Basalganglien
| Basalganglien ⓘ | |
|---|---|
.svg) Basalganglien (rot) und verwandte Strukturen (blau) im Gehirn dargestellt | |
 Basalganglien in der Frontalansicht des Gehirns | |
| Einzelheiten | |
| Teil des | Großhirn |
| Bezeichnungen | |
| Lateinisch | Basale Kerne |
| Akronym(e) | BG |
| Anatomische Begriffe der Neuroanatomie [Bearbeiten auf Wikidata] | |
Die Basalganglien (BG), oder Basalkerne, sind eine Gruppe von subkortikalen Kernen unterschiedlichen Ursprungs im Gehirn von Wirbeltieren. Beim Menschen und einigen Primaten gibt es einige Unterschiede, vor allem in der Aufteilung des Globus pallidus in eine äußere und eine innere Region und in der Aufteilung des Striatums. Die Basalganglien befinden sich an der Basis des Vorderhirns und an der Spitze des Mittelhirns. Die Basalganglien sind eng mit der Großhirnrinde, dem Thalamus und dem Hirnstamm sowie mit verschiedenen anderen Hirnregionen verbunden. Die Basalganglien werden mit einer Vielzahl von Funktionen in Verbindung gebracht, darunter die Steuerung willkürlicher motorischer Bewegungen, prozedurales Lernen, Gewohnheitslernen, bedingtes Lernen, Augenbewegungen, Kognition und Emotionen. ⓘ
Die Hauptkomponenten der Basalganglien - so wie sie funktionell definiert sind - sind das Striatum, das sowohl aus dem dorsalen Striatum (Nucleus caudatus und Putamen) als auch aus dem ventralen Striatum (Nucleus accumbens und Tuberculum olfactorius) besteht, der Globus pallidus, das ventrale Pallidum, die Substantia nigra und der Nucleus subthalamicus. Jede dieser Komponenten weist eine komplexe interne anatomische und neurochemische Organisation auf. Die größte Komponente, das Striatum (dorsal und ventral), empfängt Input von vielen Hirnarealen außerhalb der Basalganglien, sendet aber nur Output an andere Komponenten der Basalganglien. Der Globus pallidus erhält Input aus dem Striatum und sendet hemmende Outputs an eine Reihe von motorisch relevanten Bereichen. Die Substantia nigra ist die Quelle des striatalen Inputs des Neurotransmitters Dopamin, der eine wichtige Rolle bei der Funktion der Basalganglien spielt. Der Nucleus subthalamicus erhält seinen Input hauptsächlich aus dem Striatum und der Großhirnrinde und projiziert zum Globus pallidus. ⓘ
Populären Theorien zufolge sind die Basalganglien in erster Linie an der Handlungsauswahl beteiligt - sie helfen bei der Entscheidung, welches von mehreren möglichen Verhaltensweisen zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeführt werden soll. Genauer gesagt besteht die Hauptfunktion der Basalganglien wahrscheinlich darin, die Aktivitäten der motorischen und prämotorischen kortikalen Areale zu kontrollieren und zu regulieren, damit willkürliche Bewegungen reibungslos ausgeführt werden können. Experimentelle Studien zeigen, dass die Basalganglien einen hemmenden Einfluss auf eine Reihe von motorischen Systemen ausüben, und dass eine Aufhebung dieser Hemmung es einem motorischen System ermöglicht, aktiv zu werden. Die "Verhaltensumschaltung", die in den Basalganglien stattfindet, wird durch Signale aus vielen Teilen des Gehirns beeinflusst, darunter auch aus dem präfrontalen Kortex, der eine Schlüsselrolle bei den exekutiven Funktionen spielt. Es wurde auch die Hypothese aufgestellt, dass die Basalganglien nicht nur für die Auswahl motorischer Handlungen, sondern auch für die Auswahl kognitiver Handlungen verantwortlich sind. Computergestützte Modelle der Handlungsauswahl in den Basalganglien berücksichtigen dies. ⓘ
Die Basalganglien sind von großer Bedeutung für die normale Gehirnfunktion und das Verhalten. Ihre Fehlfunktion führt zu einem breiten Spektrum neurologischer Erkrankungen, darunter Störungen der Verhaltenskontrolle und der Bewegung sowie kognitive Defizite, die denen ähneln, die sich aus einer Schädigung des präfrontalen Kortex ergeben. Zu den Verhaltensstörungen gehören das Tourette-Syndrom, Zwangsneurosen und Sucht. Zu den Bewegungsstörungen gehören vor allem die Parkinson-Krankheit, bei der es zu einer Degeneration der dopaminproduzierenden Zellen in der Substantia nigra kommt, die Huntington-Krankheit, bei der vor allem das Striatum geschädigt ist, Dystonie und seltener Hemiballismus. Die Basalganglien verfügen über einen limbischen Sektor, dessen Komponenten unterschiedliche Namen haben: Nucleus accumbens, ventrales Pallidum und ventraler tegmentaler Bereich (VTA). Es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass dieser limbische Teil eine zentrale Rolle beim Belohnungslernen sowie bei der Kognition und der Funktion des Frontallappens spielt, und zwar über die mesolimbische Bahn vom VTA zum Nucleus accumbens, die den Neurotransmitter Dopamin nutzt, und die mesokortikale Bahn. Es wird angenommen, dass eine Reihe von stark süchtig machenden Drogen, darunter Kokain, Amphetamin und Nikotin, durch eine Verstärkung der Wirksamkeit dieses Dopaminsignals wirken. Es gibt auch Hinweise darauf, dass eine Überaktivität der dopaminergen Projektion des VTA bei Schizophrenie eine Rolle spielt. ⓘ
