Frontallappen

Frontallappen ⓘ
Frontallappen Temporallappen Parietallappen Occipital lappen Hauptfissuren und Lappen des Großhirns in der Seitenansicht. (Der Frontallappen ist blau dargestellt.)
Einzelheiten
Teil des	Großhirn
Arterie	Vordere Großhirnarterie Mittlere Zerebralarterie
Bezeichnungen
Lateinisch	lobus frontalis
Akronym(e)	FL
Anatomische Begriffe der Neuroanatomie

Der Frontallappen ist der größte der vier großen Hirnlappen bei Säugetieren und befindet sich an der Vorderseite jeder Großhirnhälfte (vor dem Scheitellappen und dem Schläfenlappen). Er ist vom Scheitellappen durch eine Furche zwischen den Geweben, den so genannten zentralen Sulcus, und vom Schläfenlappen durch eine tiefere Furche, den so genannten lateralen Sulcus (Sylvianspalte), getrennt. Der vorderste, abgerundete Teil des Frontallappens (der allerdings nicht genau definiert ist) wird als Frontalpol bezeichnet, einer der drei Pole des Großhirns. ⓘ

Der Frontallappen wird von der Frontalrinde bedeckt. Der frontale Kortex umfasst den prämotorischen Kortex und den primären motorischen Kortex - Teile des motorischen Kortex. Der vordere Teil des frontalen Kortex wird durch den präfrontalen Kortex abgedeckt. ⓘ

Im Frontallappen gibt es vier Hauptgyri. Der präzentrale Gyrus liegt direkt vor dem zentralen Sulcus, verläuft parallel zu diesem und enthält den primären motorischen Kortex, der die willkürlichen Bewegungen bestimmter Körperteile steuert. Drei horizontal angeordnete Unterabschnitte des Gyrus frontalis sind der Gyrus frontalis superior, der Gyrus frontalis middle und der Gyrus frontalis inferior. Der Gyrus frontalis inferior ist in drei Teile unterteilt: den orbitalen Teil, den dreieckigen Teil und den operculären Teil. ⓘ

Der Frontallappen enthält die meisten Dopamin-Neuronen in der Großhirnrinde. Die dopaminergen Bahnen werden mit Belohnung, Aufmerksamkeit, Kurzzeitgedächtnisaufgaben, Planung und Motivation in Verbindung gebracht. Dopamin neigt dazu, sensorische Informationen, die vom Thalamus zum Vorderhirn gelangen, zu begrenzen und auszuwählen. ⓘ

Die Frontallappen oder Stirnlappen (Lobus frontalis) sind ein Bereich im Gehirn der Säugetiere. Es handelt sich dabei um jeweils die vorderen Lappen (Lobi) der beiden Hälften des Großhirns (Telencephalon). Der Frontallappen bildet einen von vier Teilen des Neokortex, die jeweils unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Beim Menschen macht er mehr als 30 % der Großhirnrinde aus. ⓘ

Der Frontallappen erfüllt motorische Funktionen, d. h., er steuert und kontrolliert also Bewegungen. Das Stirnhirn gilt allgemein als Sitz der individuellen Persönlichkeit und des Sozialverhaltens. Da es als menschlichster Teil des Gehirns betrachtet wird, bezeichnen manche Autoren den Frontallappen auch als das „Organ der Zivilisation“. ⓘ

Aufbau

Frontallappen (rot) der linken Großhirnhemisphäre. ⓘ

Der Frontallappen ist der größte Lappen des Gehirns und macht etwa ein Drittel der Oberfläche jeder Hemisphäre aus. An der Seitenfläche jeder Hemisphäre trennt der zentrale Sulcus den Frontallappen vom Parietallappen. Der laterale Sulcus trennt den Frontallappen vom Temporallappen. ⓘ

Der Frontallappen kann in einen lateralen, polaren, orbitalen (oberhalb der Augenhöhle; auch basal oder ventral genannt) und medialen Teil unterteilt werden. Jeder dieser Teile besteht aus einem bestimmten Gyrus:

• Lateraler Teil: lateraler Teil des Gyrus frontalis superior, Gyrus frontalis middle und Gyrus frontalis inferior
• Polarer Teil: frontopolarer Kortex, transversale frontopolare Gyri, frontomarginaler Gyrus.
• Orbitaler Teil: Lateraler Gyrus orbitalis, anteriorer Gyrus orbitalis, posteriorer Gyrus orbitalis, medialer Gyrus orbitalis und Gyrus rectus
• Medialer Teil: Medialer Teil des Gyrus frontalis superior, Gyrus cingulare. ⓘ

