Lobus frontalis – frontaler Cortex

Der Frontallappen umfaßt das gesamte Cortexgewebe anterior des Sulcus centralis und entspricht somit

etwa 30% des gesamten Neocortex.

Konnektivität (Verschaltungen):

Direkt und indirekt mit nahezu allen Hirnregionen; Ausnahme: primärsensorischer Cortex und subcorticale sensorische Relaykerne; nahezu alle Verbindungen sind reziprok: Ausnahme: Basalkerne; durch diese Verschaltungen entsteht eine übergeordnete Hirnstruktur der multimodalen und supramodalen Informationsverarbeitung.

Präfrontaler Cortex:

Kolumnäre Organisation (durchschnittlich 300 bis 700 Mikrometer); vertikale Einheiten mit spezifischen Input-Output-Beziehungen und intrinsisch synaptische Beziehungen. Cortikale Kolumnen wechseln mit ipsilateralen und contralateralen Projektionsverhältnissen ab.

Intercortikale Verbindungen:

Die Verbindungen sind reziprok; wesentlich ist die Verschaltung mit dem parietalen, temporalen und visuellen Assoziationsarealen → diese projizieren auf unterschiedliche präfrontale Areale, sie sind an der Vermittlung des visuellen, auditorischen und somatosensorischen Inputs beteiligt - wechselseitiges präfrontales Feedback;

Neocortikale Regionen entsenden direkt Fasern zum präfrontalen Cortex, andererseits indirekt - über Basalganglien (exekutive Informationsbewertung stattfindend) → parallele Informationsverarbeitung als wesentliche Funktionsgrundlage des präfrontalen Cortex.

Limbische Verbindungen:

Der präfrontaler Cortex ist die einzige neocortikale Regionen, in der eine Repräsentation von Informationen aus limbischen Regionen erfolgt; Grundlage: direkte/indirekte Verbindungen zum Hippocampus, Amygdala und limbischen Cortex: GC, Gph, Th, (nucleus ventralis anterior) und Pulvinar + Verbindungen zum Hypothalamus direkt!

Aus posterior gelegenen parietalen Cortex und präfrontalen Cortex → parallele Projektion zu identischen thalamischen und limbischen Kerngebieten - für räumliche Gedächtnisbildung von Bedeutung? Die von präfrontalen Cortex ausgehenden Verbindungen regulieren sowohl Ein- als auch Ausgänge → „Gating Funktion“ auf limbische Funktionen. Gating limbischer Informationen im Kontext der in präfrontalen Cortex repräsentierten mulitimodalen Informationen!!

Einige Details:

Afferenzen: nicht primär motorische und sensorische Assoziationsareale; auditorischer, visueller, somatosensorischer Cortex; limbischer Cortex , Amygdala, Hippocampus; Thalamus (Pulvinar); Hypothalamus; Locus coeruleus, Tegmentum (Dopamin), Raphekerne (Serotonin), (alle Verbindungen sind reziprok; Ausnahme: Basalkerne: indirekt reziprok – über den medialen Thalamus und den ventral anterioren Thalamus);

Efferenzen: Die Frontallappen (FL) innervieren den posterioren Parietalcortex, den prästriatalen Cortex und den Temporalcortex, Nucleus caudatus zur Steuerung des Aufmerksamkeitsverhalten, Mittelhirn (zentrales Höhlengrau), Nucleus ruber, Substantia nigra - Umgebung; Projektionen zum Hypothalamus und zum limbischen System: Integration und Regulation des emotionellen, sexuellen und appetitiven Verhaltens sowie den damit zusammenhängenden Prozessen;

Efferenzen und Afferenzen

Höhere integrative Funktionen treten mit niedrigerem Funktionen in Wechselwirkungen;

Projektionen zum präfrontalen Cortex (PF) und zu Striatum beeinflussen das Bewegungsverhalten.

Die nun folgenden Ausführungen beziehen eine Reihe von neueren Befunden zum Thema ein und dienen dazu, einen Einblick in die Komplexität die Struktur des präfrontalen Cortex aufzuzeigen; letztlich dient diese Übersicht auch dazu, die Auswertungs- bzw. Interpretationsarbeiten der vorliegenden Befunde zu erleichtern und Einsicht in die vielfältigen Zusammenhänge zu ermöglichen. Literaturmäßig orientiert sich dieser nun folgende Abschnitt an Förstl, H. (2002); Gruber ,O., Arendt T. & Cramon D.H.Y. 2003, Danek A., (2002), Karnath H.–O. & Thier P. (2003), bzw. Thier P. 2003), Ullsperger, M. & von Cramon D. H. Y. (2003). Die „Funktionalitäten“ beziehen dagegen die gesamte Literatur ein.

Zur funktionellen Architektur der präfrontaler Strukturen – einige Merkmale

Ø Der präfrontale Cortex ist nicht Teil einer Sequenz, die vom Reiz zur Reaktion führt, sondern vielmehr eine übergeordnete Instanz, die eine kontextabhängige Weichenstellung vornimmt. Diese Weichenstellung ermöglicht die Auswahl der für das langfristige Überleben des Organismus vorteilhaften Verhaltensweisen.

Ø Der präfrontale Cortex kann seine Aufgabe der kognitiven Kontrolle, der kontextabhängigen Weichenstellung, nur gerecht werden, wenn er über alle Informationen verfügt, die für eine verlässliche Beschreibung des Kontextes erforderlich sind, sprich, wenn er alle nötigen Informationen über den Zustand der äußeren Welt und den Zustand des Organismus erhält und sie in einer stabilen Weise zu assoziieren vermag. Kognitive Kontrolle des Verhaltens erfordert natürlich auch, dass der präfrontale Cortex die „sensumotorischen“ Strukturen kontrollieren kann, die für die Realisierung der Eingangs- und Ausgangsbeziehungen verantwortlich sind.