Als Basalganglien oder Nuclei basales werden mehrere Kerne bzw. Kerngebiete des Endhirns (Telencephalon) zusammengefasst, die unterhalb der Großhirnrinde (Cortex cerebri) liegen. Diese subkortikalen basalen Kerne sind für wichtige funktionelle Aspekte motorischer, kognitiver und limbischer Regelungen von großer Bedeutung, beispielsweise für Spontaneität, Affekt, Initiative, Willenskraft, Antrieb, schrittweises Planen, vorwegnehmendes Denken, Erwartungen, motorische Selektion. ⓘ
Aufbau
In Bezug auf die Entwicklung wird das menschliche Zentralnervensystem häufig anhand der drei ursprünglichen Urbläschen klassifiziert, aus denen es sich entwickelt: Diese primären Vesikel bilden sich bei der normalen Entwicklung des Neuralrohrs des Embryos und umfassen zunächst das Prosencephalon, Mesencephalon und Rhombencephalon in rostraler bis kaudaler (vom Kopf zum Schwanz) Ausrichtung. Im weiteren Verlauf der Entwicklung des Nervensystems zerfällt jeder Abschnitt selbst in kleinere Komponenten. Während der Entwicklung werden die Zellen, die tangential einwandern, um die Basalganglien zu bilden, von den lateralen und medialen Ganglienausläufern geleitet. Die folgende Tabelle veranschaulicht diese entwicklungsbedingte Einteilung und leitet sie zu den anatomischen Strukturen der Basalganglien über. Die Strukturen, die für die Basalganglien relevant sind, sind in Fettdruck dargestellt. ⓘ
| Primäre Unterteilung des Neuralrohrs | Sekundäre Unterteilung | Endsegmente beim erwachsenen Menschen ⓘ |
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| Prosencephalon |
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| Mesencephalon |
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| Rhombencephalon |
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Anterior: Striatum, Globus pallidus (GPe und GPi)
Posterior: Subthalamischer Nukleus (STN), Substantia nigra (SN) ⓘ
Die Basalganglien bilden einen wesentlichen Bestandteil des Großhirns. Im Gegensatz zu der kortikalen Schicht, die die Oberfläche des Vorderhirns auskleidet, handelt es sich bei den Basalganglien um eine Ansammlung ausgeprägter Massen grauer Substanz, die tief im Gehirn unweit der Einmündung des Thalamus liegen. Sie liegen seitlich des Thalamus und umgeben diesen. Wie die meisten Teile des Gehirns bestehen auch die Basalganglien aus einer linken und einer rechten Seite, die praktisch spiegelbildlich zueinander sind. ⓘ
Anatomisch gesehen werden die Basalganglien in vier verschiedene Strukturen unterteilt, je nachdem, wie weit oben oder rostral sie sich befinden (mit anderen Worten, je nachdem, wie nahe sie am Scheitelpunkt des Kopfes liegen): Zwei von ihnen, das Striatum und das Pallidum, sind relativ groß; die beiden anderen, die Substantia nigra und der Nucleus subthalamicus, sind kleiner. In der Abbildung rechts sind zwei Koronalschnitte des menschlichen Gehirns zu sehen, die die Lage der Basalganglienkomponenten zeigen. Bemerkenswert ist, dass der Nucleus subthalamicus und die Substantia nigra weiter hinten im Gehirn liegen als das Striatum und das Pallidum, was in diesem Schnitt nicht zu sehen ist. ⓘ
Striatum
Das Striatum ist eine subkortikale Struktur, die im Allgemeinen in das dorsale Striatum und das ventrale Striatum unterteilt wird, obwohl eine medial-laterale Klassifizierung als verhaltensrelevanter vorgeschlagen wurde und immer häufiger verwendet wird. ⓘ
