Hippocampus

Der Hippocampus ist ein Bestandteil des Gehirns und zählt zu den evolutionär ältesten Strukturen des Gehirns. Er befindet sich im Temporallappen und ist eine zentrale Schaltstation des limbischen Systems.

Im Gegensatz zu einem weit verbreiteten Irrtum ist der Hippocampus nicht nach dem Seepferdchen (lateinisch Hippocampus „Seepferdchen“) benannt. Der Name leitet sich von einem Meeresungeheuer aus der griechischen Mythologie ab (von griechisch hippos „Pferd“, von griechisch kampos „Seeungeheuer“, „Wurm“), dessen vordere Hälfte ein Pferd, der hintere Teil ein Fisch ist. Das innen, zum Lobus piriformis gelegene Ende des Hippocampus ähnelt beim Menschen den Flossen dieses sagenhaften Ungeheuers. ^[1]

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Anatomie

  Der Hippocampus ist der medial gelegene Teil des Telencephalons (Großhirn) und bildet den sogenannten Archicortex.

Zum Hippocampus gehören mehrere Strukturen (weshalb man auch von einer Hippocampus-Formation spricht):

• Gyrus dentatus
• Cornu ammonis (Ammonshorn)
• Subiculum

Cytoarchitektur

Der Gyrus dentatus stellt die Eingangsstation des Hippocampus dar (siehe Abbildung 2). Seine Nervenzellkörper liegen im Körnerzellband (Stratum granulare). Die Hauptzellen sind erregende, glutamaterge Körnerzellen, die ihre Dendriten in die Molekularschicht (Stratum moleculare) nach außen entsenden. Außerdem gibt es eine Reihe unterschiedlicher hemmender, GABAerger Interneuronen, die durch ihre Morphologie, damit auch durch ihre Ein- und Ausgänge und ferner durch kennzeichnende Proteine unterschieden werden. Die Molekularschicht lässt sich unterteilen in die innere und äußere Molekularschicht. In beiden Teilen befinden sich kaum Nervenzellkörper, sondern nur Nervenfasern. Die Eingänge der beiden Schichten unterscheiden sich jedoch und können mit verschiedenen Färbungen visualisiert werden (siehe unten). Innerhalb des Bogens der Körnerzellschicht befindet sich der Hilus, auch Lamina multiformis genannt. Er enthält einige Interneurone, vor allem aber die Axone der Körnerzellen, die sogenannten Moosfasern.
(Anmerkung: Diese Axone haben bis auf den Namen nichts gemeinsam mit den Moosfasern im Kleinhirn.)  

Der Hippocampus proper ist, als archicorticale Struktur, ebenfalls dreischichtig. Ähnlich wie beim Gyrus dentatus liegen die Nervenzellkörper in einer Schicht, der Pyramidenzellschicht (Stratum pyramidale). Die Hauptzellen sind auch hier glutamaterge Pyramidenzellen, die Dendriten radial sowohl nach innen als auch nach außen schicken und es gibt eine ähnliche Vielfalt an Interneuronen. Als Eingangsschichten gliedern sich nach außen an die Pyramidenzellschicht das breite Stratum radiatum und das schmalere Stratum lacunosum-moleculare an, nach innen das Stratum oriens, welches die Zellkörper der hemmenden Korbzellen enthält. In seiner tangentialen Richtung wird der Hippocampus proper unterteilt in die CA1 bis CA4-Regionen (von Cornu ammonis), wobei nur die CA1- und CA3-Region tatsächlich anatomisch und funktional von Bedeutung sind.

Das Subiculum ist das Übergangsfeld vom dreischichtigen, archicorticalen Hippocampus zum sechsschichtigen Neocortex. Es liegt zwischen der CA1-Region und dem entorhinalen Cortex.