Die Gyri sind durch Sulci getrennt. So liegt z. B. der Gyrus precentralis vor dem Sulcus centralis und hinter dem Sulcus precentralis. Die oberen und mittleren frontalen Gyri werden durch den Sulcus frontalis superior geteilt. Der mittlere und der untere frontale Gyrus werden durch den inferioren frontalen Sulcus unterteilt. ⓘ

Beim Menschen erreicht der Frontallappen seine volle Reife etwa mit Ende 20 und markiert damit die kognitive Reife, die mit dem Erwachsenenalter einhergeht. Ein geringes Maß an Atrophie ist im Frontallappen des alternden Menschen jedoch normal. Fjell untersuchte 2009 die Atrophie des Gehirns bei Menschen im Alter von 60-91 Jahren. Die 142 gesunden Teilnehmer wurden mittels MRT gescannt. Ihre Ergebnisse wurden mit denen von 122 Teilnehmern mit Alzheimer-Krankheit verglichen. Bei einer Nachuntersuchung ein Jahr später zeigte sich ein deutlicher Volumenrückgang bei den Alzheimer-Patienten und ein viel geringerer Rückgang (durchschnittlich 0,5 %) bei der gesunden Gruppe. Diese Ergebnisse bestätigen die Ergebnisse von Coffey, der 1992 feststellte, dass das Volumen des Frontallappens pro Jahr um etwa 0,5-1 % abnimmt. ⓘ

Man kann den Frontallappen in einen motorischen und prämotorischen Bereich (zusammen als Motorcortex bezeichnet) sowie einen präfrontalen Bereich (präfrontaler Cortex) unterteilen. ⓘ

Funktion

Die Gesamtheit des frontalen Kortex kann als "Aktionskortex" betrachtet werden, so wie der hintere Kortex als "sensorischer Kortex" gilt. Er ist für die eine oder andere Art von Handlung zuständig: Bewegung des Skeletts, Augenbewegungen, Sprachkontrolle und Ausdruck von Emotionen. Beim Menschen ist der größte Teil des frontalen Kortex, der präfrontale Kortex, für inneres, zielgerichtetes geistiges Handeln zuständig, das gemeinhin als logisches Denken oder präfrontale Synthese bezeichnet wird. ⓘ

Die Funktion des PFC umfasst die Fähigkeit, künftige Konsequenzen zu projizieren, die sich aus aktuellen Handlungen ergeben. Zu den Funktionen des PFC gehören auch die Überwindung und Unterdrückung sozial inakzeptabler Reaktionen sowie die Differenzierung von Aufgaben. ⓘ

Der PFC spielt auch eine wichtige Rolle bei der Integration längerer, nicht aufgabenbezogener Erinnerungen, die im gesamten Gehirn gespeichert sind. Dabei handelt es sich häufig um Erinnerungen, die mit Emotionen verbunden sind, die aus dem limbischen System des Gehirns stammen. Der Frontallappen modifiziert diese Emotionen, um sie im Allgemeinen an sozial akzeptable Normen anzupassen. ⓘ

Zu den psychologischen Tests, mit denen die Funktion des Frontallappens gemessen wird, gehören das Fingerklopfen (da der Frontallappen willkürliche Bewegungen steuert), der Wisconsin Card Sorting Test sowie Messungen von Sprache, Rechenfertigkeiten und Entscheidungsfindung, die alle vom Frontallappen gesteuert werden. ⓘ

Klinische Bedeutung

Schädigung

Eine Schädigung des Frontallappens kann auf verschiedene Weise erfolgen und viele unterschiedliche Folgen haben. Vorübergehende ischämische Attacken (TIAs), auch als Mini-Schlaganfälle bekannt, und Schlaganfälle sind häufige Ursachen für Frontallappenschäden bei älteren Erwachsenen (65 Jahre und älter). Diese Schlaganfälle und Mini-Schlaganfälle können durch die Blockierung des Blutflusses zum Gehirn oder durch das Platzen eines Aneurysmas in einer Hirnarterie entstehen. Weitere Verletzungsarten sind traumatische Hirnverletzungen nach Unfällen, Diagnosen wie die Alzheimer- oder Parkinson-Krankheit (die Demenzsymptome hervorrufen) und Frontallappenepilepsie (die in jedem Alter auftreten kann). Sehr häufig werden Frontallappenschäden bei Menschen mit pränataler Alkoholexposition festgestellt. ⓘ