Das Striatum besteht hauptsächlich aus mittelgroßen Stachelneuronen. Diese GABAergen Neuronen projizieren in den äußeren (lateralen) Globus pallidus und den inneren (medialen) Globus pallidus sowie in die Substantia nigra pars reticulata. Die Projektionen in den Globus pallidus und die Substantia nigra sind in erster Linie dopaminerger Natur, obwohl auch Enkephalin, Dynorphin und Substanz P exprimiert werden. Das Striatum enthält auch Interneuronen, die in nitrerge Neuronen (aufgrund der Verwendung von Stickstoffmonoxid als Neurotransmitter), tonisch aktive (d. h. ständig Neurotransmitter freisetzende, sofern sie nicht gehemmt werden) cholinerge Interneuronen, Parvalbumin-exprimierende Neuronen und Calretinin-exprimierende Neuronen unterteilt werden. Das dorsale Striatum erhält bedeutende glutamaterge Eingänge aus dem Kortex sowie dopaminerge Eingänge aus der Substantia nigra pars compacta. Es wird allgemein davon ausgegangen, dass das dorsale Striatum an den sensomotorischen Aktivitäten beteiligt ist. Das ventrale Striatum erhält glutamaterge Eingänge aus den limbischen Bereichen sowie dopaminerge Eingänge aus dem VTA über die mesolimbische Bahn. Es wird angenommen, dass das ventrale Striatum eine Rolle bei der Belohnung und anderen limbischen Funktionen spielt. Das dorsale Striatum ist durch die innere Kapsel in das Caudat und das Putamen unterteilt, während das ventrale Striatum aus dem Nucleus accumbens und dem Tuberculum olfactorius besteht. Das Caudat hat drei primäre Konnektivitätsregionen, wobei der Kopf des Caudats eine Konnektivität mit dem präfrontalen Kortex, dem cingulären Kortex und der Amygdala aufweist. Der Körper und der Schwanz weisen eine Differenzierung zwischen dem dorsolateralen Rand und dem ventralen Caudat auf, die jeweils in die sensomotorischen und limbischen Regionen des Striatums projizieren. Striatopallidale Fasern verbinden das Striatum mit dem Pallidus. ⓘ
Pallidum
Das Pallidum besteht aus einer großen Struktur, dem Globus pallidus ("blasser Globus"), und einer kleineren ventralen Erweiterung, dem ventralen Pallidum. Der Globus pallidus erscheint als eine einzige neurale Masse, kann aber in zwei funktionell unterschiedliche Teile unterteilt werden, das innere (oder mediale) und das äußere (laterale) Segment, abgekürzt GPi und GPe. Beide Segmente enthalten in erster Linie GABAerge Neuronen, die daher hemmende Wirkungen auf ihre Ziele haben. Die beiden Segmente sind an unterschiedlichen neuronalen Schaltkreisen beteiligt. Das GPe erhält Input hauptsächlich aus dem Striatum und projiziert zum Nucleus subthalamicus. Das GPi empfängt Signale aus dem Striatum über die "direkten" und "indirekten" Bahnen. Die pallidalen Neuronen arbeiten nach dem Prinzip der Enthemmung. Diese Neuronen feuern in Abwesenheit von Input mit gleichbleibend hoher Rate, und Signale aus dem Striatum veranlassen sie, ihre Feuerrate zu pausieren oder zu reduzieren. Da die pallidalen Neuronen selbst hemmende Wirkungen auf ihre Ziele haben, besteht der Nettoeffekt des striatalen Inputs für das Pallidum in einer Verringerung der tonischen Hemmung, die von den pallidalen Zellen auf ihre Ziele ausgeübt wird (Disinhibition), bei gleichzeitiger Erhöhung der Feuerungsrate in den Zielen. ⓘ
Substantia nigra
Die Substantia nigra ist ein Teil der grauen Substanz im Mittelhirn der Basalganglien, der aus zwei Teilen besteht - der Pars compacta (SNc) und der Pars reticulata (SNr). SNr arbeitet oft mit GPi zusammen, und der SNr-GPi-Komplex hemmt den Thalamus. Die Substantia nigra pars compacta (SNc) hingegen produziert den Neurotransmitter Dopamin, der für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts in der striatalen Bahn sehr wichtig ist. Der nachstehende Schaltkreisteil erläutert die Rolle und die Schaltkreisverbindungen der einzelnen Komponenten der Basalganglien. ⓘ
Subthalamus-Kern
Der Nucleus subthalamicus ist ein Teil der grauen Substanz im Zwischenhirn der Basalganglien und der einzige Teil der Ganglien, der einen erregenden Neurotransmitter, nämlich Glutamat, produziert. Die Aufgabe des Nucleus subthalamicus besteht darin, den SNr-GPi-Komplex zu stimulieren, und er ist Teil des indirekten Weges. Der Nucleus subthalamicus erhält einen hemmenden Input vom äußeren Teil des Globus pallidus und sendet einen erregenden Input an den GPi. ⓘ
Verbindungen im Kreislauf
Es wurden mehrere Modelle für die Schaltkreise und die Funktion der Basalganglien vorgeschlagen, wobei jedoch Fragen bezüglich der strikten Trennung der direkten und indirekten Bahnen, ihrer möglichen Überschneidungen und ihrer Regulierung aufgeworfen wurden. Das Modell der Schaltkreise hat sich seit dem ersten Vorschlag von DeLong in den 1990er Jahren im Rahmen des Modells der parallelen Verarbeitung weiterentwickelt, bei dem die Hirnrinde und die Substantia nigra pars compacta in das dorsale Striatum projizieren und einen hemmenden indirekten und einen erregenden direkten Pfad bilden.
- Der hemmende indirekte Weg beinhaltet die Hemmung des Globus pallidus externus, was die Enthemmung des Globus pallidus internus (über den STN) ermöglicht, so dass dieser den Thalamus hemmen kann.
