beteiligt. Frühe Falluntersuchungen nach beidseitigen medialen Temporaloperationen machten die Bedeutung dieser Region für das Behalten neuer Erfahrungen deutlich. Die untersuchten Eingriffe betrafen auch Nachbarstrukturen und wurden später durch weitere Untersuchungsansätze ergänzt. [10] [34]

Die Amygdala liegt ebenfalls im medialen Schläfenbereich und besitzt Verbindungen zu kortikalen, hypothalamischen und Hirnstammregionen. Sie beteiligt sich an der Verarbeitung von Bedeutung und emotionaler Relevanz. Verbindungen zum Hypothalamus und anderen autonomen Regionen können diese Verarbeitung mit körperlichen Antworten verknüpfen. Anatomisch entsteht so eine Brücke zwischen Wahrnehmung, Erfahrung und innerer Regulation. [3] [9] [10]

Thalamus und Hypothalamus liegen an den inneren Räumen

Das Zwischenhirn umgibt wesentliche Teile des dritten Ventrikels. Zum Thalamus gehören mehrere Kerngruppen mit unterschiedlichen Verbindungen. Viele sensorische Wege und motorische Schleifen beziehen thalamische Stationen ein. Die zugehörigen Rückverbindungen aus der Rinde beeinflussen die Verarbeitung. Für eine konkrete Sinnesbahn ist daher entscheidend, welcher Kern erreicht wird und wohin dessen Axone weiterziehen. [1] [10] [35]

Unterhalb des Thalamus liegt der Hypothalamus. Sein Boden ist mit dem Hypophysenstiel und der Hypophyse verbunden; der dritte Ventrikel bildet einen inneren Bezug. Die Sehnervenkreuzung liegt vor beziehungsweise unter der vorderen hypothalamischen Region, die Corpora mamillaria weiter hinten. Diese Landmarken helfen, den relativ kleinen Bereich in einer großen Gehirnansicht wiederzufinden. [9]

Hypothalamische Netzwerke verarbeiten unter anderem Wasser- und Energieverfügbarkeit, Temperatur und zeitbezogene Signale. Ihre Ausgänge erreichen autonome, hormonelle und verhaltensbezogene Systeme. Ein veränderter innerer Zustand kann so mehrere passende Antworten gemeinsam beeinflussen. Durst, hormonelle Wasserregulation und autonome Anpassung greifen beispielsweise über unterschiedliche Wege auf dieselbe körperliche Ausgangslage zu. [3] [6] [9]

Bestimmte große hypothalamische Neurone bilden Vasopressin oder Oxytocin und schicken ihre Axone zum Hypophysenhinterlappen. Dort werden die Hormone aus neuronalen Endigungen ins Blut freigesetzt. Die Verbindung enthält damit zunächst einen nervalen Transportweg und anschließend einen hormonellen Verteilungsweg. Weitere hypothalamische Systeme steuern den Hypophysenvorderlappen über die Blutgefäße seiner Portalverbindung. [6] [10]

Der Hirnstamm verbindet lange Bahnen mit lokalen Kerngebieten

Zum Hirnstamm werden Mittelhirn, Pons und Medulla oblongata gezählt. Er liegt vor dem Kleinhirn und verbindet höhere Gehirnregionen mit dem Rückenmark. In seinem Inneren verlaufen zahlreiche auf- und absteigende Bahnen neben Kerngebieten und lokalen Schaltungen. Besonders in einem Querschnitt liegen dadurch verschiedene Funktionen auf engem Raum nebeneinander. [1] [10]

Durch das Mittelhirn zieht der schmale Aquädukt zwischen drittem und viertem Ventrikel. Dorsal liegen die oberen und unteren Hügel, Colliculi superiores und inferiores, die an visueller beziehungsweise auditiver Verarbeitung beteiligt sind. Andere Bereiche enthalten unter anderem Substantia nigra, Nucleus ruber und Verbindungen für Augenbewegungen. Ihre Lage lässt sich über Aquädukt, Dach und ventrale Faseranteile orientieren. [1]

Der Pons bildet eine deutliche Vorwölbung an der Vorderseite. Seine pontinen Kerne erhalten kortikale Eingänge; quer verlaufende Fasern ziehen über den mittleren Kleinhirnstiel zur Gegenseite ins Kleinhirn. Gleichzeitig laufen längere Bahnen in Längsrichtung durch die Region. Hinter Pons und oberer Medulla liegt der Boden des vierten Ventrikels; das Kleinhirn bildet seine dorsale Nachbarschaft. [1] [14] [20]

Die Medulla setzt sich nach unten in das Rückenmark fort. Ventral liegen die Pyramiden mit absteigenden kortikospinalen Fasern; ein großer Anteil kreuzt im unteren Abschnitt auf die Gegenseite. Weitere Kerne und Netzwerke beteiligen sich an Schlucken, Kreislauf und Atmung. Die verteilte Formatio reticularis zieht durch den Hirnstamm und wirkt unter anderem an Wachheit und motorischer Regulation mit. [1] [3] [8] [10]