Ø Dieses Voraussetzungen scheinen gegeben zu sein. Der präfrontale Cortex erhält reiche Eingänge aus den nichtprimären sensorischen Repräsentationen des Okzipital-, des Parietal- und des Temporallappens. Diese Projektion aus dem sensorischer Assoziationscortex bevorzugt die lateralen und dorsalen Anteile des präfrontalen Cortex, wo auch die Integration der Information erfolgt. Sie werden ergänzt durch Eingänge aus Teilen des Cortex, die, wie etwa Areal 8, ihrerseits Ziele einer multimodalen Konvergenz sind, sowie aus den Bereichen sensorischer und mulitimodaler Assoziationsareale, limbischer Regionen sowie Basalganglien. Dies erfolgt auf der Ebene des präfrontaler Cortex durch lokale Interneuronen → die dendritische Ausdehnung überspannt mehrere cortikale Schichten und Kolumnen.

Ø Diese Projektionen vermitteln ein Bild der Außenwelt. Sie werden ergänzt durch Informationen über den internen Status des Organismus mit seinen Erinnerungen und Erfahrungen, seinen Bedürfnissen und Wünschen über Eingänge aus dem Hippocampus, dem limbischen System und dem dopaminergen System des ventralen Tegmentums.

Ø Der dopaminerge Eingang dürfte eine entscheidende Rolle für die Fähigkeit des präfrontalen Cortex spielen, sich an veränderte Randbedingungen anzupassen und die jeweils adäquaten Bias-Signale anzubieten.

Bemerkungen zu den funktionen frontaler Strukturen

Beschreibungsebenen der Frontalhirnfunktionen

Während man sich allgemein darüber einig ist, dass das Frontalhirn eine wichtige Rolle bei der Realisierung „höhere“ kognitive Funktionen ausübt, besteht noch kein Konsens über die nähere Spezifizierung dieser Funktionen.

Im Allgemeinen wird das Frontalhirn als essentieller Bestandteil der Netzwerke angesehen, die die sog. „Exekutivfunktionen“ ausführen. Dazu zählen zum Beispiel: die Modulation der Aufmerksamkeit, der Wechsel zwischen attentionalen Einstellungen, die Hemmung (Inhibition) von Verarbeitung und Handlungsausführung, die Antizipation und Auswahl von Handlungszielen, das Problemlösen, das strategische Abwägen in Planungen, das perzeptiv-mnemonische und motorisches Sequenzieren, das Überwachen (Monitoring) von Repräsentationen, das Beibehalten eines Zieles und die Evaluation von Rückmeldungen.

Gemeinsam ist diesen Funktionen, dass sie gleich weit entfernt zu sein scheinen von der Oberfläche, mit der der Organismus im Kontakt zur Außenwelt steht. Sie wirken auf elementare oder routinierte kognitive Fähigkeiten steuernd und modulierend ein.

Die Mehrheit der genannten Exekutivfunktionen kann unter dem Oberbegriff Handlungsplanung zusammengefasst werden. Daran schließt sich eine weitere Gruppe von Funktionen an, die häufig als Monitoring (also Überwachung) bezeichnet werden. Gemeint ist ein Abgleich mnemonischer Handlungs-, Mittel- und Zielrepräsentationen mit dem jeweils aktuellen Stand der Handlung unter steter Zielbeibehaltung und Rückmeldungsevaluation.

Diesen beiden übergeordneten Aspekten exekutive Funktionen, die einerseits die Planung, andererseits die Durchführung einer Handlung betreffen, stehen die Funktionen gegenüber, die als Aufmerksamkeitskontrolle zusammengefasst werden können. Hierbei handelt es sich um eine andere Beschreibungsebene, denn Mechanismen wie wechselnde Aufmerksamkeit und Hemmung perzeptueller, motorischer und mnemonischer Prozesse sind sicherlich sowohl für die Planung als auch für die Durchführung von Handlungen notwendig. Es ist daher zu fragen, ob man diese Funktionsgruppe überhaupt als eigenständige, von der Handlungsplanung und -kontrolle unabhängige Funktionsklasse betrachten kann.

In engem Zusammenhang zu Aufmerksamkeit Kontrolle steht die Funktion des Arbeitsgedächtnisses. Darunter wird das temporäre Aktivhalten und die Manipulation von sensorischen, aber auch motorischen Repräsentationen bezeichnet.

Schließlich ist das Frontalhirn über die sog. Exekutivfunktionen hinaus auch für die Encodierungs- und Abrufprozesse des Langzeitgedächtnisses bedeutsam.

Bemerkungen zum frontalen Augenfeld ( FEF= frontal eye field):