- Der direkte oder erregende Weg beinhaltete die Enthemmung des Thalamus durch die Hemmung des GPi/SNr. Die Geschwindigkeit des direkten Weges würde jedoch nicht mit dem indirekten Weg in diesem Modell übereinstimmen, was zu Problemen führt. Um dieses Problem zu lösen, wurden ein hyperdirekter Weg, bei dem der Kortex glutamaterge Projektionen durch den Nucleus subthalamicus sendet, die das hemmende GPe im Rahmen des Center-Surround-Modells anregen, sowie ein kürzerer indirekter Weg vorgeschlagen. ⓘ
Im Allgemeinen werden die Schaltkreise der Basalganglien in fünf Bahnen unterteilt: eine limbische, zwei assoziative (präfrontale), eine okulomotorische und eine motorische Bahn. (Die motorischen und okulomotorischen Bahnen werden manchmal zu einer motorischen Bahn zusammengefasst). Die fünf allgemeinen Bahnen sind wie folgt gegliedert:
- Die motorische Schleife umfasst Projektionen aus dem supplementären motorischen Areal, dem arcuaten prämotorischen Areal, dem motorischen Kortex und dem somatosensorischen Kortex in das Putamen, das in das ventrolaterale GPi und das kaudolaterale SNr projiziert, das über den Ventralis lateralis pars medialis und den Ventralis lateralis pars oralis in den Kortex projiziert.
- Die okulomotorische Schleife umfasst Projektionen aus den frontalen Augenfeldern, dem dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) und dem posterioren parietalen Kortex in den Caudat, in den kaudalen dorsomedialen GPi und den ventrolateralen SNr und schließlich zurück in den Kortex durch den lateralen ventralis anterior pars magnocellularis (VAmc).
- Der erste kognitiv-assoziative Pfad führt vom DLPFC in den dorsolateralen Caudat, gefolgt von einer Projektion in die laterale dorsomediale GPi und die rostrale SNr, bevor er in die laterale VAmc und die mediale Pars magnocellularis projiziert wird.
- Als zweiter kognitiver/assoziativer Pfad wird ein Kreislauf vorgeschlagen, der vom lateralen orbitofrontalen Kortex, dem Gyrus temporalis und dem anterioren cingulären Kortex in den ventromedialen Caudat projiziert, gefolgt von einer Projektion in den lateromedialen GPi und den rostrolateralen SNr, bevor er über den medialen VAmc und den medialen Magnocellularis in den Kortex einmündet.
- Der limbische Schaltkreis umfasst die Projektionen aus dem ACC, dem Hippocampus, dem entorhinalen Kortex und der Insula in das ventrale Striatum, dann in den rostrodorsalen GPi, das ventrale Pallidum und den rostrodorsalen SNr, gefolgt von einer Schleife zurück in den Kortex durch den posteromedialen Teil des medialen dorsalen Nucleus. Es wurden jedoch weitere Unterteilungen der Schleifen vorgeschlagen, bis zu 20.000. ⓘ
Der direkte Weg, der seinen Ursprung im dorsalen Striatum hat, hemmt den GPi und SNr, was zu einer Nettoenthemmung oder -erregung des Thalamus führt. Dieser Pfad besteht aus mittelgroßen Stachelneuronen (MSN), die den Dopaminrezeptor D1, den muskarinischen Acetylcholinrezeptor M4 und den Adenosinrezeptor A1 exprimieren. Es wird angenommen, dass der direkte Signalweg motorische Handlungen, die zeitliche Abstimmung motorischer Handlungen, die Steuerung des Arbeitsgedächtnisses und motorische Reaktionen auf bestimmte Reize erleichtert. ⓘ
Der (lange) indirekte Weg hat seinen Ursprung im dorsalen Striatum und hemmt das GPe, was zur Enthemmung des GPi führt, das dann frei ist, den Thalamus zu hemmen. Diese Bahn besteht aus MSN, die den Dopaminrezeptor D2, den muskarinischen Acetylcholinrezeptor M1 und den Adenosinrezeptor A2a exprimieren. Es wird angenommen, dass dieser Weg zu einer globalen motorischen Hemmung (Hemmung der gesamten motorischen Aktivität) und zur Beendigung von Reaktionen führt. Ein anderer kürzerer indirekter Weg wurde vorgeschlagen, der eine kortikale Erregung des Nucleus subthalamicus beinhaltet, die zu einer direkten Erregung des GPe und einer Hemmung des Thalamus führt. Es wird angenommen, dass dieser Weg zur Hemmung spezifischer motorischer Programme führt, die auf assoziativem Lernen beruhen. ⓘ
Eine Kombination dieser indirekten Bahnen, die zu einer hyperdirekten Bahn führt, die eine Hemmung der Basalganglien-Eingänge neben einem bestimmten Fokus bewirkt, wurde als Teil der Center Surround-Theorie vorgeschlagen. Es wird angenommen, dass dieser hyperdirekte Weg vorzeitige Reaktionen hemmt oder die Basalganglien global hemmt, um eine spezifischere Top-down-Kontrolle durch den Kortex zu ermöglichen. ⓘ