Hirnnerven verbinden zentrale Strukturen mit Kopf und Organen

Zwölf Hirnnervenpaare werden mit römischen Zahlen I bis XII bezeichnet. Ihre Verbindungen umfassen Riechen, Sehen, Augenbewegungen, Gesichtssensibilität, Mimik, Hören und Gleichgewicht sowie Funktionen von Zunge, Rachen und inneren Organen. Viele sind an Kerngruppen des Hirnstamms angeschlossen. Der anatomische Verlauf führt durch bestimmte Öffnungen der Schädelbasis und weiter zu peripheren Ziel- oder Rezeptorgebieten. [11] [39]

Für eine solche Strecke gehören mehrere Orte zur Übersicht: zentrale Kernregion, Austritt aus dem Gehirn, Durchtritt durch den Schädel und anschließender Verlauf. Sensorische Ganglien und autonome Umschaltstellen können zusätzlich beteiligt sein. Der Vagus verbindet Hirnstamm und zahlreiche Brust- und Bauchorgane. Die Seiten zu Auge und Ohr verfolgen weitere konkrete Anschlusswege. [4] [11] [39]

Das Kleinhirn arbeitet in Rückkopplung mit mehreren Systemen

Das Kleinhirn liegt in der hinteren Schädelgrube hinter dem Hirnstamm. Eine fein gefaltete Rinde umgibt die innere weiße Substanz; in der Tiefe liegen Kleinhirnkerne. Drei Paare von Kleinhirnstielen verbinden es mit dem Hirnstamm. Ihre Fasern führen unterschiedliche Zuflüsse und Ausgänge. Die Stiele sind damit die anatomischen Anschlusswege eines umfangreichen verarbeitenden Organs. [10] [14]

Bewegungsbezogene Informationen erreichen das Kleinhirn unter anderem aus Rückenmark, vestibulären Strukturen und über pontine Umschaltungen aus der Großhirnrinde. Diese Zuflüsse beziehen geplante Handlungen und aktuelle Rückmeldungen ein. Die verarbeiteten Ausgänge beeinflussen motorische Netzwerke über Kleinhirnkerne, Hirnstamm und thalamische Verbindungen. So werden Haltung, Augenbewegungen und Extremitätenbewegungen zeitlich abgestimmt. [14] [36]

Wiederholte Abläufe können durch Erfahrung angepasst werden. Unterschiede zwischen erwartetem und tatsächlich erreichtem Bewegungsablauf werden in den beteiligten Netzwerken verarbeitet. Neben der Motorik zeigen auch kognitive und sprachbezogene Aufgaben eine Beteiligung bestimmter Kleinhirnregionen. Bildgebende Untersuchungen untersuchen diese räumlichen Schwerpunkte als Teil größerer kortiko-zerebellärer Verbindungen. [10] [14] [33]

Häute und Liquorräume schaffen eine schützende Umgebung

Abbildung vergrößern ↗

Dura mater, Arachnoidea und Pia mater umgeben Gehirn und Rückenmark. Die Pia folgt der Oberfläche und ihren Furchen eng. Die Arachnoidea überspannt viele dieser Vertiefungen; darunter liegt der mit Liquor gefüllte Subarachnoidalraum. In diesem Raum verlaufen auch größere oberflächliche Hirngefäße. Die duralen Falten gliedern den Schädelraum zusätzlich und tragen zur mechanischen Organisation bei. [28] [31]

Im Inneren liegen zwei Seitenventrikel, der dritte und der vierte Ventrikel. Je ein Foramen interventriculare verbindet einen Seitenventrikel mit dem dritten Ventrikel. Der Aquädukt durch das Mittelhirn führt zum vierten. Dessen mittlere und seitliche Öffnungen verbinden die inneren Räume mit dem Subarachnoidalraum. Die anatomische Reihenfolge ist in unterschiedlichen Schnittebenen als durchgehender Zusammenhang nachvollziehbar. [19] [20]

Plexus choroidei bilden einen großen Anteil des Liquors durch regulierten Stoff- und Wassertransport über spezialisiertes Epithel. Flüssigkeit tauscht sich über mehrere Wege aus und verlässt die Schutzräume wieder. Die Seite Hirnhäute und Liquor verfolgt Schichten, Kammern, Barrieren und Abflusswege im Detail. Bei blockierten Verbindungen können sich vorgelagerte Ventrikel erweitern und die Druckbedingungen verändern. [7] [18] [19]