Bei visuellen-räumlichen Aufmerksamkeitswechsel wird dieses Feld aktiviert. Bei Studien mit verdecktem Aufmerksamkeitwechseln zeigen sich Aktivierungen im Cortex um den Sulcus frontalis superior. Dieses Gebiet ist also sowohl für die Planung intentionaler Augenbewegungen als auch für die visuelle Aufmerksamkeitskontrolle wichtig. In einer Reihe von fMRI-Studien wurde zunächst verdeckt die Aufmerksamkeit auf einem bestimmten Ort gerichtet (Vorbereitungsphase), wo später ein visuelle Zielreiz auftauchen könnte (Dedektionsphase). In der Vorbereitungsphase korrelierte die Aufmerksamkeitszuwendung mit starken Aktivierungen des FEF, der prä-SMA (= prä-suplementär motorisches Areal(e)) und parietaler Areale (LPs, Sulcus interparietalis) und schwächeren Aktivierungen im primären und sekundären visuellen Cortex in Abwesenheit eines visuellen Stimulus. Nachdem in der Dedektionsphase ein visueller Zielreiz dargeboten wurde, steigerte sich die Aktivität im visuellen Cortex weiter während die Aktivierungen im FEF, prä-SMA und parietal konstant blieben. Dieses Aktivierungsmuster wurde als Hinweis auf eine Top-down-Modulation des visuellen Cortex durch das frontoparietale Netzwerk interpretiert (Hopfinger, 2000). In fMRI-Studien zur Aufmerksamkeitsmodulation finden sich des weiteren sehr konsistent Aktivierungen der median gelegenen frontalen Strukturen, speziell des anterioren Gyrus cinguli (A24, 32) und oft auch der Prä-SMA (A6). Dabei zeichnet sich ab, dass diese Aktivierungen an die Reaktionsauswahl und -ausführung und/oder einen Wechsel der Aufmerksamkeit (z.B. Ortswechsel, Dimensionswechsel) gebunden sind.

Die Richtung der Aufmerksamkeit auf neue, unbekannte und unerwartete Reize ist wichtig, um die Relevanz dieser Reize zu evaluieren und gegebenenfalls die Handlung zu adaptieren. Aus einer Studie geht hervor, dass der laterale präfrontale Cortex wichtig für die Ressourcenumverteilung der Aufmerksamkeit hin zu neuen, potentiell signifikanten Umweltreizen ist.

Arbeitsgedächtnis

Es ist die Voraussetzung für Kopfrechnen, Vorstellen von Schachzügen, Formulierungen eines Satzes, Komposition eines Musikstückes; auf der Basis von Untersuchungen handelt es sich um zwei unabhängige Komponenten, die dass ältere Konstrukt „Kurzzeitgedächtnis“ ablösen.

Zwei Speicher vorhanden:

· für Information akustischer/sprachlicher Natur = phonologische Schleife und

· visuellen/räumliche (= visuell-spatialer Notizblock) bilden zusammen das Arbeitsgedächtnis (Baddeley, 1996).

Darüber hinaus ist es eine zentrale Exekutive - Leistungen wie Mehrfachtätigkeiten (dual task performance), Ausrichter und wechselte Aufmerksamkeit sowie die Steuerung des Gedächtnisabrufes (Baddely, 1996);

Aufgaben mit Antwortverzögerung (delayed response tasks); die Aktivität bleibt auch aufrecht, wenn ein auslösernder Reiz nicht mehr vorhanden ist.

Einigkeit besteht darin, dass der präfrontale Cortex eine bedeutete Rolle in der Funktion des Arbeitsgedächtnisses innehat.

Der Fokus der gegenwärtigen Forschung liegt auf der Frage, auf welche Weise die Arbeitsgedächtnisfunktionen im Frontalhirn implementiert sind. Dabei gibt es derzeit zwei konkurrierende Hauptkonzepte. Einige Forscher sind der Ansicht, dass die funktionell-anatomisch Organisation des präfrontalen Cortex auf den Inhalt der Information basiert (Goldmann-Rakic, 1996). Das bedeutet, dass alle präfrontalen Regionen ähnliche Aufgaben erfüllen (nämlich das Halten, eventuell auch Manipulieren von Informationen), jedoch auf inhaltlich verschiedenen Modalitäten spezialisiert sind (domänenspezifisches Modell). Neuronen mit Reaktionen auf den Ort des Reizes liegen getrennt (dorsolateral) von solchen, die auf seine Eigenschaften reagieren (ventral).

Andere Forschergruppen vertreten dagegen ein funktionsspezifisches Modell, das besagt, dass der präfrontale Cortex polymodal arbeitet, jedoch einzelne Areale auf bestimmte kognitive Funktionen spezialisiert sind (Petrides, 1996; Owen, 1998).

Experimentell werden diese Hypothesen mit folgenden Fragen untersucht:

Ø Welche Areale sind aktiv, wenn verschiedene Typen von Information (Objekte, Lokalisationen, Reaktionsrepräsentation, verbale Informationen) gehalten werden?

Ø Welche Areale sind aktiv, wenn verschiedene kognitive Funktionen (sensorische, motorische, Halte-und Manipulationsfunktionen) ausgeführt werden?

Die Ergebnisse sind derzeit widersprüchlich. Wahrscheinlich ist es nicht möglich, derart einfache die Organisationsprinzipien des präfrontalen Cortex anzunehmen. Es ist denkbar, dass beide Konzepte (Modelle), die sich nicht unbedingt ausschließen müssen, gleichermaßen ihre Berechtigung haben und dass verschiedene präfrontale Anteile sich hinsichtlich der Gewichtung der verarbeitete Informationsdomänen und der ausgeführten kognitiven Funktionen unterscheiden. Einige Beispielbefunde sollen nun beide Konzepte illustrieren.

Evidenz für domänenspezifische Modelle

Dieses Modell basiert auf Daten, die bei nichtmenschlichen Primaten gewonnen wurden. In Analogie zum dorsalen und ventralen Verarbeitungsweg visuelle Informationen im posterioren Anteilen des Gehirns wird postuliert, dass Areale dorsal des Sulcus principalis bei Affen auf die Verarbeitung visuellen-räumlicher Informationen spezialisiert ist, während ventral davon gelegene Areale des präfrontalen Cortex nicht räumliche, objektbezogene Informationen verarbeiten. Läsionsstudien und Einzelzellableitungen legten nahe, dass in dorsolateralen Arealen Neurone stärker bei visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisaufgaben aktiviert sind, während Aufgaben, ohne räumlichen Anteil (Objekt- oder Gesichtererkennung, taktile Informationen etc.) eher Neurone der inferioren Konvexität involvieren.

