Kommandozentrale für Bewegungen

Kurz vor einer Bewegung, etwa dem Greifen der Hand nach einem Glas, lässt sich in vielen Gehirnregionen eine erhöhte Aktivität messen. Doch diese konzentriert sich dann auf ein Hirnrindengebiet vor dem Sulcus centralis, der zentralen Furche zwischen Stirn– und Scheitellappen des Gehirns. Dort liegt der primäre Motorcortex: Er ist etwa zwei Zentimeter breit und verbirgt sich zum großen Teil im Sulcus centralis. Die neuronalen Signale, die den Muskeln den Befehl geben, sich zu kontrahieren, haben größtenteils hier ihren Ursprung.

Der primäre Motorcortex ist der Startpunkt von weiten Teilen der Pyramidenbahn, mit einer Million Axonen einer der längsten und größten Bahnen unseres zentralen Nervensystems. Hier entspringen also Nervenzellfortsätze, die ohne Unterbrechung durch den Hirnstamm und weiter bis ins Rückenmark ziehen, um von dort dann über so genannte Motoneurone Befehle an die Muskulatur weiterzugeben.

Seit gut 140 Jahren weiß man, dass sich durch elektrische Reizung des primären Motorcortex Muskelkontraktionen auslösen lassen. Dies gelingt auch durch Stimulation anderer Gehirnareale, aber nur mit höherem Nachdruck, sprich größerer Stromstärke. Der primäre Motorcortex hat also kein Monopol auf Bewegungen, ist aber ganz klar Hauptverantwortlicher und Marktführer. Kommt es zu Schädigungen in diesem Hirnareal, etwa durch einen Schlaganfall, sind Lähmungen die Folge.

Die Entscheidung, beispielsweise den einen Muskel zu strecken und gleichzeitig einen anderen zu beugen, treffen jedoch hauptsächlich andere Gehirnareale: Der prämotorische und der supplementär-​motorische Cortex planen und initiieren Bewegungen und komplexe Bewegungsmuster – der Motorcortex ist zwar ebenfalls Teil der Entscheidungsfindung, spielt aber eine untergeordnete Rolle. Diese Hirnareale sind daher intensiv mit dem primären Motorcortex verschaltet. Ist die Entscheidung für eine Bewegung einmal gefallen, übernimmt der primäre Motorcortex: Er gibt letztendlich den Startschuss für eine Bewegung. Seine Neurone feuern aber auch schon in Erwartung einer Bewegung, also beispielsweise wenn ein Sprinter auf das Signal zum Losrennen wartet. So ist der Läufer schneller unterwegs, wenn das Startsignal dann ertönt. Sogar, wenn wir uns nur vorstellen, einen Ball zu werfen, ist der primäre Motorcortex aktiv. Allerdings ist die Erregung dann geringer, als wenn wir diesen Bewegungsablauf tatsächlich ausführen.

Eine Bewegung ist aber keine Einbahnstraße: Sie wird nicht einmal in Gang gesetzt, um dann ohne Korrektur abzulaufen. So registriert der somatosensorischer Cortex über Propriozeptoren Parameter wie die Lage der einzelnen Körperteile, die Gelenkstellung und die Muskelanspannung und tauscht sich laufend mit dem primären Motorcortex aus. Die Kommandozentrale, aber auch subcortikale Kontrollzentren wie etwa das Kleinhirn, bekommen so permanent Rückmeldung über einen Bewegungsablauf und können gegebenenfalls nachkorrigieren.

Dass ein ganz bestimmtes Hirnareal für die Auslösung von Bewegungen zuständig ist, weiß man bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts. Die deutschen Hirnforscher Gustav Fritsch (1838 – 1927) und Eduard Hitzig (1838 – 1907) reizten im Jahr 1870 den Motorcortex von Hunden elektrisch, woraufhin die Tiere die Beine der entgegengesetzten Körperhälfte bewegten.

Sehr viel eingehender beschäftigte sich einige Jahrzehnte später der kanadische Neurochirurg Wilder Penfield (1891 – 1976) mit dem motorischen Cortex – und zwar nicht an Versuchstieren, sondern am Menschen. „Im Zuge von Operationen am Gehirn bin ich auf einige faszinierende Erkenntnisse gestoßen. Ich muss sagen, dass es mehr Zufall als Planung war“, berichtete er im Jahr 1961, als ihm das Royal College of Surgeons of England die Lister-​Medaille für seine herausragenden Leistungen in der Chirurgie verlieh. Wilder Penfield operierte schwerkranke Epilepsiepatienten: Beispielsweise entfernte er Tumore in ihrem Gehirn, welche die Beschwerden auslösten.

Diese Eingriffe waren eine knifflige Angelegenheit: Penfield musste genau das richtige Areal finden, das es zu entfernen galt. Lag er falsch, war der Patient hinterher möglicherweise gelähmt oder konnte nicht mehr sprechen. Daher überzeugte er sich vor jeder Operation selbst davon, welcher Teil des Gehirns welche Aufgabe hatte. Er betäubte seine Patienten leicht, hielt sie aber bei Bewusstsein, während er ihre Schädeldecke öffnete und vorsichtig Stück für Stück des Gehirns um den betroffenen Bereich herum mit Platinelektroden reizte. Dabei beobachtete er den Kranken genau und ließ sich von ihm berichten, was er fühlte: Traf er Teile des somatosensorischen Cortex, hatte der Patient das Gefühl, jemand habe beispielsweise seine Wange gestreichelt. Wurde der motorische Cortex gereizt, bewegte sich hingegen ein bestimmtes Körperteil. Dabei notierte sich Penfield genau, welches Areal jeweils für welches Körperteil zuständig war.

