Kapitel 9 – Limbisches System

Das limbische System ist eine bequeme Möglichkeit, mehrere funktionell und anatomisch miteinander verbundene Kerne und kortikale Strukturen zu beschreiben, die sich im Telencephalon und Diencephalon befinden. Diese Kerne dienen mehreren Funktionen, die meisten haben jedoch mit der Kontrolle von Funktionen zu tun, die für die Selbsterhaltung und den Artenschutz notwendig sind. Sie regulieren die autonome und endokrine Funktion, insbesondere als Reaktion auf emotionale Reize. Sie legen den Grad der Erregung fest und sind an Motivation und verstärkendem Verhalten beteiligt. Darüber hinaus sind viele dieser Bereiche für bestimmte Speichertypen von entscheidender Bedeutung. Einige dieser Regionen sind eng mit dem olfaktorischen System verbunden, da dieses System für das Überleben vieler Arten entscheidend ist.

Bereiche, die typischerweise im limbischen System enthalten sind, lassen sich in zwei Kategorien einteilen. Einige davon sind subkortikale Strukturen, während viele Teile der Großhirnrinde sind. Zu den kortikalen Regionen, die am limbischen System beteiligt sind, gehören der Hippocampus sowie Bereiche des Neokortex, einschließlich des Inselkortex, des orbitalen Frontalkortex, des Gyrus subcallosalis, des Gyrus cinguli und des Gyrus Parahippocampus. Dieser Kortex wurde als „limbischer Lappen“ bezeichnet, weil er einen Rand bildet, der das Corpus callosum umgibt und dem lateralen Ventrikel folgt. Subkortikale Teile des limbischen Systems umfassen den Riechkolben, Hypothalamus, Amygdala, Septumkerne und einige Thalamuskerne, einschließlich des vorderen Kerns und möglicherweise des dorsomedialen Kerns.

Eine Art, wie das limbische System konzipiert wurde, ist das „fühlende und reagierende Gehirn“, das zwischen dem „denkenden Gehirn“ und den Ausgabemechanismen des Nervensystems angeordnet ist. In diesem Konstrukt steht das limbische System normalerweise unter der Kontrolle des „denkenden Gehirns“, kann aber offensichtlich von selbst reagieren. Zusätzlich hat das limbische System seine Eingabe- und Verarbeitungsseite (limbischer Kortex, Amygdala und Hippocampus) und eine Ausgangsseite (Septumkerne und Hypothalamus). Die meisten dieser Regionen sind durch Pfade verbunden, die in Abbildung 31 dargestellt sind.

Hypothalmus

Der Hypothalamus, der primäre Ausgangsknoten für das limbische System, hat viele wichtige Verbindungen. Es ist über das mediale Vorderhirnbündel mit den Frontallappen, Septumkernen und der Hirnstammretikularbildung verbunden. Es erhält auch Eingaben vom Hippocampus über den Fornix und die Amygdala über zwei Wege (ventraler amygdalofugaler Weg und Stria terminalis). Der Hypothalamus hat Zentren, die an der sexuellen Funktion, der endokrinen Funktion, der Verhaltensfunktion und der autonomen Kontrolle beteiligt sind.

Um seine wesentlichen Funktionen zu erfüllen, benötigt der Hypothalamus verschiedene Arten von Eingaben. Es gibt Eingaben aus dem größten Teil des Körpers sowie aus dem Geruchssinn, den Eingeweiden und der Netzhaut. Es hat auch interne Sensoren für Temperatur, Osmolarität, Glukose und Natriumkonzentration. Darüber hinaus gibt es Rezeptoren für verschiedene interne Signale, insbesondere Hormone. Dazu gehören Steroidhormone und andere Hormone sowie interne Signale (wie Hormone, die an der Appetitkontrolle beteiligt sind, wie Leptin und Orexin).

Der Hypothalamus beeinflusst stark viele Funktionen, einschließlich autonomer, endokriner Funktionen und Verhaltensweisen. Autonome Funktionen werden über Projektionen auf den Hirnstamm und das Rückenmark gesteuert. Es gibt lokalisierte Bereiche im Hypothalamus, die das sympathische Nervensystem aktivieren, und einige, die die parasympathische Aktivität erhöhen. Endokrine Funktionen werden entweder durch direkte axonale Verbindungen zur hinteren Hypophyse (Vasopressin- und Oxytocinkontrolle) oder durch Freisetzung von Freisetzungsfaktoren in das Hypothalamus-Hypophysen-Portalsystem (zur Beeinflussung der vorderen Hypophysenfunktion) gesteuert. Es gibt auch Projektionen der Formatio reticularis, die an bestimmten Verhaltensweisen beteiligt sind, insbesondere an emotionalen Reaktionen.

