Gehirntheorie der Wirbeltiere

ISBN 978-3-00-064888-5

Monografie von Dr. rer. nat. Andreas Heinrich Malczan

3.16  Die erste Erweiterungsphase des urtümlichen Pontocerebellums

In der ersten Erweiterungsphase des Spinocerebellums kam es zur Entstehung einer Moosfaserprojektion und zur Entstehung von Interneuronen im Spinocerebellum. Eine gleiche Entwicklungsphase war im sich bildenden Pontocerebellum zu beobachten. Wir bezeichnen sie daher als erste Erweiterungsphase des urtümlichen Pontocerebellums.

Jedes cortikale Mittelwertneuron der Klasse 6 bezog seinen Input aus den benachbarten Neuronen der Klasse 5, die sich in seiner Umgebung befanden. Wir bezeichnen diese Umgebung als Cortexcluster. Somit empfing jedes Mittelwertneuron der Klasse 6 den Output der Neuronen der Klasse 5 aus seinem Cortexcluster.

Clustertheorem der cortikalen Etage

Jedes Mittelwertneuron der Klasse 6 der cortikalen Etage empfängt seinen Input von den Neuronen der Klasse 5 aus seinem Einzugsgebiet, dem zugehörigen Cortexcluster. Die Mittelwertneuronen projizieren in das Mittelwertzentrum der thalamischen Etage und über den Nucleus ruber und den Nucleus olivaris in die Kletterfasern des Pontocerebellums.

Hinweis:

Die Säulenstruktur der Cortexrinde beruht (nach Ansicht des Autors) auf der Clustereinteilung.

Die cortikalen Mittelwertneuronen projizierten in den Nucleus subthalamicus, der das Mittelwertzentrum der thalamischen Etage bildete. Die Axone der Outputneuronen dieses Kerns erreichten absteigend den Nucleus ruber und hatten ebenfalls keine motorischen Zielneuronen unterhalb dieser Etage, erreichten jedoch die Mittelwertzentren der tieferliegenden Segmente. Der Nucleus ruber leitete sie - wie seinen gesamten Input - an den Nucleus olivaris weiter, so dass sie im sich bildenden Pontocerebellum neue Purkinjezellen generieren konnten.

Diese neuen Purkinjezellen empfingen über das Moosfasersystem genau den cortikalen Input, der ursprünglich in die Mittelwerterregung einbezogen wurde. Diese Signalverwandschaft erleichterte die Zielfindung und führte dazu, dass das Pontocerebellum ein topologisch organisiertes Cortexmodell darstellte.

Theorem des Pontocerebellums als Cortexmodell

Die Cerebellumrinde des Pontocerebellums war ursprünglich ein Modell der Cortexrinde. Die Körnerzellen entsprachen den cortikalen Signalneuronen der Klasse 5, ihre topologische Anordnung entsprach der in der cortikalen Etage.

Die Purkinjezellen entsprachen anfänglich den cortikalen Mittelwertneuronen der Klasse 6, die nach Durchlaufen des Nucleus subthalamicus im Nucleus olivaris eintrafen und von dort als Kletterfasern die Purkinjezellen erreichten.

Anfänglich entsprach die räumliche Anordnung der Neuronen des Pontocerebellums der Anordnung im Cortex, Nachbarschaftsbeziehungen wurden vom Cortexmodell ins Cerebellummodell übernommen. Cortikale Signalneuronen der Klasse 5 eines Cortexclusters projizierten in die Körnerzellen eines zugeordneten Cerebellumclusters. Das Mittelwertneuron der Klasse 6 eines Cortexclusters projizierte über den Nucleus subthalamicus, den Nucleus ruber und den Nucleus olivaris in die einzige Purkinjezelle des zugeordneten Cerebellumclusters.