Verbindungen

    In der Hippocampusformation sind erregende Neuronen in einer Kette hintereinandergeschaltet (siehe Abbildung 2 und 4). Die Haupteingangsstation für kortikale Afferenzen ist die äußere Molekularschicht des Gyrus dentatus. Hier treffen, als sogenannter Tractus perforans, die Axonen vom entorhinalen Cortex ein. Sie verschalten auf die ebenfalls erregenden Körnerzellen; daneben aber auch auf einige der verschiedenen Klassen von hemmenden Interneuronen (Vorwärtshemmung). Innerhalb des Gyrus dentatus bewirken andere Interneuronen, die Korb- und Kerzenleuchterzellen, eine Rückwärtshemmung, d. h., sie empfangen Eingänge von Körnerzellen und schalten auf deren Somata bzw. Axonhügel zurück. In der inneren Molekularschicht erhalten die Körnerzellen rückgekoppelte Afferenzen anderer Körnerzellen sowie aus der CA4-Region des Hippocampus proper (assoziative Fasern), sowie commissurale Afferenzen aus dem Gyrus dentatus der anderen Hemisphäre. Die Körnerzellen projizieren über die Moosfasern in das innere Stratum radiatum der CA3-Region des Hippocampus proper auf die dortigen Pyramidenzellen, die ihrerseits erregend sind. Auch hier gibt es durch Interneuronen wieder Vorwärts- und Rückwärtshemmungen. Weitere Afferenzen tauschen die CA3-Regionen der beiden Hemisphären aus; sie terminieren im äußeren Stratum radiatum. Die Pyramidenzellen entsenden Axone in den Fornix, der die Hippocampusformation verlässt und verschiedene Kerne des Hirnstamms erreicht (Corpora mamillaria, Substantia nigra, Locus coeruleus u. a.). Abzweigungen derselben Axone, die Schaffer-Kollateralen, verknüpfen die Kette weiter bis in die CA1-Region, wo sie wiederum an Pyramidenzellen enden. Außerdem erreichen Axone des entorhinalen Cortex das Stratum lacunosum-moleculare der CA1-Region. Die Axone der CA1-Pyramidenzellen bilden einen weiteren Teil des Fornix, außerdem projizieren sie in das Subiculum. Diese Projektion ist der Haupteingang des Subiculums. Daneben erhält es Afferenzen aus dem perirhinalen und entorhinalen Cortex. Seinerseits projiziert es in die diese beiden Cortices zurück, außerdem in den Nucleus accumbens, die Amygdala, den präfrontalen Cortex und den Hypothalamus.

Über die Projektion des Fornix in die Corpora mamillaria ist der Hippocampus eingebunden in den Papez-Kreis, der von James W. Papez 1937 beschrieben und als neuronale Grundlage von Emotionen postuliert wurde. Der Papez-Kreis schließt sich über den Thalamus, den Gyrus cinguli und den entorhinalen Cortex zurück zur Hippocampusformation.

Die gesamte Hippocampusformation erhält außerdem Afferenzen neuromodulatorischer Bahnen. Cholinerge Neuronen im Septum entsenden ihre Axone hierhin, serotoninerge Neuronen der medialen Raphe und Noradrenalin-haltige aus dem Locus coeruleus. Eine sehr schwache dopaminerge Projektion aus dem ventralen Tegmentum ist histochemisch nur schwer nachzuweisen.

Funktionelle Aspekte

Im Hippocampus fließen Informationen verschiedener sensorischer Systeme zusammen, die verarbeitet und von dort zum Kortex zurückgesandt werden. Damit ist er eminent wichtig für die Gedächtniskonsolidierung, also die Überführung von Gedächtnisinhalten aus dem Kurzzeit- in das Langzeitgedächtnis. Menschen, deren Hippocampi (es gibt einen pro Hemisphäre) entfernt oder zerstört wurden, können keine neuen Erinnerungen formen und weisen somit eine anterograde Amnesie auf. Alte Erinnerungen bleiben jedoch meist erhalten. Der Hippocampus wird somit als Struktur gesehen, die Erinnerungen generiert, während die Gedächtnisinhalte an verschiedenen anderen Stellen in der Großhirnrinde gespeichert werden.

Es wurde nachgewiesen, dass sich im erwachsenen Gehirn im Hippocampus neue Verbindungen zwischen bestehenden Nervenzellen bilden (synaptische Plastizität) und dass diese Neubildung mit dem Erwerb neuer Gedächtnisinhalte zusammenhängt. Prädestiniert für die Erforschung von molekularen Lernprozessen ist die Schaffer-Kollaterale, die Verbindung zwischen der CA3- und CA1-Area. Hier befinden sich spezielle Glutamat-Rezeptoren (NMDA), die an der Langzeit-Potenzierung beteiligt sind.

