Motorisches Feintuning – die Modulation von Bewegungen

Author: Dr. Brigitte Osterath

Entworfen, geplant und zur Ausführung an die Muskeln geschickt werden Bewegungen von den motorischen Arealen der Hirnrinde. Für deren präzise, reibungslose Umsetzung sind zwei andere Hirnstrukturen unabdingbar – das Kleinhirn und die Basalganglien.

Scientific support: Prof. Dr. Hansjörg Scherberger

Published: 23.08.2011

Difficulty: intermediate

Das Wichtigste in Kürze

Das Kleinhirn vergleicht eine geplante Bewegung mit der gerade stattfindenden und führt Korrekturen aus.
Ist das Kleinhirn geschädigt, schießen Bewegungen über, sind fahrig und verfehlen ihr Ziel.
Die Basalganglien selektieren zwischen unerwünschten und erwünschten Verhaltensmustern und Bewegungsabläufen.

Strecken Sie Ihren rechten Arm aus, halten so kurz inne und berühren dann mit dem rechten Zeigefinger Ihre Nase. Klappt das? Auch mit geschlossenen Augen?? Dann bedanken Sie sich bei Ihrem Kleinhirn! Denn nur mit seiner Unterstützung können wir diese gezielte Bewegung exakt und flüssig ausführen.

So simpel die Finger-Nase-Übung erscheinen mag – sie erfordert eine detaillierte Sequenz zeitlich präzise aufeinander abgestimmter Muskelkontraktionen an Schulter, Arm und Hand. Störungen der Kleinhirnfunktion beeinträchtigen diese Koordination so sehr, dass gezielte Bewegungen unmöglich werden. Das dazugehörige Krankheitsbild wird abgeleitet vom griechischen Wort ataxia – Unordnung – Ataxie genannt.

Ist das Kleinhirn geschädigt, werden Schulter, Ellenbogen und Handgelenk nicht gleichzeitig bewegt, um den Finger in einem Zug zur Nase zu führen, sondern hintereinander. Der Finger zittert zick-zackförmig hin und her, und landet am Ende im Auge oder auf der Wange, weil die Bewegungen sich nicht mehr richtig abmessen lassen und übers Ziel hinausschießen. Ob beim Einschrauben einer Glühbirne, beim Malen eines Bildes oder beim Federballspiel – ohne das Kleinhirn wären unsere komplexen motorischen Fähigkeiten undenkbar. Denn das Cerebellum, wie es in der Fachsprache heißt, wacht bei allen Bewegungen ständig darüber, dass sich alles so abspielt, wie von den motorischen Zentren in der Hirnrinde geplant, und führt Feinkorrekturen aus − unbewusst natürlich. Es sorgt auch dafür, dass wir unser Gleichgewicht halten können. Heben wir plötzlich ein Bein an, koordiniert das Kleinhirn die Muskelaktivitäten neu, damit wir nicht umkippen.

Und noch eine weitere nicht zur Hirnrinde gehörende Struktur ist an der Kontrolle und Modulation von Bewegungen entscheidend beteiligt: die Basalganglien, die ständig zwischen unerwünschtem und erwünschtem Handlungsmuster selektieren. Und dazu beitragen, dass wir feinmotorische Bewegungen kontrolliert ausführen, im passenden Ausmaß und der korrekten Richtung. Was es uns beispielsweise erlaubt, das sprichwörtliche rohe Ei anzufassen, ohne es dabei zu zerdrücken.

Kleinhirn behält den Überblick

Basalganglienerkrankungen verursachen Bewegungsstörungen, die mit der strategischen Planung und Initiierung von motorischen Aktionen zusammenhängen. Das Kleinhirn greift in der Hierarchie der Bewegungskontrolle eine Ebene tiefer an – bei der Ausführung. Mit seiner Hilfe werden initiierte Bewegungen in flüssige, präzise Handlungssequenzen übersetzt. Ihm ist es zu verdanken, dass wir nicht herumtorkeln wie die Zombies.