Symptome

Die häufigen Auswirkungen einer Schädigung des Frontallappens sind vielfältig. Patienten, die ein Frontallappentrauma erlitten haben, wissen möglicherweise, wie sie in einer bestimmten Situation angemessen reagieren müssen, zeigen aber im "wirklichen Leben" unangemessene Reaktionen auf dieselben Situationen. Ebenso können gefühlte Emotionen im Gesicht oder in der Stimme nicht zum Ausdruck kommen. Jemand, der sich glücklich fühlt, würde zum Beispiel nicht lächeln, und die Stimme wäre emotionslos. Genauso kann die Person aber auch übermäßige, ungerechtfertigte Gefühlsäußerungen zeigen. Depressionen sind bei Schlaganfallpatienten häufig. Ebenfalls häufig ist ein Verlust oder eine Abnahme der Motivation. Es kann sein, dass jemand keine Lust hat, normale tägliche Aktivitäten auszuführen, und sich dazu nicht "in der Lage" fühlt. Diejenigen, die der geschädigten Person nahe stehen, bemerken möglicherweise Veränderungen im Verhalten. Diese Persönlichkeitsveränderung ist charakteristisch für eine Schädigung des Frontallappens und wurde am Beispiel von Phineas Gage gezeigt. Der Frontallappen ist derselbe Teil des Gehirns, der für exekutive Funktionen wie Zukunftsplanung, Urteilsvermögen, Entscheidungsfähigkeit, Aufmerksamkeitsspanne und Hemmung verantwortlich ist. Diese Funktionen können bei Personen, deren Frontallappen geschädigt ist, drastisch abnehmen. ⓘ

Die Folgen, die weniger häufig auftreten, sind ebenfalls vielfältig. Konfabulation dürfte die am häufigsten genannte "seltenere" Auswirkung sein. Bei der Konfabulation gibt jemand falsche Informationen weiter, während er glaubt, dass sie der Wahrheit entsprechen. Bei einer kleinen Anzahl von Patienten kann eine untypische Fröhlichkeit festgestellt werden. Dieser Effekt tritt vor allem bei Patienten mit Läsionen des rechten frontalen Teils des Gehirns auf. ⓘ

Ein weiterer seltener Effekt ist die reduplikative Paramnesie, bei der die Patienten glauben, dass der Ort, an dem sie sich gerade aufhalten, eine Kopie eines anderen Ortes ist. Ähnlich verhält es sich mit dem Capgras-Syndrom, bei dem Patienten nach einer Schädigung des Frontallappens glauben, dass ein identischer "Ersatz" die Identität eines engen Freundes, Verwandten oder einer anderen Person übernommen hat und sich als diese Person ausgibt. Dieser letzte Effekt tritt vor allem bei schizophrenen Patienten auf, die auch eine neurologische Störung im Frontallappen haben. ⓘ

DNA-Schäden

Im menschlichen Frontallappen ist die Expression einer Reihe von Genen nach dem 40. und insbesondere nach dem 70. Zu dieser Gruppe gehören Gene mit Schlüsselfunktionen für die synaptische Plastizität, die für Lernen und Gedächtnis wichtig ist, sowie für den vesikulären Transport und die mitochondriale Funktion. Während des Alterns ist die DNA-Schädigung in den Promotoren der Gene, die im frontalen Kortex eine verminderte Expression aufweisen, deutlich erhöht. In kultivierten menschlichen Neuronen werden diese Promotoren selektiv durch oxidativen Stress geschädigt. ⓘ

Bei Personen mit HIV-assoziierten neurokognitiven Störungen häufen sich nukleäre und mitochondriale DNA-Schäden im frontalen Kortex. ⓘ

Genetisch

Einem Bericht des National Institute of Mental Health zufolge steht eine Genvariante von (COMT), die die Dopaminaktivität im präfrontalen Kortex verringert, in Zusammenhang mit einer schlechteren Leistung und einer ineffizienten Funktion dieser Hirnregion bei Aufgaben des Arbeitsgedächtnisses sowie mit einem leicht erhöhten Risiko für Schizophrenie. ⓘ