Einige Funktionen sind dem Hypothalamus eigen. Dies sind Funktionen, die eine direkte Eingabe in den Hypothalamus erfordern und bei denen die Antwort direkt über hypothalamische Ausgänge generiert wird. Dazu gehören Dinge wie Temperatur- und Osmolaritätsregulierung. Es gibt viele Funktionen, bei denen der Hypothalamus das interne Melieu überwacht und eine regulatorische Reaktion hervorruft. Dazu gehören die Regulierung der endokrinen Funktionen und des Appetits. Zum Beispiel wird der ventromediale Kern des Hypothalamus als Sättigungsbereich betrachtet, während der laterale Hypothalamusbereich ein Fütterungszentrum ist.

Darüber hinaus gibt es viele komplexe Verhaltensweisen, die vom Hypothalamus gemustert werden, einschließlich sexueller Reaktionen. Der präoptische Bereich ist einer der Bereiche mit dem größten sexuellen Dimorphismus (d. h., Unterschied in der Struktur zwischen den Geschlechtern) und ist zusammen mit den Septumkernen ein Bereich von Gonadotropin-Releasing-Hormon-Projektionen zur medianen Eminenzregion des Hypothalamus. Diese sexuellen Reaktionen beinhalten autonome, endokrine und Verhaltensreaktionen.

Schließlich erhält der suprachiasmatische Kern direkten Netzhautinput. Dieser Kern ist dafür verantwortlich, zirkadiane Rhythmen in den Tag-Nacht-Zyklus zu bringen.

Amygdala

Die Amygdala ist eine wichtige Struktur im vorderen Temporallappen des Uncus. Die Amygdala stellt wechselseitige Verbindungen zu vielen Gehirnregionen her (Abbildung 32), einschließlich Thalamus, Hypothalamus, Septumkernen, orbitalem Frontalcortex, Gyrus cinguli, Hippocampus, Gyrus Parahippocampus und Hirnstamm. Der Riechkolben ist der einzige Bereich, der in die Amygdala eingibt und keine reziproken Projektionen von der Amygdala erhält.

Die Amygdala ist ein kritisches Zentrum für die Koordination von Verhaltens-, autonomen und endokrinen Reaktionen auf Umweltreize, insbesondere solche mit emotionalem Inhalt. Es ist wichtig für die koordinierten Reaktionen auf Stress und integriert viele Verhaltensreaktionen, die am Überleben des Individuums oder der Spezies beteiligt sind, insbesondere auf Stress und Angstzustände. Läsionen der Amygdala reduzieren Reaktionen auf Stress, insbesondere konditionierte emotionale Reaktionen. Die Stimulation der Amygdala erzeugt Verhaltenserregung und kann gerichtete Wutreaktionen hervorrufen.

Verschiedene Reize erzeugen Reaktionen, die durch die Amygdala vermittelt werden. Die Konvergenz der Eingaben ist wichtig, da sie die Erzeugung erlernter emotionaler Reaktionen auf eine Vielzahl von Situationen ermöglicht. Die Amygdala reagiert auf eine Vielzahl emotionaler Reize, hauptsächlich jedoch auf Angst und Unruhe.

Hippocampus

Der Hippocampus ist ein alter Bereich der Großhirnrinde, der drei Schichten aufweist. Dieser befindet sich im medialen Aspekt des Temporallappens und bildet in diesem Bereich die mediale Wand des lateralen Ventrikels. Der Hippocampus besteht aus mehreren Teilen. Der Gyrus dentatus enthält dicht gepackte Granulatzellen. Es gibt einen gekrümmten Bereich des Kortex, der Cornu Ammonis (CA) genannt wird und in vier Regionen unterteilt ist, die CA-Felder genannt werden. Diese werden als CA1 bis CA4 bezeichnet. Diese enthalten prominente Pyramidenzellen. Die CA-Felder verschmelzen mit dem angrenzenden Subiculum, das wiederum mit dem entorhinalen Kortex am Gyrus Parahippocampus des Temporallappens verbunden ist.