Etwa 400 Patienten operierte Penfield auf diese Weise. Das Ergebnis: Eine Karte des primären Motorcortex, in der verzeichnet war, welcher Bereich für welches Körperteil zuständig ist. Bekannt wurden solche Gehirn-​Landkarten als Homunculus, lateinisch für „kleiner Mensch“. Zeichnet man auf, wie der menschliche Körper auf der zweidimensionalen Hirnrindenoberfläche des Motorcortex repräsentiert ist, entsteht ein grotesk verzerrtes Männchen mit riesigen Händen und einer überproportional großen Zunge. Das zeigt: Nicht die Größe eines Körperteils entscheidet darüber, wie stark es auf dem Motorcortex repräsentiert ist, sondern das Ausmaß der Feinmotorik. Die Hände können besonders diffizile Bewegungen ausführen, bei Menschen ebenso die Zunge, weil das wichtig ist, um sprechen zu können. Daher sind diese Körperteile stark im Motorcortex vertreten. Der motorische Homunculus liegt quasi auf der Gehirnoberfläche: Er beginnt zur Mitte des Gehirns hin mit den Zehen, knickt am Sulcus centralis um und endet zur Seite hin mit dem Kopf, ganz außen liegen die Areale für Zunge und Kehlkopf.

Penfields Homunculus kann den Eindruck vermitteln, als gäbe es einen genau begrenzten Bereich von Nervenzellen auf der Hirnrinde, die etwa für einen bestimmten Muskel am Mittelfinger zuständig sind. Das Areal daneben wäre dann für einen anderen Muskel am Mittelfinger verantwortlich und aktivierte noch ein Areal weiter entfernt den gleichen Muskel am Ringfinger und so weiter. Aber diese auch von der Wissenschaft lange vermutete These erwies sich als falsch. Heute weiß man: So simpel und schematisch funktioniert der Motorcortex nicht.

Die Hirnareale, die bei einer einfachen Beugung und Streckung der ersten drei Finger jeweils aktiv sind, überlappen zu einem großen Teil. Nervenzellen, die einen bestimmten Muskel reizen können, liegen zwar alle innerhalb eines gewissen Areals, sind aber meist über eine relativ große Cortexoberfläche ausgebreitet und nicht in einem eng umschriebenen Bereich zusammengedrängt. Ein kleiner Ausschnitt des primär motorischen Cortex beeinflusst also recht viele Muskeln.

Eine Forschergruppe am Health Science Center der State University of New York im US-​amerikanischen Syracuse untersuchte im Jahr 1999 den Motorcortex von Affen, die verschiedene Hand– und Armbewegungen machten. Ein kleiner Teil der Neuronen im Affengehirn änderte seine Aktivität tatsächlich in Abhängigkeit von den Muskeln, die das Tier bei einer Bewegung jeweils benutzte. Der weitaus größte Teil von Nervenzellen jedoch schien mehr für unterschiedliche Arten von Bewegungen zuständig zu sein: Je nachdem in welche Richtung der Affe sein Handgelenk bewegte, feuerten diese Nervenzellen unterschiedlich stark, unabhängig von den einzelnen Muskeln, die dabei in Aktion waren.

Auch die Untersuchungen anderer Forscher weisen in diese Richtung: Nicht einzelne Muskeln, sondern vielmehr Bewegungskategorien sind im primären Motorcortex repräsentiert. So konnten die Forscher um Michael Graziano an der US-​amerikanischen Princeton University durch die gezielte Stimulation von Cortexarealen ganz bestimmte Bewegungsabfolgen auslösen, an denen verschiedene Körperteile beteiligt sind — etwa das Schließen der Hand zum Zugreifen, dann das Führen der Hand zum Mund und gleichzeitiges Öffnen des Mundes.

Reizten die Wissenschaftler eine andere Region, bewirkten sie damit, dass das Gesicht sich verzog, der Kopf sich dann in eine Richtung drehte und der Arm hochschnellte, als ob es das Gesicht vor einem Schlag zu schützen gälte. Michael Graziano konnte auch zeigen, dass längere Stimulation einer Region komplexere motorische Aktionen auslöst. Wie genau solche Bewegungsabfolgen vom primären Motorcortex kontrolliert und in den dortigen Nervenzellnetzen codiert werden, konnte die Wissenschaft bis heute nicht en détail entschlüsseln. Die Kommandozentrale für Bewegungen gibt der Forschung also auch noch fast 150 Jahre nach ihrer Entdeckung viele Rätsel auf.

Das Gehirn mit seinen Milliarden von Nervenzellen ist keineswegs ein starres Gebilde, sondern verändert sich ständig – und zwar ein Leben lang. Das gilt ganz besonders für den primären Motorcortex. Bei einem Pianisten ist dieser Teil der Hirnrinde ganz anders organisiert als bei einem Bauarbeiter: Denn durch regelmäßiges Üben wird das Areal, in dem der trainierte Körperteil auf dem Motorcortex repräsentiert ist, größer. Und nach einer Amputation wird der Bereich, der bisher für diesen Körperteil zuständig war, umfunktioniert und übernimmt dann andere Aufgaben. Somit steht beim primären Motorcortex zumindest eines fest: Es werden sich kaum zwei Menschen finden lassen, bei denen dieses so wichtige Hirnareal gleich beschaffen ist.

zum Weiterlesen:

• Graziano, M. et al.: Rethinking Cortical Organization: Moving Away from Descrete Areas Arranged in Hierarchies. The Neuroscientist. 2007; 13 (2):138 — 147 (zum Text).