Das Endziel der afferenten Bahnen zur Kleinhirnrinde ist ein besonderer Zelltyp, die Purkinje-Zelle (Abbildung 19.8). Der Input von der Großhirnrinde zu den Purkinje-Zellen ist jedoch recht indirekt. Neuronen in den pontinen Kernen erhalten eine Projektion von der Großhirnrinde und leiten die Informationen dann an die kontralaterale Kleinhirnrinde weiter. Die Axone aus den pontinen Kernen und anderen Quellen werden aufgrund des Aussehens ihrer synaptischen Terminals als Mossy-Fasern bezeichnet. Moosfasern synaptieren an Körnerzellen in der Körnerzellschicht der Kleinhirnrinde (siehe Abbildungen 19.8 und 19.9). Die Körnerzellen des Kleinhirns gelten weithin als die am häufigsten vorkommende Klasse von Neuronen im menschlichen Gehirn. Sie bilden spezialisierte Axone aus, die als parallele Fasern bezeichnet werden und bis zur Molekularschicht der Kleinhirnrinde aufsteigen. Die parallelen Fasern verzweigen sich in der Molekularschicht und bilden T-förmige Äste, die Informationen über erregende Synapsen an die dendritischen Dornen der Purkinje-Zellen weiterleiten.
Abbildung 19.8
Neuronen und Schaltkreise des Kleinhirns. (A) Neuronale Typen in der Kleinhirnrinde. Man beachte, dass die verschiedenen Neuronenklassen in unterschiedlichen Schichten zu finden sind. (B) Diagramm der konvergenten Eingänge auf die Purkinje-Zelle von parallelen Fasern und lokalen Schaltkreisen (mehr…)
Abbildung 19.9
Erregende und hemmende Verbindungen in der Kleinhirnrinde und den tiefen Kleinhirnkernen. Der erregende Input von Moosfasern und Kletterfasern zu Purkinje-Zellen und tiefen Kernzellen ist grundsätzlich gleich. Zusätzlicher konvergenter Input auf die (mehr…)
Die Purkinje-Zellen stellen das auffälligste histologische Merkmal des Kleinhirns dar. Von einer einzigen darunter liegenden Schicht dieser riesigen Nervenzellkörper (Purkinje-Schicht genannt) ziehen ausgeprägte Dendriten in die Molekularschicht. In der Molekularschicht verzweigen sich die Dendriten der Purkinje-Zellen weiträumig in einer Ebene, die rechtwinklig zur Bahn der parallelen Fasern verläuft (Abbildung 19.8A). Auf diese Weise ist jede Purkinje-Zelle in der Lage, Input von einer großen Anzahl paralleler Fasern zu erhalten, und jede parallele Faser kann eine sehr große Anzahl von Purkinje-Zellen kontaktieren (in der Größenordnung von Zehntausenden). Die Purkinje-Zellen erhalten an ihren dendritischen Schäften einen direkten modulierenden Input von den Kletterfasern, die alle in der inferioren Olive entspringen (Abbildung 19.8B). Jede Purkinje-Zelle erhält zahlreiche synaptische Kontakte von einer einzigen kletternden Faser. In den meisten Modellen der Kleinhirnfunktion regulieren die Kletterfasern die Bewegung, indem sie die Effektivität der moosparallelen Faserverbindung mit den Purkinje-Zellen modulieren.
Die Purkinje-Zellen projizieren ihrerseits in die tiefen Kleinhirnkerne. Sie sind die einzigen Ausgangszellen der Kleinhirnrinde. Da die Purkinje-Zellen GABAerge sind, ist der Output der Kleinhirnrinde vollständig hemmend. Die tiefen Kleinhirnkerne erhalten jedoch einen erregenden Input von den Kollateralen der Moos- und Kletterfasern. Die Hemmung der Purkinje-Zellen in den tiefen Kernen dient dazu, das Ausmaß dieser Erregung zu modulieren (Abbildung 19.9).
Eingänge von lokalen Schaltkreisneuronen modulieren die hemmende Aktivität der Purkinje-Zellen und treten sowohl an den Dendritenschäften als auch am Zellkörper auf. Die stärksten dieser lokalen Eingänge sind hemmende Synapsen-Komplexe, die von Korbzellen um die Purkinje-Zellkörper herum gebildet werden (siehe Abbildung 19.8A,B). Eine andere Art von Neuronen des lokalen Schaltkreises, die Sternzellen, erhalten Input von den parallelen Fasern und liefern einen hemmenden Input an die Dendriten der Purkinje-Zellen. Die Molekularschicht schließlich enthält die apikalen Dendriten eines Zelltyps, der Golgi-Zellen genannt wird; die Zellkörper dieser Neuronen befinden sich in der Körnerzellenschicht. Die Golgi-Zellen erhalten Input von den parallelen Fasern und geben eine hemmende Rückkopplung zu den Ursprungszellen der parallelen Fasern (den Körnerzellen).
Dieser Grundschaltkreis wiederholt sich immer wieder in jeder Unterabteilung des Kleinhirns bei allen Säugetieren und ist das grundlegende Funktionsmodul des Kleinhirns. Die Modulation des Signalflusses durch diese Module bildet die Grundlage sowohl für die Echtzeitregulation von Bewegungen als auch für die langfristigen Veränderungen der Regulation, die dem motorischen Lernen zugrunde liegen. Der Signalfluss durch diesen zugegebenermaßen komplexen intrinsischen Schaltkreis lässt sich am besten anhand der Purkinje-Zellen beschreiben (siehe Abbildung 19.9). Die Purkinje-Zellen erhalten zwei Arten von Erregungseingängen von außerhalb des Kleinhirns, zum einen direkt von den Kletterfasern und zum anderen indirekt über die Parallelfasern der Körnerzellen. Die Golgi-, Stellat- und Korbzellen steuern den Informationsfluss durch die Kleinhirnrinde. Die Golgi-Zellen bilden beispielsweise eine hemmende Rückkopplung, die die Dauer des Inputs der Körnerzellen an die Purkinje-Zellen begrenzen kann, während die Korbzellen eine laterale Hemmung bewirken, die die räumliche Verteilung der Purkinje-Zellaktivität fokussieren kann. Die Purkinje-Zellen modulieren die Aktivität der tiefen Kleinhirnkerne, die durch den direkten erregenden Input, den sie von den Kollateralen der Moos- und Kletterfasern erhalten, angetrieben werden.
Die Modulation der Kleinhirnleistung erfolgt auch auf der Ebene der Purkinje-Zellen (siehe Abbildung 19.9). Diese letztere Modulation könnte für den motorischen Lernaspekt der Kleinhirnfunktion verantwortlich sein. Nach einem von Masao Ito und seinen Kollegen an der Universität Tokio vorgeschlagenen Modell leiten die Kletterfasern die Nachricht eines motorischen Fehlers an die Purkinje-Zellen weiter. Diese Nachricht führt zu einer langfristigen Verringerung der Antworten der Purkinje-Zellen auf die Eingänge der Moos-Parallelfasern. Diese hemmende Wirkung auf die Antworten der Purkinje-Zellen enthemmt die tiefen Kleinhirnkerne (eine Beschreibung des wahrscheinlichen zellulären Mechanismus für diese langfristige Verringerung der Wirksamkeit der Parallelfaser-Synapse auf Purkinje-Zellen findet sich in Kapitel 25). Infolgedessen wird der Output des Kleinhirns an die verschiedenen Quellen der oberen motorischen Neuronen verstärkt, ähnlich wie dieser Prozess in den Basalganglien abläuft (siehe Kapitel 18).