Es gibt verschiedene Quellen für Hippocampus-Afferenzen. Diese sind in erster Linie aus dem Septum und Hypothalamus über den Fornix und aus dem angrenzenden entorhinalen Kortex. Diese kortikale Region erhält Input von diffusen Bereichen des Neokortex, insbesondere dem limbischen Kortex, und von der Amygdala. Der entorhinale Kortex projiziert über den perforanten Weg zum Gyrus dentatus des Hippocampus und synapsiert auf Granulatzellen. Diese Granulatzellen verbinden sich mit Pyramidenneuronen in der CA3-Region, die wiederum durch Sheaffer-Kollateralen auf CA1-Pyramidenzellen projizieren. Es sind diese letzteren Zellen, die hauptsächlich den Fornix entstehen lassen. Die Physiologie dieser Signalwege wurde ausführlich untersucht, insbesondere im Hinblick auf langfristige physiologische Veränderungen im Zusammenhang mit dem Gedächtnis. Hippocampus-Neuronen wurden ausführlich in Bezug auf die Langzeitpotenzierung untersucht. Dies erfordert die Aktivierung von Glutamatrezeptoren und führt zu langfristigen Veränderungen der neuronalen Erregbarkeit durch Calcium-vermittelte physiologische Effekte.

Ausgänge aus dem Hippocampus passieren hauptsächlich über zwei Wege. Der erste dieser Ausgänge erfolgt über den Fornix. Diese Fasern ragen über den postkommissuralen Fornix zu den Mamillarkörpern, zu den Septumkernen, zum präoptischen Kern des Hypothalamus, zum ventralen Striatum und zu Teilen des Frontallappens durch den präkommisuralen Fornix. Es gibt eine große Anzahl von Projektionen vom Hippocampus zurück zum entorhinalen Kortex.

Abbildung 31 zeigt viele der wichtigen Signalwege innerhalb des limbischen Systems. Beachten Sie, dass der Hippocampus reziproke Verbindungen mit dem Kortex sowie Ausgänge entlang des Fornix hat. Historisch gesehen wurde angenommen, dass die Schleife, die mit dem Hippocampus beginnt, der zu den Mamillenkörpern vorsteht, mit Relais zum vorderen Thalamuskern, dann zum Gyrus cinguli, zum entorhinalen Kortex und zurück zum Hippocampus, eine wichtige Schaltung ist. Dies erhielt den Namen „Papez Circuit“. Der kreisförmige Charakter dieser Verbindung scheint jedoch nicht von funktionaler Bedeutung zu sein.

Der Hippocampus hat mehrere Funktionen. Es hilft, die Kortikosteroidproduktion zu kontrollieren. Es hat auch einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis räumlicher Beziehungen innerhalb der Umwelt. Darüber hinaus ist der Hippocampus entscheidend an vielen deklarativen Gedächtnisfunktionen beteiligt.

Es gibt verschiedene Arten von Speicher. Explizites oder deklaratives Gedächtnis bezieht sich auf die Erinnerung an Fakten und Ereignisse. Jede Erinnerung, die vollständig in Worten erklärt werden kann, ist von diesem Typ. Implizites oder nicht-deklaratives Gedächtnis ist jedoch auch sehr wichtig. Das Erlernen von Fähigkeiten sowie assoziatives Lernen, wie konditionierte und emotionale Reaktionen, sind häufige Beispiele für nicht-deklaratives oder implizites Gedächtnis. Das explizite Gedächtnis hängt vom medialen Temporallappen und der Beziehung zwischen dem Hippocampus und der entorhinalen Region des Gyrus Parahippocampus ab.

Am expliziten Speicher sind mehrere Bereiche beteiligt. Der Hippocampus spielt eine entscheidende Rolle im Kurzzeitgedächtnis, was absolut notwendig ist, wenn Langzeitgedächtnismuster etabliert werden sollen. Läsionen des Hippocampus beeinflussen alte, etablierte Erinnerungen nicht. Diese Läsionen beeinflussen das neue deklarative Lernen. Letztendlich wird der Speicher in andere Bereiche der Großhirnrinde übertragen, und der Ort der Codierung dieser Speicher kann eine Funktion der Art des Speichers sein. Etablierte Erinnerungen beinhalten Assoziationsbereiche im Frontallappen und im parieto-temporo-occipitalen Assoziationskortex.

Der Hippocampus ist nicht nur aktiv bei der Kodierung von Erinnerungen, sondern auch beim Abrufen von Erinnerungen. Die Aktivierung des Hippocampus zeigt sich in diesem Fall beim Lernen neuer Umgebungen und beim Abrufen von Anweisungen.

Limbischer Kortex

Der präfrontale Kortex liegt vor dem prämotorischen Kortex. Der orbitale frontale Kortex ist der Teil über den Umlaufbahnen. Dieser Teil des Kortex ist beim Menschen extrem gut entwickelt und entscheidend für Urteilsvermögen, Einsicht, Motivation und Stimmung. Es ist auch wichtig für konditionierte emotionale Reaktionen. Der präfrontale Kortex erhält Input von den anderen Bereichen des limbischen Kortex, von der Amygdala und von Septumkernen und hat wechselseitige Verbindungen mit jedem dieser Bereiche und mit dem dorsomedialen Kern des Thalamus.