Die Wechselwirkungen dieser Bahnen sind derzeit umstritten. Einige behaupten, dass alle Bahnen direkt in einer "Push-Pull"-Manier gegeneinander wirken, während andere die "Center-Surround"-Theorie vertreten, bei der ein fokussierter Input in den Kortex durch die Hemmung konkurrierender Inputs durch die übrigen indirekten Bahnen geschützt wird. ⓘ
Neurotransmitter
Die Basalganglien enthalten viele afferente glutamaterge Eingänge mit überwiegend GABAergen efferenten Fasern, modulierende cholinerge Bahnen, bedeutendes Dopamin in den Bahnen, die aus dem ventralen tegmentalen Areal und der Substantia nigra stammen, sowie verschiedene Neuropeptide. Zu den Neuropeptiden in den Basalganglien gehören Substanz P, Neurokinin A, Cholecystokinin, Neurotensin, Neurokinin B, Neuropeptid Y, Somatostatin, Dynorphin und Enkephalin. Weitere Neuromodulatoren in den Basalganglien sind Stickstoffmonoxid, Kohlenmonoxid und Phenylethylamin. ⓘ
Funktionelle Konnektivität
Die funktionelle Konnektivität, die in funktionellen Neuroimaging-Studien durch regionale Koaktivierung gemessen wurde, stimmt weitgehend mit den Parallelverarbeitungsmodellen der Basalganglienfunktion überein. Das Putamen war im Allgemeinen mit motorischen Arealen wie dem supplementären motorischen Areal, dem kaudalen anterioren cingulären Kortex und dem primären motorischen Kortex koaktiviert, während das kaudale und das rostrale Putamen häufiger mit dem rostralen ACC und dem DLPFC koaktiviert waren. Das ventrale Striatum war in signifikanter Weise mit der Amygdala und dem Hippocampus assoziiert, was zwar in den ersten Formulierungen von Basalganglienmodellen nicht enthalten war, aber in neueren Modellen als Zusatz aufgenommen wurde. ⓘ
Funktion
Augenbewegungen
Eine intensiv untersuchte Funktion der Basalganglien ist ihre Rolle bei der Steuerung der Augenbewegungen. Die Augenbewegungen werden durch ein weit verzweigtes Netz von Hirnregionen beeinflusst, das in einem Mittelhirnareal namens Superior Colliculus (SC) zusammenläuft. Der SC ist eine mehrschichtige Struktur, deren Schichten zweidimensionale retinotopische Karten des visuellen Raums bilden. Eine "Beule" der neuronalen Aktivität in den tiefen Schichten des SC führt zu einer Augenbewegung, die auf den entsprechenden Punkt im Raum gerichtet ist. ⓘ
Der SC erhält eine starke hemmende Projektion von den Basalganglien, die ihren Ursprung in der Substantia nigra pars reticulata (SNr) hat. Die Neuronen in der SNr feuern normalerweise kontinuierlich mit hoher Frequenz, aber zu Beginn einer Augenbewegung "pausieren" sie und entbinden so den SC von seiner Hemmung. Augenbewegungen aller Art sind mit dem "Innehalten" im SNr verbunden; einzelne SNr-Neuronen können jedoch stärker mit bestimmten Arten von Bewegungen verbunden sein als andere. Neuronen in einigen Teilen des Nucleus caudatus zeigen ebenfalls eine mit Augenbewegungen verbundene Aktivität. Da die überwiegende Mehrheit der Zellen des Nucleus caudatus mit sehr niedrigen Raten feuert, zeigt sich diese Aktivität fast immer als Anstieg der Feuerungsrate. Augenbewegungen beginnen also mit einer Aktivierung im Nucleus caudatus, der über die direkten GABA-ergen Projektionen den SNr hemmt, der wiederum den SC enthemmt. ⓘ
Rolle bei der Motivation
Extrazelluläres Dopamin in den Basalganglien wurde bei Nagetieren mit Motivationszuständen in Verbindung gebracht, wobei ein hoher Dopaminspiegel mit Sättigung, ein mittlerer mit Verlangen und ein niedriger mit Abneigung in Verbindung gebracht wird. Die Schaltkreise der limbischen Basalganglien werden stark durch extrazelluläres Dopamin beeinflusst. Ein erhöhter Dopaminspiegel führt zu einer Hemmung des ventralen Pallidums, des Nucleus entopeduncularis und der Substantia nigra pars reticulata und damit zu einer Enthemmung des Thalamus. Dieses Modell der direkten D1- und indirekten D2-Signalwege erklärt, warum selektive Agonisten jedes Rezeptors nicht belohnend wirken, da für die Enthemmung eine Aktivität auf beiden Signalwegen erforderlich ist. Die Enthemmung des Thalamus führt zu einer Aktivierung des präfrontalen Kortex und des ventralen Striatums, die selektiv zu einer erhöhten D1-Aktivität und damit zu einer Belohnung führen. Aus elektrophysiologischen Studien an nicht-menschlichen Primaten und Menschen gibt es außerdem Hinweise darauf, dass andere Strukturen der Basalganglien, darunter der Globus pallidus internus und der Nucleus subthalamicus, an der Belohnungsverarbeitung beteiligt sind. ⓘ
Entscheidungsfindung