Jedes Mittelwertzentrum bewirkt eine Aktivierung seiner Signallieferanten. Diese Eigenschaft kann in Signalketten weitergegeben werden, weil die Folgeneuronen letztlich auch Mittelwertneuronen darstellen. Die Mittelwerteigenschaft der Neuronen der Klasse 6 wird quasi -vererbt- auf die Purkinjezellen des Pontocerebellums.

Nun sind Mittelwertneuronen generell befähigt, vorbeiziehende Axone anzuzapfen und deren Erregung in den generierten Mittelwert aufzunehmen. Insbesondere wenn eine Signalverwandschaft besteht. Diese war gegeben zwischen den Cortexneuronen der Klasse 5 eines Clusters und dem zugehörigen Mittelwertneuron der Klasse 6. In Pontocerebellum wurde das Mittelwertneuron durch die Purkinjezelle repräsentiert, die Cortexneuronen dagegen durch die Körnerzellen, die genau deren Signale empfingen.

Daher kam es zu synaptischen kontakten zwischen diesen Neuronen. So wurde jede Purkinjezelle im Pontocerebellum genau von den Körnerzellen erregt, die ihre Signale aus dem zugeordneten Cortexcluster bezogen. Alle Signale aus einem Cortexcluster konvergierten über die Moosfasern und die Körnerzellen auf genau diejenige Purkinjezelle, die das Mittelwertsignal aus diesem Cluster empfing.

Die Purkinjezellen des Pontocerebellums repräsentierten (anfänglich) die cortikalen Mittelwertneuronen der Klasse 6. In jedem Cerebellumcluster gab es genau eine Purkinjezelle, die mit ihrem großen Dendritenbaum die Erregung aus dem Cortexcluster aufsaugte, die sie über die Körnerzellen erreichte.

Damit war das Mittelwertsystem doppelt realisiert: Die Purkinjezellen arbeiteten als Mittelwertneuronen. Das hatte Vorteile: Fiel das cortikale Mittelwertneuron aus, so war sein Signalmittelwert in der zugehörigen Purkinjezelle dennoch präsent.

Theorem der Mittelwerterzeugung durch die Purkinjezellen im frühen Pontocerebellum

Im frühen Pontocerebellum empfing jede Purkinjezelle über die Kletterfaser das Mittelwertsignal aus dem zugehörigen Cortexcluster. Gleichzeitig bildete sie das gleiche Mittelwertsignal aus dem Input der Körnerzellen, die die mittelwertbildenden Signale der Klasse 5 aus dem Cortex über die Brückenkerne empfingen.

Die Purkinjezellen wiederum übertrugen ihre Mittelwerteigenschaft auf die Outputneuronen des Nucleus dentatus, weil alle diese Neuronen in Signalketten miteinander gekoppelt sind. Daher stellen die Outputneuronen im Nucleus dentatus des urtümlichen Pontocerebellums ebenfalls Mittelwertneuronen dar. Aus diesem Grunde wurden auch sie von allen Moosfasern erregt, welche die Signale aus dem zugehörigen Cortexcluster führten.

So wie sich im Verlaufe der Evolution das Pontocerebellum vom Spinocerebellum räumlich abtrennte und eigenständig wurde, so trennte sich auch der Kleinhirnkern des Pontocerebellums vom Kleinhirnkern des Spinocerebellums ab und bildete eine eigenständige Kernstruktur, die als Nucleus dentatus bezeichnet wird. Anfänglich besaß dieser Kern nur wenige Neuronen, deren Anzahl mit der Zahl der Mittelwertneuronen der ersten, cortikalen Etage des frühen Urhirns übereinstimmte. Erst viel später war eine stärkere Zunahme seiner Neuronen zu beobachten, da auch die Anzahl der Rezeptoren und Rezeptorenarten anwuchs und mit ihr ebenso die Zahl der Mittelwertneuronen.