Gefäßwege versorgen das Gewebe kontinuierlich

Zwei große arterielle Zugänge erreichen das Gehirn. Die inneren Halsschlagadern bilden wesentliche Zuflüsse der vorderen Zirkulation. Die Wirbelarterien gelangen durch das Hinterhauptsloch in den Schädel und vereinigen sich zur Basilararterie; ihre Äste tragen zur Versorgung von Hirnstamm, Kleinhirn und hinteren Großhirngebieten bei. Verbindungsarterien an der Hirnbasis verknüpfen beide Zuflusssysteme im Circulus arteriosus. [1] [7]

Nach dem kapillären Austausch gelangt das venöse Blut über Hirnvenen und durale Sinus zurück. Diese Sinus sind endothelbegrenzte Abflussräume innerhalb der Duraorganisation. Ihr Verlauf ist mit den duralen Falten verbunden. Von den Sinus führen weitere venöse Wege zu den inneren Halsvenen. Blutgefäßraum und Liquorraum bleiben dabei unterschiedliche Kompartimente mit spezialisierten Austauschgrenzen. [7] [13] [31]

Die Blut-Hirn-Schranke wird wesentlich durch spezialisierte Endothelzellen mit dichten Kontakten und Transportproteinen gebildet. Perizyten, Basalmembranen und astrozytäre Endfüße gehören zur neurovaskulären Umgebung. Die kontrollierte Grenzfläche verbindet Versorgung mit der Erhaltung geeigneter Bedingungen für Nervenzellen. Ihre endothelialen Eigenschaften unterscheiden sie von der epithelialen Blut-Liquor-Barriere der Plexus. [13] [18]

Ein Gefäßverschluss oder eine Blutung kann Nervengewebe beeinträchtigen. Welche Funktionen ausfallen, hängt von Ort und Ausdehnung ab. Plötzlich auftretende Lähmung, Sprachstörung, Gesichtsfeldausfall oder schwere neue Gang- und Koordinationsstörung können Schlaganfallzeichen sein: sofort 112 wählen. Auch vorübergehend zurückgehende Beschwerden benötigen diese rasche Abklärung. Die medizinische Versorgung beginnt hier mit dem unverzüglichen Notruf. [21]

Vom Gehirnbild zu einem zusammenhängenden Funktionsweg

Ein Alltagsvorgang wie das Aufnehmen eines Trinkglases verbindet viele der beschriebenen Ebenen. Visuelle Verarbeitung erfasst Lage und Form, sensorische Rückmeldungen den Zustand von Arm und Hand. Kortikale und tiefe Netzwerke beteiligen sich an Auswahl und Planung. Hirnstamm und Rückenmark führen Ausgänge und Rückmeldungen zusammen; Motoneurone aktivieren schließlich die beteiligten Skelettmuskelfasern. [35] [36]

Während der Bewegung verändern sich Muskel- und Hautsignale fortlaufend. Das Kleinhirn und weitere Verbindungen unterstützen zeitliche Abstimmung und Anpassung. Zugleich können Kreislauf und andere innere Funktionen über zentrale autonome Netzwerke mit der Situation abgestimmt werden. Auf diese Weise verknüpft der Gehirnaufbau äußeres Handeln und innere Bedingungen in mehreren gleichzeitig arbeitenden Kreisen. [3] [14] [36]

Das Rückenmark vertieft die Verbindung zu den Körperregionen. Nervenzellen und Signalverarbeitung zeigen die zelluläre Ebene. Die autonome Organisation verfolgt die nervale Abstimmung innerer Organe. Diese Lesepfade verbinden den räumlichen Überblick mit konkreten Geweben und Signalwegen. [1] [3] [10]

Wichtige Begriffe und ihre Lage

Stirnlappen

Frontallappen; vorderer Großhirnlappen.

Scheitellappen

Parietallappen; liegt hinter der Zentralfurche.

Schläfenlappen

Temporallappen; seitlich unter der Seitenfurche.

Hinterhauptslappen

Okzipitallappen; hinterster Großhirnlappen.

Zentralfurche

Sulcus centralis; trennt Stirn- und Scheitellappen.

Seitenfurche

Sulcus lateralis; über dem Schläfenlappen, die Insel liegt in ihrer Tiefe.

Vordere Zentralwindung

Gyrus praecentralis; trägt die primäre motorische Rinde vor der Zentralfurche.

Hintere Zentralwindung

Gyrus postcentralis; trägt die primäre somatosensorische Rinde hinter der Zentralfurche.

Scheitel-Hinterhaupts-Furche

Sulcus parietooccipitalis; vor allem an der medialen Großhirnfläche erkennbare Grenze zum Hinterhauptslappen.

Diese Zusammenhänge vertiefen

• Das Rückenmark: Segmente, Bahnen und lokale Netzwerke
• Hirnhäute und Liquor: Schichten, Kammern und Austauschwege
• Nervenzellen: Aufbau, Signale und Verbindungen
• Das autonome Nervensystem: Organregulation in verbundenen Kreisen
• Netzhaut und Sehbahn