Für die Basalganglien sind zwei Modelle vorgeschlagen worden. Das eine besagt, dass Handlungen von einem "Kritiker" im ventralen Striatum erzeugt werden, der den Wert schätzt, und dass die Handlungen von einem "Akteur" im dorsalen Striatum ausgeführt werden. Ein anderes Modell geht davon aus, dass die Basalganglien als Selektionsmechanismus fungieren, wobei die Handlungen im Kortex erzeugt und von den Basalganglien kontextabhängig ausgewählt werden. Die CBGTC-Schleife ist auch an der Diskontierung von Belohnungen beteiligt, wobei das Feuern bei einer unerwarteten oder größeren als der erwarteten Belohnung zunimmt. Eine Übersichtsarbeit unterstützt die Idee, dass der Kortex am Erlernen von Handlungen unabhängig von deren Ergebnis beteiligt ist, während die Basalganglien an der Auswahl geeigneter Handlungen auf der Grundlage von assoziativem belohnungsbasiertem Versuch-und-Irrtum-Lernen beteiligt sind. ⓘ
Arbeitsgedächtnis
Es wurde vorgeschlagen, dass die Basalganglien kontrollieren, was ins Arbeitsgedächtnis gelangt und was nicht. Eine Hypothese besagt, dass der direkte Pfad (Go oder erregend) Informationen in das PFC eindringen lässt, wo sie unabhängig vom Pfad verbleiben, während eine andere Theorie besagt, dass der direkte Pfad weiterhin nachhallen muss, damit Informationen im PFC verbleiben. Es wird angenommen, dass der kurze indirekte Signalweg in einem direkten Push-Pull-Antagonismus mit dem direkten Signalweg das Tor zum PFC schließt. Zusammen regulieren diese Mechanismen den Fokus des Arbeitsgedächtnisses. ⓘ
Klinische Bedeutung
Basalganglienerkrankungen sind eine Gruppe von Bewegungsstörungen, die entweder auf eine übermäßige Leistung der Basalganglien an den Thalamus (hypokinetische Störungen) oder auf eine unzureichende Leistung (hyperkinetische Störungen) zurückzuführen sind. Hypokinetische Störungen entstehen durch eine übermäßige Leistung der Basalganglien, die die Leistung des Thalamus an den Kortex hemmt und so die willkürliche Bewegung einschränkt. Hyperkinetische Störungen resultieren aus einem geringen Output der Basalganglien an den Thalamus, der die Thalamusprojektionen an den Kortex nicht ausreichend hemmt und somit zu unkontrollierten/unwillkürlichen Bewegungen führt. Eine Funktionsstörung der Basalganglien kann auch zu anderen Störungen führen. ⓘ
Es folgt eine Liste von Störungen, die mit den Basalganglien in Verbindung gebracht werden: ⓘ
- Sucht
- Athetose
- Athymhormisches Syndrom (PAP-Syndrom)
- Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHD)
- Blepharospasmus
- Bruxismus
- Zerebralparese: Schädigung der Basalganglien während des zweiten und dritten Trimesters der Schwangerschaft
- Chorea
- Dystonie
- Epilepsie
- Morbus Fahr
- Fremdakzent-Syndrom (FAS)
- Huntington-Krankheit
- Kernikterus
- Lesch-Nyhan-Syndrom
- Major depressive Störung
- Zwanghafte Störungen
- Andere Angststörungen
- PANDAS (Störung)
- Parkinson-Krankheit
- Syndrom der ruhelosen Beine
- Spasmodische Dysphonie
- Stottern
- Sydenhamsche Chorea
- Tardive Dyskinesie, verursacht durch chronische antipsychotische Behandlung
- Tourette-Syndrom
- Wilson-Krankheit ⓘ
Beim „Morbus Parkinson“ kommt es infolge einer chronisch fortschreitenden Degeneration der von der Substantia nigra, Pars compacta (SNc) ausgehenden dopaminergen Transmission zu einer pathologischen Veränderung der striatalen Modulation, die in sehr unterschiedlichem Ausmaß zu Muskeltonusveränderungen (Rigor), Bewegungsverarmung (Hypokinese), Zittern (Tremor), Haltungsinstabilität, vermindertem Geruchssinn (Hyposmie) und anderen Symptomen führen kann. ⓘ
Bei frühkindlichen, perinatalen Hirnschädigungen (z. B. Kernikterus, Sauerstoffmangel) sind Schädigungen der Basalganglien mit Veränderungen des Muskeltonus (z. B. Athetose) häufig. Bei Morbus Wilson kommt es durch Kupferablagerung u. a. in den Basalganglien zu komplexen motorischen und psychischen Funktionsstörungen. ⓘ
Geschichte
Die Annahme, dass das Basalgangliensystem ein großes zerebrales System darstellt, brauchte einige Zeit, um sich durchzusetzen. Die erste anatomische Identifizierung verschiedener subkortikaler Strukturen wurde von Thomas Willis im Jahr 1664 veröffentlicht. Viele Jahre lang wurde der Begriff Corpus striatum verwendet, um eine große Gruppe von subkortikalen Elementen zu beschreiben, von denen sich später herausstellte, dass sie funktionell nicht miteinander verbunden waren. Viele Jahre lang wurden das Putamen und der Nucleus caudatus nicht miteinander in Verbindung gebracht. Stattdessen war das Putamen mit dem Pallidum in dem so genannten Nucleus lenticularis oder Nucleus lentiformis verbunden. ⓘ