Eine Schädigung des präfrontalen Bereichs führt zu Schwierigkeiten beim abstrakten Denken, Urteilsvermögen und beim Lösen von Rätseln. Die Auswirkung einer Schädigung des Frontallappens auf die Stimmung hängt von dem spezifischen Teil des geschädigten präfrontalen Kortex ab. Das Verhalten des Patienten wird oft als taktlos beschrieben. Auch dieser Teil des Kortex kann stark von Alkohol beeinflusst werden.

Die Funktion des präfrontalen Kortex ist bei affektiven Störungen abnormal. Depression ist am häufigsten mit einer erhöhten Aktivität in Teilen des Frontallappens, insbesondere den medialen Regionen einschließlich des subgenualen Teils des vorderen cingulären Kortex, und einer verminderten Aktivität im hinteren cingulären Gyrus verbunden.

Olfaction stellt starke Verbindungen mit den vorderen Teilen des Temporallappens und der Amygdala her. Der olfaktorische Kortex ist strukturell einfacher als andere Teile der Großhirnrinde und wird als Allocortex bezeichnet (siehe Abschnitt XI). Es umfasst den präpiriformen und periamygdaloiden Kortex, der den vorderen Teil des Gyrus Parahippocampus umfasst, der den Uncus bedeckt. Bei einigen Arten ist natürlich der Geruch wichtiger als bei anderen. Olfaktorische Filamente kreuzen die cribiforme Platte und synapsen mit Mitralzellen in den Riechkolben. Axone aus diesen Zellen bilden den olfaktorischen Trakt, der sich bilateral bis zu den vorderen temporalen Strukturen sowie zum basalen Vorderhirn erstreckt.

Olfaktorische Signale werden nach ihrer anfänglichen Beendigung im olfaktorischen Kortex an mehrere andere Hirnregionen weitergeleitet. Der olfaktorische Kortex beeinflusst den Frontallappen durch Verbindungen mit dem dorsomedialen Kern des Thalamus. Olfaktorische Kortexprojektionen zur Amygdala können emotionale und endokrine Reaktionen beeinflussen, insbesondere über Verbindungen zum Hypothalamus.

Es gibt mehrere interessante Syndrome, die Aspekte der limbischen Funktionen aufklären. Das Kluver-Bucy-Syndrom tritt bei bilateralen Läsionen der Temporallappen auf. Es blockiert emotionale Reaktionen bei Tieren, die ziemlich fügsam werden. Sie haben keine Angst vor Dingen, auf die ihre Spezies reagieren sollte, zum Beispiel im Falle eines Affen, einer Seillänge. Tiere werden hypersexuell und verhalten sich zwanghaft, insbesondere mit dem Mund.

Wie bereits beschrieben, gibt es Wege durch das Vorderhirn, die an der Verstärkung von Verhaltensweisen und an der „Belohnung“ beteiligt sind. Die elektrische Stimulation dieser Stellen ist für das Verhalten sehr verstärkend. Viele dieser Wege beinhalten Dopamin und sind häufig von Suchtmitteln betroffen. Die Gewöhnung an diese Wege bei chronischer Verabreichung von Suchtmitteln ist eines der wichtigsten Ziele der Suchtforschung. abbildung 26 zeigt die ventralen striatalen Projektionen zum ventralen Pallidum, das wiederum durch den dorsomedialen Kern des Thalamus in limbische Bereiche des Kortex projiziert. Das ventrale Striatum besteht hauptsächlich aus dem Nucleus accumbens, der ein wichtiges Ziel dopaminerger Projektionen aus dem ventralen Tegmentbereich ist.

Verschiedene suchterzeugende Verbindungen beeinflussen die Aktivität der Dopaminübertragung im Nucleus accumbens (mesolimbisch) und frontalkortikalen (mesokortikal) Systeme. Darüber hinaus scheinen diese Signalwege bei Patienten mit Schizophrenie funktionell unausgeglichen zu sein. Es scheint, dass Patienten mit Schizophrenie die Dopamineffekte durch mesokortikale Systeme auf den präfrontalen Kortex verringert haben. Dies kann zu Symptomen wie sozialem Rückzug und verminderter emotionaler Reaktionsfähigkeit führen. Gleichzeitig kommt es zu einem relativen Anstieg der Dopamineffekte über das mesolimbische System zum ventralen Striatalsystem, was zu positiven Symptomen von Wahnvorstellungen und Halluzinationen führt.