Die Übertragung diese Ergebnisse auf das menschliche Gehirn ist mit verschiedenen Schwierigkeiten verbunden. So müssen einerseits hinreichend ähnliche Arbeitsgedächtnis-Prozesse bei Menschen und anderen Primaten angenommen werden, andererseits müssen die anatomischen Homologe der eben beschriebenen Areale des Affengehirns beim menschlichen Gehirn bestimmt werden. Dennoch lassen einzelne funktionell- bildgebende Befunde beim Menschen ein zumindest teilweise ähnliches Funktionsprinzip vermuten. So finden sich erwartungsgemäß bei der Verarbeitung verbalen Materials (und beim Halten in der phonologischen Schleife) Aktivierungen an im Areal 44 ( Pars opercularis des frontalen Cortex). Die Datenlage und die Interpretationen sind aber derzeit noch recht widersprüchlich, unter anderen auch dadurch bedingt, dass die durch die Versuchspersonen verwendeten Strategien für die Lösung der Arbeitsgedächtnisaufgaben (z.B. verbal versus nonverbal; objektbezogene oder räumliche Rekodierungen) nicht leicht kontrollierbar sind.

Evidenz für funktionsspezifisches Modelle

Mehrere aktuelle Metaanalysen bildgebender Studien verglichen die Aktivierungen bei räumlichen und nicht räumlichen Arbeitsgedächtnisaufgaben. Dabei wurde für beide Typen verarbeiteter Informationen Aktivierungen in den gleichen Arealen des präfrontalen Cortex, speziell im Bereich des GFm (Areale 9, 46) beschrieben. Dagegen fanden sich in den posterioren Assoziationscortizes dissoziierbare Aktivierungen für räumliches und nichträumliches Material. Diese Befunde wurden dahingehend interpretiert, dass die aktivierten Bereiche polymodal arbeiten, also Informationen verschiedener Domänen auf ähnliche Weise verarbeiten. Zur Testung funktionsspezifischer Konzepte wurden meist 2 Hauptfunktion des Arbeitsgedächtnisses, das „Halten“ (maintenance) und „Manipulieren“ („manipulation) von Informationen, verglichen. Der häufig zusätzlich gebrauchte Begriff „Monitoring“ ist meist ungenau definiert und stellt in seiner wörtlichen Bedeutung „Überwachung“ sicher einen allgemeineren, nicht nur auf das Arbeitsgedächtnis zu beziehenden Mechanismus dar. Eine Vielzahl von bildgebenden Studien berichtete Aktivierungen im Bereich des fontolateralen Cortex (meist als ventrolateraler präfrontaler Cortex bezeichnet; Areale 47, 44, 45), die mit dem Halten von Information im Arbeitsgedächtnis assoziiert waren. Dagegen wurden bei der Manipulation zusätzlich Areale oberhalb des Sulcus frontalis inferior aktiviert, meist im Bereich des GFm (Gyrus frontalis medius, Arial 9, 46; häufig ungenau als dorsolateraler präfrontaler Cortex bezeichnet). Spätere Studien zeigten, dass Cortex des GFm auch bei Halteaufgaben aktiviert wird, jedoch nur bei hoher Arbeitsgedächtnis-Belastung bzw. beim Enkodieren der Informationen im Arbeitsgedächtnis und in geringerem Maße auch bei Manipulationsaufgaben (z.B. D'Esposit et al.o, 2000). Die Interpretationen dieser Befunde sind zum Teil noch umstritten, doch können sie zumindest als Hinweis auf eine funktionsspezifische Strukturierung des präfrontalen Cortex gewertet werden. Es bleibt zu klären, ob mit Begriffen wie Halten, Manipulation und Monitoring die Funktionen des Frontalhirns im Arbeitsgedächtnis treffend beschrieben sind oder ob auch hier andere Beschreibungsebenen angemessen wären.

Funktionsspezifische Modelle postulierten, dass verschiedene präfrontale Regionen auf verschiedene Arbeitsgedächtnisfunktionen (z.B. Enkodieren, Halten, Manipulieren) spezialisiert sind und jede Modalität verarbeiten können.

Handlungsplanung, -durchführung und –evaluation

Befunde dazu stammen aus einer Untersuchung von Koechlin, 2000: Dabei ging es um Handlungssequenzen, die vorhersehbar bzw. nicht hervorhersehbar waren. In der nicht vorhersehbaren Bedingungen wurden frontopolare Aktivierungen (Arial 10) gefunden, wohingegen die fest determinierte Aufgabensequenz Aktivierungen an der frontomedialen Wand (medianer Anteil von Arial 10 und Areal 32) zeigte. Diese frontomedianen Aktivierungen lagen weiter anterior als bei einer Vergleichsaufgabe, bei der fest definierte Antwortsequenzen abgefragt wurden (also Aufgaben- und Reaktionsfolgen vorher bekannt waren). Die frontopolaren Areale waren also aktiv, wenn weder für die Aufgabe noch für die Reaktionen feste Pläne erstellt werden konnten. Anteriore frontomediane Rindenfelder waren bei der Umsetzung von festen Aufgabenfolgen mit jedoch nicht vorhersagbaren Reaktionssequenzen verstärkt beteiligt und Prä-SMA/SMA wurden bei der Umsetzung fester Reaktionsfolgen aktiviert. Ähnliche Aktivierungsmuster der frontomedianen Cortexareale zeigten sich auch in der Zusammenschau verschiedener fMRI-Studien von Ullsperger & al., 2003.