Eine gründliche Überarbeitung durch Cécile und Oskar Vogt (1941) vereinfachte die Beschreibung der Basalganglien, indem sie den Begriff Striatum vorschlugen, um die Gruppe von Strukturen zu beschreiben, die aus dem Nucleus caudatus, dem Putamen und der sie ventral verbindenden Masse, dem Nucleus accumbens, besteht. Das Striatum erhielt seinen Namen aufgrund des gestreiften Aussehens, das durch die strahlenförmig angeordneten dichten Bündel der striato-pallido-nigralen Axone entsteht, die von dem Anatomen Samuel Alexander Kinnier Wilson (1912) als "bleistiftartig" beschrieben wurden. ⓘ
Die anatomische Verbindung zwischen dem Striatum und seinen primären Zielen, dem Pallidum und der Substantia nigra, wurde erst später entdeckt. Der Name Globus pallidus wurde von Déjerine auf Burdach (1822) zurückgeführt. Vogts schlug dafür das einfachere "pallidum" vor. Der Begriff "locus niger" wurde von Félix Vicq-d'Azyr (1786) als "tache noire" eingeführt, obwohl diese Struktur seither als Substantia nigra bekannt geworden ist, was auf Beiträge von Sömmering (1788) zurückzuführen ist. Die strukturelle Ähnlichkeit zwischen der Substantia nigra und dem Globus pallidus wurde 1896 von Mirto festgestellt. Beide zusammen werden als pallidonigrales Ensemble bezeichnet, das den Kern der Basalganglien darstellt. Insgesamt sind die Hauptstrukturen der Basalganglien durch das striato-pallido-nigrale Bündel miteinander verbunden, das durch das Pallidum verläuft, die innere Kapsel als "Kamm-Bündel von Edinger" durchquert und schließlich die Substantia nigra erreicht. ⓘ
Weitere Strukturen, die später mit den Basalganglien in Verbindung gebracht wurden, sind der "Körper von Luys" (1865) (Nucleus von Luys auf der Abbildung) oder der Nucleus subthalamicus, dessen Läsion bekanntermaßen zu Bewegungsstörungen führt. In jüngerer Zeit werden auch andere Bereiche wie der Nucleus centromedianus und der pedunculopontine Komplex als Regulatoren der Basalganglien angesehen. ⓘ
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde das Basalgangliensystem erstmals mit motorischen Funktionen in Verbindung gebracht, da Läsionen dieser Bereiche beim Menschen häufig zu Bewegungsstörungen führten (Chorea, Athetose, Parkinson-Krankheit). ⓘ
Terminologie
Die Nomenklatur des Basalgangliensystems und seiner Komponenten war schon immer problematisch. Frühe Anatomen, die die makroskopische anatomische Struktur sahen, aber nichts über die zelluläre Architektur oder die Neurochemie wussten, fassten Komponenten zusammen, von denen man heute annimmt, dass sie unterschiedliche Funktionen haben (z. B. die internen und externen Segmente des Globus pallidus), und gaben Komponenten, von denen man heute annimmt, dass sie funktionell Teile einer einzigen Struktur sind (z. B. Nucleus caudatus und Putamen), unterschiedliche Namen. ⓘ
Der Begriff "basal" rührt daher, dass sich die meisten Elemente im basalen Teil des Vorderhirns befinden. Der Begriff Ganglien ist eine falsche Bezeichnung: Im modernen Sprachgebrauch werden Nervenverbände nur im peripheren Nervensystem als "Ganglien" bezeichnet; im zentralen Nervensystem werden sie "Kerne" genannt. Aus diesem Grund werden die Basalganglien gelegentlich auch als "Basalkerne" bezeichnet. Terminologia anatomica (1998), die internationale Autorität für anatomische Bezeichnungen, hat die Bezeichnung "nuclei basales" beibehalten, die jedoch nicht allgemein verwendet wird. ⓘ
Die International Basal Ganglia Society (IBAGS) geht informell davon aus, dass die Basalganglien aus dem Striatum, dem Pallidum (mit zwei Kernen), der Substantia nigra (mit ihren zwei getrennten Teilen) und dem Nucleus subthalamicus bestehen, während die Terminologia anatomica die letzten beiden ausschließt. Einige Neurologen zählen den Nucleus centromedianus des Thalamus zu den Basalganglien, einige auch den Nucleus pedunculopontinus. ⓘ
Andere Tiere
Die Basalganglien gehören zu den grundlegenden Bestandteilen des Vorderhirns und sind bei allen Wirbeltierarten zu finden. Sogar beim Neunauge (das im Allgemeinen als eines der primitivsten Wirbeltiere gilt) lassen sich die striatalen, pallidalen und nigralen Elemente anhand der Anatomie und Histochemie identifizieren. ⓘ
Die Bezeichnungen für die verschiedenen Kerne der Basalganglien sind bei den einzelnen Arten unterschiedlich. Bei Katzen und Nagetieren wird der innere Globus pallidus als Nucleus entopeduncularis bezeichnet. Bei Vögeln wird das Striatum als paleostriatum augmentatum und der äußere Globus pallidus als paleostriatum primitivum bezeichnet. ⓘ
