Obwohl es eine zentrale Rolle bei der Kontrolle der Bewegung und dem Ausdruck unserer geistigen Fähigkeiten spielt, ist unser Wissen über das Kleinhirn begrenzt. Während das Kleinhirn klein ist, ist es sehr gut mit dem Großhirn und seinem Kortex verbunden und macht über fünfzig Prozent der Neuronen im gesamten Gehirn aus. Über sein wichtigstes Relais zur Großhirnrinde, den Nucleus dentatus, ist jedoch wenig bekannt. Diese Ansammlung dicht gepackter Neuronenzellkörper integriert die vom Kleinhirn verarbeiteten Informationen und sendet sie an das Großhirn. Wissenschaftlern am Max—Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften (MPI CBS) in Leipzig ist es nun gelungen, einen wesentlichen Teil der Verbindungswege zu dieser zentralen Steuerung abzubilden – und damit unser Verständnis für das „Herz des Gehirns“ zu erweitern.

Ungefähr so groß wie ein Tennisball sitzt das Kleinhirn ganz hinten in unserem Schädel unter den beiden visuellen Hemisphären des Großhirns, die aus grauer und weißer Substanz bestehen. Obwohl das Kleinhirn traditionell als eine Region bekannt ist, die für motorische Funktionen wichtig ist, haben neuere Erkenntnisse gezeigt, dass es auch an mehr kognitiven Bereichen wie Sprache und Emotionen beteiligt ist. Verletzungen des Kleinhirns können daher zu erheblichen sprachlichen oder emotionalen Störungen führen oder präzise Bewegungen wie das Anheben eines Glases Wasser zum Mund unmöglich machen.

Eine seiner wichtigsten Strukturen, die sich tief im Inneren des Kleinhirns befindet und mit einem gezackten zahnähnlichen Aussehen seines äußeren Bandes aus grauer Substanz ausgestattet ist, ist der Nucleus dentatus. Diese Agglomeration von Nervenzellkörpern verarbeitet die Informationen, die vom Kleinhirn zur Großhirnrinde gesendet werden, ähnlich einer Schnittstelle. Während wir wissen, dass der Nucleus dentatus der Hauptausgangskern des Kleinhirns ist, war bisher unklar, wie die graue Substanz des Kleinhirns, nämlich sein Cortex und seine verschiedenen Funktionsbereiche, mit dem Nucleus dentatus verbunden sind.

„Wir konnten nun die Verbindungen rekonstruieren, die Daten von den verschiedenen Regionen der grauen Substanz der Kleinhirnrinde zum Nucleus dentatus transportieren“, erklärt Christopher J. Steel, Erstautor der Originalpublikation. „Diese Studie war die erste, die zeigte, dass die beiden Arten von Funktionen — Kontrolle der Bewegung und Ausdruck unserer geistigen Fähigkeiten —, die in der Kleinhirnrinde weitgehend getrennt sind, auch innerhalb des Zahnkerns weitgehend getrennt sind.“Dementsprechend beleuchten diese Ergebnisse die Bedeutung der motorischen und nicht-motorischen Faserkonnektivität in den Informationsschleifen zwischen dem Kleinhirn und dem Großhirn, die den Beiträgen des Kleinhirns zum Verhalten zugrunde liegen.

Dieses Wissen ist nicht nur für chirurgische Eingriffe oder bei Verletzungen entscheidend, sondern auch für ein besseres Verständnis der Entwicklung des Gehirns. Es deutet darauf hin, dass sich die Konnektivität des Kleinhirns auch entwickelt hat, um mit den Veränderungen im menschlichen Kortex Schritt zu halten, die im Laufe der Evolution von nichtmenschlichen zu menschlichen Primaten aufgetreten sind.

Bisher wurden die meisten Erkenntnisse über die Verdrahtung des Kleinhirns durch invasives und zeitaufwändiges Tracing der weißen Substanz bei nichtmenschlichen Primaten gewonnen. Im Gegensatz dazu verwendeten Steele und Kollegen bei wachen Menschen eine nicht-invasive Methode, die diese Konnektivität ohne Tracer oder andere invasive Techniken verfolgen konnte: die Kombination aus diffusionsgewichteter Magnetresonanztomographie (DW-MRT) und probabilistischer Traktographie. Letzterer ist in der Lage, den ungefähren Weg der weißen Substanz im Gehirn zu rekonstruieren, indem er die genauen Diffusionsbewegungen der Wassermoleküle misst.“Mit diesen Ergebnissen hoffen wir auch, eine Vorlage für weitere Studien zu liefern, die die Verdrahtung des Kleinhirns und des restlichen Gehirns untersuchen“, sagt Studienkoautor Alfred Anwander, der die MRT-Daten in 3D-Bilder und kurze wissenschaftliche Videos übersetzt hat. Mit Blick auf diese Bilder fügt Neurowissenschaftler Steel hinzu: „Angesichts seiner Konnektivität mit dem Kortex und seiner auffallenden Ähnlichkeit mit einem um 90 Grad gedrehten Querschnitt des menschlichen Herzens kann das Kleinhirn sogar als „das Herz des Gehirns “ betrachtet werden.“

Traktographie des Kleinhirns

Herz des Gehirns

Weitere Informationen:
Sehen Sie sich hier eine interaktive Animation des Kleinhirns an.

Originalpublikation:
Christopher Steele, Alfred Anwander, Pierre-Louis Bazin, Robert Trampel, Andreas Schäfer, Robert Turner, Narender Ramnani und Arno Villringer
Die Submillimeter-Diffusionsdarstellung des menschlichen Kleinhirns zeigt die motorische und nicht-motorische Topographie des Zahnkerns
Großhirnrinde (2016)

• Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Wissenschaften