Evaluation eigener Handlungen

Die Entdeckung von Handlungsfehlern ist wichtig für die Korrektur und/oder die Vermeidung späterer Fehler in ähnlichen Situationen. Auf Grund der seit mehreren Analysen durch Ullsperger & al. wurden frontomediane Strukturen wie prä-SMA und der anteriore GC sowie Strukturen des lateralen Frontalhirn als mögliche Generatoren der NE (gemeint ist das ereigniskorrelierte Potenzial - eine negative Deflexion „error negativity“ (NE)) angesehen. Weiteren Aufschluss gaben erste fMRI-Untersuchungen, in denen in „Fehlerdurchgängen“ Aktivierungen an der prä-SMA des GC und des opercularen Anteiles des GFi (Arial 44) beobachtet wurde. Derzeit wird angenommen, dass die medialen Strukturen prä-SMA und GC eine Rolle bei der Detektion (Wahrnehmung) von Konflikten (z.B. zwischen intendierter und ausgeführter Handlung) spielen, während die lateralen Areale des präfrontalen Cortex möglicherweise die aus der Fehlerdetektion folgenden Strategiemodifikationen initiieren.

Gedächtnisfunktionen

Hier soll es um den Beitrag präfrontaler Strukturen zu Gedächtnisfunktionen gehen. Läsionen an präfrontale Areale führen zu einem anderen Muster von Gedächtnisstörungen als Schädigung des mediodorsalen Temporallappens (Shimamura, 1996). Bei meist erhaltener Fähigkeit zur Wiedererkennung gelernten Materials ist die freie Wiedergabe vermindert. Dies scheint auf eine Störung der Anwendung von Gedächtnisstrategien hinzuweisen, ebenso wie der Befund, dass häufiger irrelevante Informationen abgerufen werden (verstärkte proaktive Interferenzen von früher gelernten auf später zu enkodierendes Material). Auch der Abruf des Kontextes episodischer Gedächtniseinträge (Herkunftsgedächtnis) ist bei präfrontalen Läsionen gestört. Des Weiteren fällt auf, dass diese Patienten ihre Gedächtnisleistungen häufig schlecht selbst einschätzen können.

Läsionen des präfrontalen Cortex führen zu einem anderen Muster von Gedächtnisstörungen als bei amnestischen Syndromen; insbesonders sind betroffen:

Ø die freie Wiedergabe,

Ø das Herkunftsgedächtnis und

Ø das Wissen über die Gedächtnisinhalte und Abrufstrategien

Auch in bildgebenden Studien wurden häufig Aktivierungen präfrontaler Cortexareale bei Gedächtnisabruf beobachtet. Ihre funktionelle Signifikanz wird dabei hinsichtlich verschiedener Aspekte diskutiert: Abrufmodus, Abruforientierung, Abrufaufwand, Abruferfolg.

Funktionelle Spezialisierung des Frontalhirns

Die funktionelle Organisation erweist sich als außerordentlich komplex und ist nicht mit einfachen Kartentierungen zu beschreiben. Es sollen hier nur einige Punkte auf der Basis der funktionellen Bildgebung über die Funktionen einzelner Anteile des Frontalhirns formuliert werden.

Ø Der dorsolaterale präfrontale Cortex (insbesondere der Bereich des GFm) erscheint eine wichtige Rolle bei der Manipulation von im Arbeitsgedächtnis gehaltenen Informationen zu spielen. Beim einfachen Halten von Informationen ist er anscheinend vor allem notwendig für das Enkodieren im Arbeitsgedächtnis und die Abschirmung von ablenkenden Informationen. Des weiteren erscheint dieser Teil des präfrontalen Cortex eine wichtige Rolle bei Suchprozessen im Arbeitsgedächtnis innezuhaben.

Ø Für die Abwehr beziehungsweise Auflösung von Interferenzen verschiedenster Art ist ein etwas weiter posterior gelegeneres Arial von wahrscheinlich größerer Bedeutung: das Gebiet um den Verbindungspunkt von Sulcus frontalis inferior und Sulcus precentralis inferior. Diese Struktur ist nach Auswertungen von fMRI- Befunden bei einer größeren Anzahl von Probanden äußerst invariant und wirkte in der Ontogenes schon sehr früh ausgebildet. Sie scheint eine besondere Bedeutung für die Strategieänderungen bei auftretenden Konflikten konkurrierender Prozesse oder Stimuli zu haben.

Ø Das Rindengebiet um dem Sulcus frontalis superior scheint verschiedenste Aspekte der Orientierung zu unterstützen. Anteriore Areale sind dort häufiger beim Suchen im Langzeitgedächtnis aktiviert, posterior Areale und das FEF häufiger bei räumlichen Aufmerksamkeitswechsel.

Ø Der prämotorischen Cortex, dieses zwischen präfrontalen und motorischen Cortexarealen vermittelnde Rindenband scheint die momentan als verhaltensrelevant gewichteten Umweltreize einerseits und die assoziierten motorischen Möglichkeiten andererseits sequenziell aufeinander abzustimmen und durch diese Sequenzierung ein ausgerichtetes Verhalten in der Zeit zu gewährleisten. Bemerkenswert ist dabei die zweifache funktionelle Gewichtung längs dieser linken Struktur, nämlich zum einen die enge topologische Beschränkung mit dem sensumotorischen Cortex, zum anderen aber die Tendenz, dass perzeptuell (external) geleitetes Verhalten eher laterale, mnemonisch (internal) generiertes Verhalten hingegen eher mediane Aspekte des prämotorischen Cortex SMA involviert.