In der vergleichenden Anatomie der Basalganglien stellt sich die Frage, wie sich dieses System im Laufe der Phylogenese als konvergente kortikale Reentrant-Schleife in Verbindung mit der Entwicklung und Ausdehnung des Rindenmantels entwickelt hat. Es gibt jedoch eine Kontroverse darüber, inwieweit eine konvergente selektive Verarbeitung im Gegensatz zu einer segregierten parallelen Verarbeitung innerhalb reentrant geschlossener Schleifen der Basalganglien stattfindet. Unabhängig davon erfolgt die Umwandlung der Basalganglien in ein kortikal reentrantes System in der Evolution der Säugetiere durch eine Umleitung des pallidalen (oder "paleostriatum primitivum") Outputs von Zielen im Mittelhirn wie dem Colliculus superior, wie es im Gehirn der Sauropsiden der Fall ist, zu bestimmten Regionen des ventralen Thalamus und von dort zurück zu bestimmten Regionen der Großhirnrinde, die eine Teilmenge der in das Striatum projizierten kortikalen Regionen bilden. Die abrupte rostrale Umlenkung des Weges vom inneren Segment des Globus pallidus in den ventralen Thalamus - über den Weg der Ansa lenticularis - könnte als Fußabdruck dieser evolutionären Umwandlung des Basalganglienabflusses und der gezielten Beeinflussung angesehen werden. ⓘ
Siehe auch
- Alexander Cools
- Nathaniel A. Buchwald ⓘ
Zusätzliche Bilder
Grün hervorgehobene Basalganglien auf koronalen T1-MRT-Bildern
Grün hervorgehobene Basalganglien auf sagittalen T1-MRT-Bildern
Grün hervorgehobene Basalganglien auf transversalen T1-MRT-Bildern ⓘ
Gating-Theorie
Wie oben beschrieben, wird die Filterfunktion der Basalganglien, bzw. des Striatum als Gating bezeichnet. Die Gating-Theorie an sich ist neuroanatomisch und -physiologisch relativ gut etabliert, findet sich jedoch unter diesem Namen zurzeit fast nur in neuropsychologischen Publikationen. Dies ist für die Validität der Gating-Theorie ausgesprochen wichtig, da Gating an sich inhaltlich nichts Neues darstellt, sondern nur einen anderen Namen für ein bereits bestehendes Konzept.
Aus der Gating-Theorie lässt sich eine Reihe von anderen Theorien ableiten, Krankheiten erklären und interindividuelle Unterschiede bezüglich der Persönlichkeit des Menschen beschreiben:
- Tic-Störungen als Fehlverschaltung der Basalganglien, bei denen ein immer wiederkehrendes Bewegungsmuster ausgeführt wird, indem gewisse Verhaltenspläne durch das Striatum falsch prozessiert werden.
- ADHS: Hier vermuten manche Forscher ähnliche Verschaltungsmuster wie bei Tic-Störungen, nur dass in diesem Falle nicht ein bestimmtes Verhaltensmuster falsch prozessiert würde, sondern eine generelle inadäquate Filterfunktion vorliegt, in der redundantes oder „unangebrachtes“ Verhalten erregt wird (Hyperaktivität), während neue Verhaltenspläne fehlerhaft gehemmt werden (Aufmerksamkeitsdefizit).
- Zwangsstörung: Die Gating-Theorie der Zwangsstörungen ist vergleichbar mit der der Tic-Störungen, wobei sie wissenschaftlich und auch nach Meinung vieler Fachleute eher „auf wackeligen Beinen“ steht, da sie zwar Zwangshandlungen erklären kann, jedoch weder Zwangsgedanken, noch die affektive Komponente der Zwangsstörung. ⓘ
Ein weiterer Erklärungsansatz aus der Gating-Theorie ist der der interindividuellen Persönlichkeitsunterschiede: Hans Jürgen Eysenck beschrieb einen der bis heute etabliertesten Persönlichkeitsfaktoren als Extraversion vs. Introversion und erklärte ihn über kortikale Grunderregung. Diese neurophysiologische Erklärung wird jedoch mittlerweile immer häufiger hinterfragt. Neuere Forschung versucht, diese Persönlichkeitsdimension über das Gating zu erklären. Demnach haben Introvertierte ein effizienteres Gating im Vergleich zu Extravertierten, weshalb Extravertierte ihr Gating (also die Fähigkeit des Striatums, Verhaltenspläne adäquat zu prozessieren) verstärken müssen, indem sie zusätzliche internale oder externale sensorische Stimuli suchen. Hierdurch wird, nach der Theorie, die glutamaterge Projektion der Hirnrinde auf das Striatum verstärkt, wodurch dieses nun besser filtern kann. Diese Theorie erklärt beispielsweise, warum Extravertierte besser Lernen, wenn sie z. B. Musik hören, während Introvertierte hierdurch eher abgelenkt werden. ⓘ
Die Gating-Theorie im weiteren Sinne ist vielversprechend, steckt jedoch zurzeit noch in ihren Anfängen. Viele der Subtheorien sind wissenschaftlich fundiert, wobei die Verknüpfungen teilweise (obwohl logisch) noch schlecht bis gar nicht untersucht sind. ⓘ