Geschichte

Psychochirurgie

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte der portugiesische Neurologe Egas Moniz eine medizinische Behandlungsmethode für psychische Erkrankungen, bei der die Verbindungsbahnen zwischen dem Frontallappen und dem limbischen System beschädigt wurden. Eine Frontal-Lobotomie (manchmal auch Frontal-Leukotomie genannt) führte zwar zu einer Verringerung des Leidensdrucks, jedoch um den Preis, dass die Emotionen, der Wille und die Persönlichkeit der Betroffenen oft abgestumpft wurden. Der wahllose Einsatz dieses psychochirurgischen Verfahrens in Verbindung mit seinen schweren Nebenwirkungen und einer Sterblichkeitsrate von 7,4 bis 17 Prozent brachte ihm einen schlechten Ruf ein. Die Frontal-Lobotomie ist als psychiatrische Behandlung weitgehend ausgestorben. Präzisere psychochirurgische Verfahren werden immer noch angewandt, wenn auch selten. Dazu gehören die anteriore Kapsulotomie (bilaterale thermische Läsionen der vorderen Schenkel der inneren Kapsel) oder die bilaterale Cingulotomie (mit Läsionen der vorderen cingulären Gyri), die zur Behandlung ansonsten unbehandelbarer Zwangsstörungen oder klinischer Depressionen eingesetzt werden können. ⓘ

Theorien über die Funktion

Die Theorien über die Funktion des Frontallappens lassen sich in vier Kategorien einteilen:

• Einzelprozesstheorien, die davon ausgehen, dass "die Schädigung eines einzelnen Prozesses oder Systems für eine Reihe verschiedener dysexekutiver Symptome verantwortlich ist".
• Multiprozess-Theorien, die davon ausgehen, "dass das exekutive System des Frontallappens aus einer Reihe von Komponenten besteht, die bei alltäglichen Handlungen typischerweise zusammenwirken (Heterogenität der Funktion)".
• Konstruktbasierte Theorien, die davon ausgehen, dass "die meisten, wenn nicht sogar alle frontalen Funktionen durch ein einziges Konstrukt erklärt werden können (Homogenität der Funktion), wie z. B. Arbeitsgedächtnis oder Hemmung".
• Einzelsymptomtheorien, die davon ausgehen, dass ein bestimmtes dysexekutives Symptom (z. B. Konfabulation) mit den Prozessen und dem Konstrukt der zugrunde liegenden Strukturen zusammenhängt. ⓘ

Andere Theorien sind:

• Stuss (1999) schlägt eine Unterscheidung in zwei Kategorien vor, und zwar nach Homogenität und Heterogenität der Funktion.
• Grafmans Ansatz der Managerial Knowledge Units (MKU) / Structured Event Complex (SEC) (vgl. Wood & Grafman, 2003)
• Miller & Cohens integrative Theorie der präfrontalen Funktion (z. B. Miller & Cohen, 2001)
• Rolls' Stimulus-Belohnungs-Ansatz und Stuss' anteriore Aufmerksamkeitsfunktionen (Burgess & Simons, 2005; Burgess, 2003; Burke, 2007). ⓘ

Es kann hervorgehoben werden, dass sich die oben beschriebenen Theorien durch ihren Fokus auf bestimmte Prozesse/Systeme oder Konstrukte unterscheiden. Stuss (1999) merkt an, dass die Frage der Homogenität (ein einziges Konstrukt) oder der Heterogenität (mehrere Prozesse/Systeme) der Funktion "eher ein Problem der Semantik und/oder der unvollständigen Funktionsanalyse als eine unlösbare Dichotomie darstellen könnte" (S. 348). Weitere Forschungen werden jedoch zeigen, ob eine einheitliche Theorie der Frontallappenfunktion, die die Vielfalt der Funktionen vollständig berücksichtigt, verfügbar sein wird. ⓘ