Die Medianwand

Der frontomediane Cortex beinhaltet die medianen Abschnitte des GFs (Areale 11,10, 9, 8, 6) mit dem Arial SMA (Arial 6) und den anterioren GC (Areale 24, 32). Vor allem, prä-SMA und Anteile des anterioren GC werden, wie schon dargestellt, bei der Vielzahl von kognitiven Aufgaben aktiviert. Als Gemeinsamkeit in diesen Studien scheinen sich herauszustellen, dass diese Areale bei der Detektion handlungsrelevanter Konflikte und Diskrepanzen (z.B. konkurrierende Handlungsintentionen, Diskrepanz zwischen intendierter und tatsächlich initiierter Handlung) besonders involviert sind. Weiter anterior finden sich seltener Aktivierungen der Medianwand. Dabei scheint es, dass die Anteriorisierung der frontomedianen Aktivierungen mit einer Zunahme von Freiheitsgraden oder Abnahme der Konkretheit einhergeht (siehe die Abb. auf der nächsten Seite). Auf diesen Befund basierend ließe sich spekulieren, dass sich über diese Rindenfelder von anteriorer nach posterior ein Übergang von Möglichkeit, Option, Volition, Absicht, Initiierung und Umsetzung der Handlung abbildet. Diesbezüglich sind noch einige experimentelle Studie notwendig.

(nach Ullsberger, M. & Yves von Cramon, D. , 2003, aus Karnath und Thier, 2003))

Zusammenfassung

Das Frontalhirn ist an einer Vielzahl kognitiver Funktionen maßgeblich beteiligt. Dazu zählen einerseits die exekutiven Funktionen, wie Handlungsplanung, Handlungskontrolle, Arbeitsgedächtnis und Inhibition irrelevante Informationen, andererseits die Erkennung und Evaluation neuartiger Reize sowie Enkodierungs- und Abrufprozesse des Langzeitgedächtnisses. Bildgebende Verfahren geben Hinweise auf die funktionelle Spezialisierung unterschiedlicher Areale der frontalen Hirnrinde und auf ihre Einflüsse auf posteriore Hirnabschnitte.

Ø Laterale Abschnitte des präfrontalen Cortex übernehmen demnach Aufgaben wie das Halten und die Manipulation von Arbeitsgedächtnisinhalten (GFm), die Interferenzabwehr (Sulcus frontalis inferior) und Gedächtnissuchprozesse (anteriorer GFs und frontalis Augenfeld).

Ø Frontomediane Strukturen scheinen eher internal geleitete Verhaltensaspekte zu verarbeiten und eine wichtige Rolle bei der Handlungskontrolle zu spielen.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die genannten Areale niemals allein, sondern immer in komplexen Zusammenspiel sich häufig überlappender Netzwerke die sehr komplexen kognitive Funktionen des menschlichen Gehirns ermöglichen.

Funktionell lassen sich mehrere große „Zonen“ unterscheiden:

Funktionalitäten des Broca-Areals - Gyrus frontalis inferior GFi A44 -

auch Operculum frontale A45 ® Gyrus frontalis medius, GFm: A6, A8), - Broca Zentrum (motorische Sprachzentrum)

a) zeitliche Organisation der Sprache, Sprachausdruck, insbesondere Grammatik und des frontalen Augenfeldes

b) verbale und zeichnerische Flüssigkeit

c) Rechtschreibung

d) „Kopfrechnen“

Funktionalitäten des frontoorbitalen Cortex

(Gyrus rectus ,GR und Gyrus orbitalis, GO, A11, A47)

a) Links-Rechtsasymmetrie: linke Läsion: Sprachfluss gestört; rechte Läsion?

b) emotionale und motivationale Verhaltensaspekte

c) Sozialverhalten; Beachtung sozialer Regeln: bei Schädigung emotionale Störungen und Enthemmung (Impulsivität - unkontrolliertes Verhalten)

d) Flexibilität im Denken unter Beachtung von Randbedingungen

e) Es bestehen Assoziationen frontoorbitaler Areale mit emotionalen, sozialen und motivationalen Verhaltensaspekten (Lane et.al., 1997, Fletcher, et al., 1995, Elliot et al., 1997), woraus auf eine wesentliche funktionale Rolle für positives und negatives Verstärkungslernen geschlossen werden kann (Rolls, 2000).

Funktionalitäten des frontomedialen Cortex

Cortikale Areale: anteriorer cingulärer Cortex (nicht nur A24 sondern auch A32 + mediale Abschnitte von A10 und A9 (ACC-Komplex - Anterior Cingulte Cortex)

Funktionell (viele Studien):

a) Exekutive Kontrolle des Verhaltens - Lösung von Konflikten zwischen konkurrierenden Antworttendenzen und für die willkürliche Selektion von Handlungsalternativen zuständig (z.B. bei Stroop-Interferenzenaufgaben);

b) involviert in die Überwachung der Umwelt auf mögliche Antwortkonflikte und in die Generierung von Triggersignalen für die Mobilisierung von Kontrollprozessen (Prado et al. 1990, Carter et al., 2000, Botvinick et al., 2001);

c) Aktivierung bei der Präsentation inkongruenter Stimuli (bei der Seltenheit dieses Stimuli mit hohen Antwortkonflikt (und weniger Kontrollprozessen) besonders stark!)

d) Überwachung und Detektion von Antwortkonflikten - SMA - frontormediales Areal - für Detektion von Konflikten gleichzeitig aktivierter Antworttendenzen zuständig;

e) Detektion von Fehlern - cinguläreres motorisches Areal (CMA) - beide Funktionsareale zeigen nur geringe Überlappung.

f) A32, A9, A10 - Hinweise für die Regulierung intrinsischer Anstrengungsbereitschaft (mit klinischen Befunden übereinstimmend - Reduktion einzelner oder aller Erscheinungsweisen des Antriebs (Bewegung, Sprach-Willensantrieb) bis zum akinetischen Mutismus.