Das Kleinhirn macht zwar nur ein Zehntel der Masse des gesamten Gehirns aus, aber es beherbergt über die Hälfte seiner Nervenzellen. Das zeigt schon, wie komplex seine neuronalen Verschaltungen sind. Es sieht aus wie eine abgewandelte Mini-Version des Großhirns und liegt in der hinteren Schädelgrube. Schneidet man es auf, erinnert die Struktur an einen Baum, der sich stark verästelt: Das Cerebellum ist extrem zerfurcht, was seine Oberfläche immens vergrößert.

Der Informationsfluss ins Kleinhirn ist sehr viel ausgeprägter als der Output: Für jede Nervenfaser, die es verlässt, kommen 40 Nervenfasern herein. Über – teils extrem große Leitungsbahnen erhält das Cerebellum permanent eine Flut von Informationen aus dem Sehorgan, dem Rückenmark, dem Gleichgewichtsorgan, dem Hirnstamm und von verschiedenen Bereichen der Großhirnrinde, unter anderem dem prämotorischen Cortex. So erfährt es ständig, welche Bewegung gerade geplant ist, in welcher Lage sich der Körper befindet und welche motorischen Aktionen der Körper momentan ausführt. Alle Informationen stimmt das Kleinhirn aufeinander ab: Es vergleicht das, was beabsichtigt ist, mit dem, was bereits geschehen ist. Ist abzusehen, dass die ablaufende Bewegung nicht zum gewünschten Ziel führt, sendet das Kleinhirn Korrektursignale an das motorische System. Dadurch modifiziert es die Bewegung und lenkt sie wieder in die richtige Bahn.

Alkoholgenuss beeinflusst die Gehirnfunktionen – und kann süchtig machen. © dasGehirn.info

Alkoholgenuss beeinflusst die Gehirnfunktionen. © dasGehirn.info

Minus mal minus macht plus

Wie das Großhirn unterteilt sich das Kleinhirn in eine äußere Rinde und das innenliegende Mark. Im Mark liegen die Kleinhirnkerne, Gebiete mit dichtgedrängten Nervenzellkörpern. An die Kleinhirnkerne treten unterschiedliche Varianten von Nervenfasern heran, die Informationen aus verschiedenen Teilen des Körpers bringen. Das ermöglicht es dem Kleinhirn, alles miteinander zu vergleichen. Die Kerne selbst senden ihre Signale zurück an die motorischen Bahnen im Rückenmark und über den Thalamus an die Großhirnrinde.

Alle Informationen aus dem Körper, welche die Kleinhirnkerne erreichen, gelangen minimal zeitverzögert auch zu speziellen Nervenzellen in der Kleinhirnrinde, den auffällig großen Purkinje-Zellen. Diese nach ihrem Entdecker, dem tschechischen Physiologen Jan Evangelista Purkyně (1787 – 1869), benannten Zellen hemmen ständig die Kleinhirnkerne und hindern sie daran, ihre Signale „nach außen“ weiterzuleiten. Nur wenn die Purkinje-Zellen selbst gehemmt werden, können die Kleinhirnkerne senden. So modifiziert die Kleinhirnrinde mit ihren Purkinje-Zellen den Informationsfluss, der über die Kleinhirnkerne läuft, und ermöglicht es, dass Bewegungen gezielt ablaufen und nicht überschießen.

Größere Mengen Alkohol stören die Funktion des Kleinhirns. Daher gleichen die Symptome eines kleinhirnerkrankten Menschen denen eines Betrunkenen: Er leidet unter Gleichgewichtsstörungen, geht breitbeinig und torkelnd.

Außerdem spricht er abgehackt, seine Bewegungen sind fahrig und schießen übers Ziel hinaus. Hält man seinen Arm fest und fordert ihn auf, Widerstand zu leisten, woraufhin man seinen Arm plötzlich loslässt, dann kann er nicht rechtzeitig abbremsen: Seine Faust schlägt ihm ins Gesicht. Bei chronischem Alkoholmissbrauch schrumpft das Kleinhirn übrigens dauerhaft.

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Schon einfache Bewegungen erfordern ein komplexes Zusammenspiel von Gehirn, Rückenmark und Muskeln.