Theorem der Mittelwerterregung der Neuronen des Nucleus dentatus im frühen Pontocerebellum

Im frühen Pontocerebellum empfing jedes erregende Outputneuron des Nucleus dentatus über die Kletterfaser das Mittelwertsignal aus dem zugehörigen Cortexcluster. Gleichzeitig bildete es das gleiche Mittelwertsignal aus dem Input der Körnerzellen, die die mittelwertbildenden Signale der Klasse 5 aus dem Cortex über die Brückenkerne empfingen.

Da nun jede Purkinjezellen das ihr zugeordnete, erregende Outputneuron im Nucleus dentatus hemmte, und beide Erregungen gleichstark waren, würden sich beide theoretisch aufheben. Dann wäre der Output des Pontocerebellums überall das Nullsignal. Hinderlich wäre dies nicht, lediglich ein unnötiger Verbrauch an Ressourcen. Aber wie im Spinocerebellum kam es auch im entstehenden Pontocerebellum zu Interaktionen zwischen den Purkinjezellen und den vorhandenen - hemmenden - Interneuronen, den Korb- und Sternzellen. Diese wirkten mit ihrem Transmitter GABA hemmend auf die Purkinjezellen ein, so dass deren Erregung kleiner war als die des zugehörigen Outputneurons im Nucleus dentatus. Daher gab es einen Restoutput, dessen Stärke von der Hemmungswirkung der cerebellaren Interneuronen abhing. Zusätzlich sollten sich neuronale Phänomene wie die Langzeitdepression (LTD) und die Langzeitpotenzierung (LTP) etablieren, die diesen Output des Pontocerebellums so modifizierten, dass sich neue Vorteile für die betreffenden Lebewesen ergaben. Dies wird in späteren Kapiteln beschrieben.

Die Mittelwertzentren standen untereinander im Signalaustausch. Das erste Mittelwertzentrum, welches von den cortikalen Mittelwertneuronen erreicht wird, ist der Nucleus subthalamicus. Weitere Mittelwertkerne werden von diesem Kern mitversorgt, damit ihre Signalmittelwerte keine Segmentmittelwerte, sondern Körpermittelwerte bilden.

Theorem der Entstehung des Pontocerebellums

Das urtümliche Pontocerebellum entstand als Abkömmling des Spinocerebellums, als dieses von den cortikalen Mittelwertsignalen der Klasse 6 erreicht wurde. Diese wurden beim Durchlaufen des Nucleus ruber auch an den Nucleus olivaris übergeben, dessen Axone als Kletterfasern im bisherigen Spinocerebellum einen eigenen Bereich begründeten, aus dem das Pontocerebellum hervorging.

Die cortikalen Projektionsneuronen der Klasse 5, die ursprünglich zum Mittelwert eines bestimmten Neurons der Klasse 6 beigetragen hatten, erreichten im Pontocerebellum über die Moosfasern und Körnerzellen genau jene Purkinjezelle, an der das Axon des Mittelwertneurons als Kletterfaseraxon endete. Ebenso aktivierten sie die Outputneuronen des sich bildenden Nucleus dentatus.

Mit der Entwicklung von Extremitäten bekam die wurmartige Struktur des Cerebellums zusätzliche seitliche Ausbuchtungen, die ebenfalls einen Mittelwertstreifen besaßen, der dem Pontocerebellum zuzurechnen ist.

Die Neuronen des Pontocerebellums waren Abkömmlinge der entsprechenden Neuronen des Spinocerebellums, der Unterschied lag lediglich in der Neuronenklasse.