Funktionalitäten des primären und sekundären motorischen Cortex

Gyrus precentralis (GPrC A4,6): Primär motorischer Cortex, motorische Exekutionszentren.

Speicherung motorischer Engramme im Dienste komplexer motorischer Aktivitäten

Jede Stelle im primären motorischen Cortex kontrolliert die Bewegungen einer bestimmten Muskelgruppe und jede erhält über den somatosensorischen Cortex ihr Feedback. Die meisten Bereiche des Gyrus precentralis dienen der Kontrolle von Körperteilen, die komplizierte Bewegungen ausführen, wobei wahrscheinlich zwei verschiedene Gebiete im primären motorischen Cortex jeder Hemisphäre existieren, welche jeweils die kontralaterale Hand steuern.

Gyrus frontalis superior (GFs, A6)

a) Motorisches Planungszentrum, Speicher von Bewegungsprogrammen

b) Supplementäres motorisches Areal (SMA): Das SMA spielt eine wichtige Rolle bei der Auswahl und Steuerung von komplexen, koordinativen Bewegungen; SMA = auch für die Programmierung einzelner Bewegungen in koordinierter Bewegungsfolge während des Lernens neuer Bewegungssequenzen, auch bei der Durchführung von Bewegungsabfolgen, die von internen Gedächtnisrepräsentationen ausgelöst werden. Die differenzierte Rolle der einzelnen cortikalen motorischen Felder wird derzeit erst in Ansätzen sichtbar; Sprachantriebsregion - Gyrus frontalis superior (GFs - A6 dorsomedial) laterale Bereich von A6 (prämotorischer Cortex): für Auswahl von Verhaltensweisen als Reaktion auf externe Signale zuständig; s. auch bei „primär motorischer Cortex“:

c) supplementäre Bereich von A6 (oder A8a?): Auswahl auf der Grundlage von internem Wissens??

Gyrus frontalis medius (GFm):

a) Kontrolle und Initiation der Willkürmotorik, Teil des präfrontalen Cortex, Teil des sogenannten „Working Memory“.

b) Involviert in höhere kognitive Funktionen in Verbindung mit Persönlichkeit, Einsicht und Voraussicht.

Gyrus frontalis medialis (GFd):

a) Als medialer Teil des Gyrus frontalis superior Teil des supplementären motorischen Areals (SMA).

b) Höheres motorisches Planungszentrum.

Funktionalitäten des präfrontalen Cortex (PF)

A8 -12, A44 - A47 und A24 und A32:

Persönlichkeit:

a) Selbst, Selbstwahrnehmung, (auch) Ichbewußtsein

b) eine eigene Gefühlssphäre vorhanden

c) Weltanschauungen?

Planung und Zeit: Zeitliche Organisation des Verhaltens: höchste Form des menschlichen Verhaltens - Planung, Auslösung, Sequenzierung, Überwachung und Beendigung von komplexem Verhalten → Steuerung von Verhalten über die Zeit als zentrale Aufgabe der Exekutivfunktion

a) Tertiäre Ebene der motorischen Kontrolle

b) Ebene der Reaktionsauslösung, Anpassung an Reaktionsmuster

c) Programmierung und Planung von Handlungsfolgen: Zukunftsorientierung; Verhalten im Voraus planen und die richtigen Verhaltensläufe auswählen; Planung eigenständiger auf die Zukunft ausgerichteter Verhaltensweisen; zur richtigen Zeit und am richtigen Ort die richtigen Bewegungen auswählen

d) ablenkende Reize ignorieren und bei begonnenem und ausgewähltem Verhalten bleiben;

e) Behalten, was erledigt ist;

f) Zeitliche Strukturierung von Sinneswahrnehmungen; Planung und kontextgerechtes Handeln im Sprechen; (allgemeine) Verhaltensbewertung

g) PF immer aktiviert, wenn ein Reiz eine zeitliche Diskrimination erfordert (zeitliche Abschätzung der zukünftigen Ereignisse);

h) Antizipation: Reafferenzen über die abgelaufenen Bewegungen am Parietal- und Temporallappen erlauben die Antizipation und Planung der motorischen Abläufe – siehe auch „Koordinationsfunktion“

i) stabile Kontingenzen zwischen Reaktionen und deren Konsequenzen

j) Antizipation und Planung der motorischen Abläufe

k) Ausbildung von Erwartungshaltungen

Problemlösen und Kreativität:

a) logisch-analytisches, problemlösendes Denken (Abstraktionsvermögen, induktives, deduktives Denken, Plausibilitätsprüfung),

b) Problemidentifikation

c) Problemanalyse

d) Generierung von Hypothesen zur Lösung

e) Auswahl der Strategie

f) Modifikation der Strategie

g) Bewertung der Effizienz des Lösungsverfahrens, der Lösung

h) divergente Denkprozesse – Kreativität - ebenfalls von dieser Region abhängig,

i) Abstraktionsvermögen für zeitlich räumliches Gestalten

j) Bedeutung von Szenendarstellungen (Mimik von Gesichtern)

Sozialverhalten:

adaptives Verhalten im Sozialbereich, Initiative

Aufmerksamkeit:

Aufmerksamkeitssteuerung - gemeinsam mit dem parietalen Cortex – vorderes Aufmerksamkeitssystem ® in enger Verbindung mit den vorderen cingulären Cortex und den Basalkernen, Sitz des Arbeitsgedächtnisses –jedoch in Zusammenarbeit mit anderen Arealen – s.u.

a) Leistungen wie Mehrfachtätigkeiten (dual task performance), Ausrichter wechselnder Aufmerksamkeit sowie die Steuerung des Gedächtnisabrufes (Baddely, 1998);

b) Aufgaben mit Antwortverzögerung (delayed response tasks); die Aktivität bleibt auch aufrecht, wenn ein auslösender Reiz nicht mehr vorhanden ist; Neuronen mit Reaktionen auf den Ort des Reizes liegen getrennt (dorsolateral) von solchen, die auf seine Eigenschaften reagieren (ventral). Frontale, aber auch temporale Läsionen beeinträchtigen auch bei Menschen die Leistungen bei den delayed response tasks.