Von Hunden, Glocken und blinzelnden Augen

Heute weiß man: Das Cerebellum gewährleistet, dass wir erlernte Bewegungen richtig ausführen können. Und mehr noch: In seinen Schaltkreisen werden auch neue Bewegungsabläufe eingespeichert und automatisiert, beispielsweise wenn jemand das Schlittschuhlaufen lernt.

Erstmals formuliert wurde die Hypothese, dass das Kleinhirn auch an motorischen Lernvorgängen entscheidend beteiligt ist, in den 1970er Jahren. Wie man aus einem der berühmtesten Versuche der Verhaltensforschung wusste, lernt der Pawlow‘sche Hund das Sabbern auf das Läuten einer Glocke hin − auch wenn gar kein Futter in Sichtweite war. Analog dazu lernt ein Mensch zu blinzeln, wenn ein Ton ertönt − vorausgesetzt, man hat ihm oft genug einen Luftstoß zeitgleich mit dem Ton präsentiert. Im Kleinhirn bilden sich wie Untersuchungen zeigen dann neue Nervenzellverbindungen aus, beziehungsweise die bestehenden werden verstärkt. Durch diesen synaptische Plastizität genannten Prozess, der nach heutigem Kenntnisstand die Grundlage der Gedächtnisbildung darstellt, ist nach einiger Zeit der neue Reflex dann in den Tiefen des Kleinhirns verankert. Ist das Kleinhirn geschädigt, funktioniert dieser Lernvorgang nicht mehr.

Die richtige Auswahl treffen

Eine wichtige Aufgabe bei der Koordinierung von erlernten Bewegungen übernehmen auch die Basalganglien, eine Ansammlung von miteinander verbundenen Kerngebieten im Gehirn, die alle Informationen über eine geplante Handlung erhalten. Sie bewerten mögliche Bewegungsmuster und treffen eine Auswahl zwischen passend und unpassend. So steuern sie Kraft, Ausmaß, Geschwindigkeit und Richtung einer Bewegung. Das Ergebnis senden sie an den Thalamus, einen Teil des Großhirns, der als „Tor zum Bewusstsein“ bezeichnet wird. Der Thalamus leitet die relevanten Informationen an die Großhirnrinde weiter, welche die Impulse zur Bewegung gibt.

und Thalamus bilden gemeinsam den Filter, der dafür sorgt, dass genau die richtigen Bewegungsmuster bis zur Großhirnrinde durchkommen und zur Ausführung an und Muskeln weitergegeben werden. Wenn dieser Filterprozess nicht mehr richtig funktioniert, sind sowohl die Initiierung als auch der Ablauf von Bewegungen gestört. Wie das aussieht, hängt davon ab, ob das gestörte System zu viel aussortiert oder zu wenig: Im ersten Fall ist Bewegungsarmut die Folge, im zweiten Fall ungewollte überschießende Bewegungen.

Bei Parkinson-Kranken bleibt zu viel im Filter hängen, daher erreichen weniger Bewegungsimpulse die Großhirnrinde. Die Mimik der Patienten ist starr, sie schlucken seltener, ihre Arme schwingen beim Gehen wenig mit. Da sie ihre Füße kaum anheben, stolpern und stürzen sie oft. Typisch sind auch Muskelsteifheit und ein langsames Zittern. Bei der Erbkrankheit Chorea Huntington lässt der Filter hingegen zu viele Signale durch, die Patienten haben wenig Kontrolle über ihre Muskulatur, plötzlich und unerwartet setzen Bewegungen ein: Die Betroffenen ziehen Grimassen oder schleudern ihre Arme und Beine umher.

Der Filterprozess in den Basalganglien ist besonders wichtig, um komplexe, gelernte Bewegungen auszuführen, etwa beim Schreiben. Fällt ein Teil der Basalganglien aus, ähnelt die Schrift eines Patienten der eines Schulanfängers.

Sowohl Kleinhirn als auch Basalganglien sind wichtige Teile der Motorik, obwohl sie selbst keine Bewegungen initiieren können. Fallen diese Gehirnteile aus, sind die Betroffenen daher nicht gelähmt; aber es hapert ihnen daran, willkürliche Bewegungen zielgerichtet und passgenau zum richtigen Zeitpunkt auszuführen.