Theorem des Unterschieds von Spinocerebellum und Pontocerebellum

Der Kletterfaserinput des urtümlichen Spinocerebellums ist der Neuronenklasse 5 zugeordnet. Der Input entstammt der motorischen Seite der kortikalen Etage und erreicht das kontralaterale Spinocerebellum ausschließlich über den Nucleus ruber, der über den Nucleus olivaris in die Purkinjezellen projiziert. Dieser Input wird vom Spinocerebellum in den zugehörigen Kleinhirnkernen invertiert und dient der inversen Erregung der motorischen Gegenspieler. Der Moosfaserinput entstammt der Neuronenklasse 5 der cortikalen Etage und erreicht nach Durchlaufen der Kreuzungsetage die Kleinhirnkerne des Spinocerebellums, um dort ebenfalls zur nötigen Mittelwerterregung beizutragen. Weiterhin modelliert er als Parallelfaserinput den Output der Purkinjezellen, der zugehörige Algorithmus sichert den Eigenschutz des Körpers und die Übernahme der Reflexe des Eigenapparates des Neuralrohrs bzw. Rückenmarks in das Spinocerebellum. Der Hauptteil der Mittelwerterregung der Kleinhirnkerne entstammt im Spinocerebellum der Formatio reticularis.

Der Kletterfaserinput des urtümlichen Pontocerebellums ist der Neuronenklasse 6 zugeordnet. Über den Nucleus ruber erreicht er den Nucleus olivaris, wo er den Seitenwechsel zum Nucleus olivaris vollzieht und an den Purkinjezellen und dem Kleinhirnkern endet. Die Purkinjezellen projizieren in einen eigenständigen Kleinhirnkern, den Nucleus dentatus. Dessen Outputneuronen empfangen zusätzlich den gleichen kortikalen Output der Neuronenklasse 5 über das Moosfasersystem. Der Input ist sowohl bezüglich der Kletterfasern als auch der Körnerzellen clustertreu, jeder Cortexcluster projiziert in einen zugeordneten Cerebellumcluster des Pontocerebellums. Der Hauptbeitrag zur Mittelwerterregung des Nucleus dentatus entstammt nicht mehr der Formatio reticularis, sondern wird von den Kletterfaser geliefert, deren Signale selbst Mittelwerte von Cortexclustern darstellen.

Schaltungstechnisch gab es zwischen dem Spinocerebellum und dem Pontocerebellum keinen großen Unterschied. Der Kletterfaserinput endete sowohl an den Neuronen des jeweiligen Kleinhirnkerns und an den Purkinjezellen. Der Moosfaserinput erreichte ebenfalls sowohl die Neuronen des jeweiligen Kleinhirnkerns als auch die Purkinjezellen. In allen Fällen waren die Körnerzellen die Vermittler zwischen Moosfasern und den Purkinjezellen. Ebenso fanden sich Interneuronen wie im Spinocerebellum, auf ihre Bedeutung gehen spätere Kapitel ein.

Lediglich der Kletterfaserinput war unterschiedlicher Herkunft. Im Spinocerebellum wurden die Kletterfasern von der Neuronenklasse 5 des Cortex beliefert, im Pontocerebellum dagegen von der Neuronenklasse 6.

Anfänglich wurden die cortikalen Mittelwerte, die die Purkinjezellen des frühen Pontocerebellums über die Kletterfasern und auch über die Moosfasern erreichten, im Kleinhirnkern invertiert und dienten der inversen Erregung der kontralateralen Mittelwertzentren. Das nötige Dauersignal zur Inversion entstammte zunächst der Formatio reticularis. Zu dieser Zeit waren die Cortexcluster relativ klein und die Feuerrate der Mittelwertsignale noch relativ klein. Als sie größer wurden, nahm die Feuerrate der Mittelwertsignale deutlich zu.

Der zugehörige Outputkern des sich bildenden Pontocerebellums spaltete sich jedoch bereits früh ab und bildete den Nucleus dentatus. Die Verbindung zur Formatio reticularis wurde reduziert, der Beitrag der Moosfasersignale zur Mittelwerterregung der Inversionsneuronen im Nucleus dentatus nahm im Verlaufe der Evolution zu.