Gedächtnis:

Beteiligung im Rahmen des Arbeitsgedächtnis (=Voraussetzungen für Kopfrechnen, Vorstellen von Schachzügen, Formulierungen eines Satzes, Komposition eines Musikstückes); auf der Basis von Untersuchungen handelt es sich um zwei unabhängige Komponenten, die dass ältere Konstrukt „Kurzzeitgedächtnis“ ablösen:

Zwei Speicher vorhanden:

¨für Information akustischer/sprachlicher Natur = phonologische Schleife und

¨visuellen/räumliche (= visuellspatialer Notizblock) bilden zusammen das Arbeitsgedächtnis (Baddeley, 1996, s.u.) :

a) rechts, links, Steuerung des bewußten Gedächtnisablaufes: Frontalcortex kontrolliert, was an Informationen aus dem Langzeitgedächtnis gebraucht wird, um das Arbeitsgedächtnis zu bilden (modulare Prozesse?).

b) auf das engste mit der Analyse und Langzeitspeicherung somatosensorischer, visueller und auditorischer Information

c) Erkennnungsgedächtnis-Leistungen, assoziatives Lernen; essentiell für logisches Lernen

Koordinierungsfunktion:

Dazu detaillierte Informationen über sensorische Reize und dem Kontext der Situation aus dem parietalen und temporalen Cortex sowie dem motivationalen Wert der gespeicherten Situation notwendig.

Spezifische Zuordnungen

Ø Lobus paracentralis (Lpc): Kontrolle von Verhaltensweisen (was ist „erlaubt“?)

Ø Inselregion - Störung: Worttaubheit, Sprachagnosi oder Leitungsagnosie

Neurotransmitter - Verbindungen zum präfrontalen Cortex (direkte Projektion!)

Monoaminerge Transmitter

noradrenerge Fasern aus dem locus coeruleus

dopaminerge Fasern aus der Area ventralis tegmentalis

serotonerge Fasern aus den Raphekernen

cholinerge Fasern aus dem Nucleus basalis Meynert

kontrollieren dadurch auch andere cortikale Areale aminerg und cholinerg. Dopaminerge Interventionen sind wichtige Voraussetzungen für die Funktion des präfrontalen Cortex.

Aminosäure Transmitter

Gama Aminobuttersäure (GABA)

Glutamat

Aspartat

Neurotransmitter der intrinsischen Neuronensysteme des präfrontalen Cortex; Neuropeptide im präfrontalen Cortex als Neuromodulatoren nachgewiesen, Neuropeptide (Somatostatin + Substanz B) zur Geburt ausgereift.

Weitere Befunde zum präfrontalen Cortex

¨ Bearbeitung von episodischen Gedächtnisinhalten: gesteigerter Blutfluss im linken Frontallappen, bei Abruf ist die Aktivität jedoch rechts höher, wahrscheinlich im Zusammenhang mit dem Temporallappen (Verbindung über Fasc. uncinatus; Kroll et al. 1997).

¨ Weichenstellung zwischen alternativen Reiz-Reaktionsketten (Beispiel: Telefonklingeln zu Hause oder bei anderen Leuten (Besuch). Top-down-Kontrolle als übergeordnete Steuerfunktion (Miller, 2000);

¨ „Contention scheduler“ bestimmt automatisch zwischen kognitiven Prozessen, welche Handlungskette jeweils die Oberhand behält: von Außenreizen oder durch Abschluss des aktuellen aktiven Schemas aktiviert. Beispiel: Autofahren - Teilhandlungen automatisch; übergeordnet - von Außenreizen unabhängige, bewusst kontrollierte Instanz des „supervisory attention systems“, das bei unerwarteten Situation eingreift! System für Nichtroutinesituationen zuständig (Shallice et al. 1989) → dafür soll der vorderen G. cinguli verantwortlich sein (Gazzaniga et al., 1998).

¨ Ähnlichkeit der Funktionsabläufe (Grafman, 1995) im Frontalhirn mit den kognitiven Operationen anderer Hirnregionen bestehend; bei den vermeintlich höheren frontalen Leistungen handelt es sich nicht um grundlegend andere Prozesse.

¨ Somatische Marker: Entscheidungen treffen versus Entscheidungsunfähigkeit: Für Entscheidungen reicht es nicht aus, sich Handlungen und ihre Konsequenzen vor Augen zu führen = unüberschaubare Möglichkeiten - abkürzender Mechanismus notwendig: bewusster, vorsortierender Mechanismus leistet eine Gewichtung für Entscheidungen auf Grund der Erfahrungen des Organismus als angenehm (Glücksgefühl), schmerzlich (unangenehmes Gefühl im Magen) oder indifferent → Bewertung alternativer Handlungsmöglichkeiten, um verträgliche, sozial akzeptierte und konstruktive Handlungen vs. destruktive vorzuziehen. Große Teile des Frontalhirns zur Generierung von Szenarien möglicher Entscheidungen und dem Jonglieren mit ihnen tragen dazu bei. Neuronales Substrat für somatische Marker: ventromedialer Frontallappen (Gyrus orbitalis) + anteriorer Gyrus cinguli + Nucleus Amygdala + Hypothalamus erlaubten bei den „Zugriff“ auf die angebotenen oder erworbenen Koppellungen mit aktuellen oder erinnerten Körperzuständen: (Damasio, 1991, 1995).