Andere Primaten

Viele Wissenschaftler waren davon ausgegangen, dass der Frontallappen beim Menschen im Vergleich zu anderen Primaten überproportional vergrößert ist. Dies wurde als ein wichtiges Merkmal der menschlichen Evolution und als Hauptgrund dafür angesehen, dass sich die menschliche Kognition von der anderer Primaten unterscheidet. Diese Ansicht wurde jedoch in Bezug auf Menschenaffen durch Neuroimaging-Studien in Frage gestellt. Mit Hilfe der Magnetresonanztomographie zur Bestimmung des Volumens des frontalen Kortex beim Menschen, bei allen lebenden Affenarten und bei mehreren Affenarten wurde festgestellt, dass der menschliche frontale Kortex nicht relativ größer ist als der Kortex anderer Menschenaffen, sondern relativ größer als der frontale Kortex von Menschenaffen und Affen. Die höhere kognitive Leistungsfähigkeit des Menschen ist vielmehr auf eine größere Vernetzung durch neuronale Bahnen zurückzuführen, die das Kortikalvolumen nicht beeinflussen. Dies zeigt sich auch in den Bahnen des Sprachnetzes, die den Frontal- und Temporallappen verbinden. ⓘ

Blutversorgung

Versorgungsgebiete der drei großen Hirnschlagadern. ⓘ

Der Frontallappen wird über die vordere und die mittlere Hirnschlagader (Arteria cerebri anterior und Arteria cerebri media) mit sauerstoffreichem Blut versorgt. Dabei versorgt die vordere Hirnschlagader den näher an der Körpermitte gelegenen (medialen) Teil des Frontallappens und die mittlere Hirnschlagader den seitlichen (lateralen) Teil. Der Blutabfluss erfolgt hauptsächlich über die aufsteigenden oberflächlichen Venen des Gehirns (Venae superficiales ascendentes cerebri), zum Teil auch über die mittlere oberflächliche Hirnvene (Vena media superficialis cerebri). Das Blut der aufsteigenden Venen fließt über den Sinus sagittalis superior in den Sinus transversus. Die Abflüsse der mittleren Vene gehen sowohl in den Sinus cavernosus, als auch in den Sinus transversus. Der Sinus transversus leitet das Blut schließlich in die innere Drosselvene (Vena jugularis interna), die aus dem Schädel führt. ⓘ

Funktionen

Ein großer Teil des Frontallappens wird vom Motorcortex eingenommen, der Bewegungen steuert. Unterschieden wird dabei die primär-motorische Rinde, die prämotorische Rinde und die supplementär-motorische Rinde des Motorcortex. Im Gyrus praecentralis, also der Hirnwindung an der Furche, die die Grenze zum Parietallappen markiert, ist die primär-motorische Rinde lokalisiert. Sie steuert die Ausführung von Bewegungen, während die prämotorische Rinde die notwendigen Bewegungen auswählt. ⓘ

Der präfrontale Cortex reguliert die kognitiven Prozesse so, dass situationsgerechte Handlungen ausgeführt werden können. Der Motorcortex ist Ursprung der Pyramidenbahn. ⓘ

Medizinische Behandlungen

• Lobotomie: Eine bis 1970 durchgeführte gezielte Zerstörung des Frontallappens und seiner Nervenbahnen, um psychische Erkrankungen zu heilen. Die Behandlung hatte jedoch nur sehr mäßigen Erfolg und oft katastrophale Konsequenzen (siehe Fall von Rosemary Kennedy). ⓘ

Folgen von Frontallappenschäden

Die Folgen einer Schädigung des Frontallappens werden als Frontalhirnsyndrom zusammengefasst. Dieses ist beim Menschen gekennzeichnet durch

• ungenügende Berücksichtigung von Handlungskonsequenzen,
• Schwierigkeiten bei der Handlungsplanung (exekutive Funktionen),
• Haftenbleiben an (irrelevanten) Details (Perseveration),
• mangelnde Abstimmung auf aktuelle Erfordernisse,
• ungenügende Regelbeachtung sowie Regelverstöße (auch im sozialen Verhalten),
• verminderte Selbstkontrolle und erhöhte Impulsivität
• Antriebsstörungen,
• Störungen der (Kurzzeit-)Gedächtnisleistung und des Arbeitsgedächtnisses,
• Störungen der Aufmerksamkeit und des geistigen Durchhaltevermögens.
• Die Intelligenz bleibt erhalten, aber schlussfolgerndes Denken und Klassifikationsleistungen sind schlecht;
• ebenfalls oft reduziert sind spontanes Verhalten, Kreativität („Divergentes Denken“) und Wortflüssigkeit. ⓘ