Da jedes Mittelwertneuron erregend in die Herkunftsgebiete seiner Erregungen projiziert, und die Neuronen des Nucleus dentatus diese Mittelwerteigenschaft übernahmen, projizierten sie ebenfalls in die cortikalen Herkunftsgebiete im Sinne einer Aktivierung. Jedes Outputneuron des Nucleus dentatus kontaktierte ein zugehöriges Projektionsneurone der Klasse 4. Dieses schaltete das Signal auf ein Neuron der Klasse 3 um. Dessen Projektionsaxon wiederum nahm synaptische Verbindungen mit sämtlichen Neuronen der Klasse 5 auf, die ursprünglich in die Mittelwertbildung für das zuständige Neuron der Klasse 6 einbezogen worden waren.

Jedes erregende Dentatusneuron erregte auf diese Weise die Cortexneuronen seines Clusters.

Theorem der abgeleiteten Mittelwertprojektionen des Pontocerebellums

Jede Purkinjezelle und jedes Outputneuron des Nucleus dentatus empfing über die Moosfaserprojektion bzw. die Körnerzellen genau die Cortexsignale der Klasse 5, die diesem Cortexcluster zugeordnet waren. Jedes erregende Outputneuron im Nucleus dentatus des frühen Pontocerebellums projizierte zurück genau in den Cortexcluster, der das Mittelwertsignal für die zugehörige Purkinjezelle lieferte, und erregte alle Signalneuronen der Klasse 5 dieses Clusters. Die Projektion erfolgte vom Nucleus dentatus aufsteigend über Neuronen der Klasse 4 bis in den sensorischen Teil der cortikale Etage. Dort wurden die Signale übergeben an Neuronen der Klasse 3, die zum motorischen Teil des Cortex projizierten. Auf der motorischen Seite wurden diese eintreffenden Mittelwertsignale wieder auf diejenigen Neuronen der Klasse 5 verteilt, die zum zugehörigen Cortexcluster gehörten. So erfolgte vom zugehörigen Dentatusneuron eine Aktivierung der Clusterneuronen der Klasse 5.

Bereits das Spinocerebellum wies eine cortikale Projektion auf. So gab es geschlossene Signalkreise, in denen die Signale rotieren konnten, im Cerebellum manifestierte sich ein Rotationsgedächtnis. Die zugeführten Signale rotierten solange, bis neuer Input über Rezeptoren in diese Schleifen eindrang und über die laterale Hemmung alte Signale hemmte. Daher war die laterale Hemmung so wichtig, sie erlaubte die Abschaltung nicht mehr aktueller Signale.

Das Rotationsgedächtnis war wichtig für die Motorik: Ein Muskel, dessen Motoneuronen keinerlei Signale empfangen, erschlafft umgehend. Soll ein bestimmter Gelenkwinkel unter Belastung eingehalten werden, so braucht es ständige Kontraktionsbefehle in Form von Aktionspotentialen. Die Signalrotation zwischen Cortex und Cerebellum konnte diese absichern. Allerdings war die Signalrotation im Pontocerebellum lediglich aktivierend und noch nicht spezifisch. Alle Cortexneuronen des zugehörigen Clusters wurden gleichermaßen aktiviert. Dies sollte sich später ändern, als die Langzeitdepression und die Langzeitpotenzierung sich zu entwickeln begannen. Die Voraussetzungen waren vorhanden: Die Purkinjezellen des Pontocerebellums wurden über die Kletterfasern durch globale Mittelwertsignale tonisch erregt, während gleichzeitig bestimmte Cortexneuronen im Cluster aktiv waren und über die Moosfaserprojektion die Parallelfasern erregten. Kam es hier zu synaptischen Veränderungen durch LTP oder LTD, so konnte aus der aktivierenden Signalrotation eine spezifische Signalrotation werden. Diese bedurfte wiederum einer lateralen Hemmung, um unterbrochen zu werden.

Unter den Neuronen des Nucleus dentatus gab es, wie zwischen den erregenden Outputneuronen der übrigen Kleinhirnkerne, eine laterale Hemmung durch Interneuronen. Im Nucleus dentatus wird diese laterale Hemmung zur Kontrastverstärkung der Outputsignale von glycinergen Interneuronen realisiert.

Monografie von Dr. rer. nat. Andreas Heinrich Malczan