Bei Tieren hat der Hippocampus große Bedeutung für die räumliche Orientierung. Pyramidenzellen im Hippocampus proper repräsentieren jeweils einen Ort im Raum. Menschen mit geschädigten Hippocampi können sich zwar im Alltagsleben orientieren, sind aber außerstande, Wegbeschreibungen zu geben.

Der Hippocampus ist auch für die Koordinierung der verschiedenen Gedächtnisinhalte verantwortlich. Beispielsweise besteht die innere "Karte", die man von z.B. einer Stadt besitzt, aus zahlreichen Eindrücken, die auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten gewonnen wurden. Im Hippocampus werden diese zusammengefügt und man kann sich orientieren.

Neuropathologische Aspekte

Beim Menschen können verschiedene Erkrankungen zu einer Veränderung des Hippocampus führen. Allen voran können Abbauprozesse bei Demenzerkrankungen diese Hirnstruktur schädigen. Darüber hinaus spielt der Hippocampus eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Epilepsieerkrankungen. Die Temporallappenepilepsie ist häufig mit einer mesialen temporalen Sklerose verbunden, die mittels bildgebender Verfahren (Magnetresonanztomographie) diagnostiziert werden kann. Die epilepsiechirurgische einseitige Entfernung der Hippokampusformation stellt eine Möglichkeit zur Behandlung von medikamentös unbeherrschbaren Anfällen dar.

Neurogenese im Hippocampus

Der Gyrus dentatus des Hippocampus ist neben dem Bulbus olfactorius (bzw. der subventrikulären Zone) eine der beiden Strukturen im gesunden Säugetiergehirn, die zeitlebens neue Nervenzellen bilden. Diese Neurogenese von glutamatergen Körnerzellen wurde 1965 von Altman und Das an Ratten entdeckt und widerspricht dem zuvor über Jahrzehnte bestehenden Dogma, die Neuronen des Gehirns wären von der Geburt an vollständig. Trotzdem erregte die hippocampale Neurogenese erst seit den 1990er Jahren wissenschaftliche Aufmerksamkeit, als mithilfe der BrdU-Markierung sich teilender Zellen gezeigt werden konnte, dass Einflüsse wie Stress, Aktivierung des NMDA-Rezeptors, Laufen und reiche Umwelt die Teilungsrate der Zellen und/oder ihre Überlebensrate verändern können. Zahlreiche weitere Studien haben seitdem gezeigt, dass viele Transmitter, Wachstumsfaktoren, Pharmaka, Drogen und Umweltfaktoren (darunter auch Lerntraining) die Neurogenese beeinflussen können. Da sich nur ein kleiner Teil der neugebildeten Zellen zu Neuronen ausdifferenziert, ist es nötig, zwischen den Begriffen Zellproliferation (= Mitose von neuronalen Stammzellen) und Neurogenese (= Bildung neuer Neuronen) zu unterscheiden. Über Nagetiere hinaus wurde die Neurogenese im Hippocampus in dieser Zeit auch bei anderen Säugetieren gefunden, darunter 1998 auch beim Menschen.

Die Funktion der hippocampalen Neurogenese ist noch unklar. Erst seit 2002 ist es möglich, die Zellproliferation durch starke, fokussierte Röntgenstrahlen zu unterbinden und damit aussagekräftige Experimente durchzuführen. Die Ergebnisse dieser Studien sind jedoch bislang uneinheitlich; so geschädigte Tiere zeigen Defizite (aber keinen vollständigen Ausfall) in einigen, aber nicht allen räumlichen Lernparadigmata. Andererseits wurde bei Jugendlichen, die aufgrund eines Hirntumors mit Röntgenstrahlung behandelt wurden, eine fortschreitende und unheilbare anterograde Amnesie beobachtet. Simulationsstudien mit künstlichen neuronalen Netzen deuten auf unterschiedliche mögliche Funktionen der Neurogenese hin: Stabilisierung des Hippocampus gegen äußere Einflüsse, Vermeidung katastrophaler Interferenz, leichteres Vergessen früher gelernter Muster. Zu beachten ist dabei, dass eine neuentstandene Zelle sich erst im Laufe von ca. vier Wochen zum Neuron differenziert, also lange nach dem Ereignis, welches die Teilung angeregt hatte. Es wurde gezeigt, dass neue Neuronen in der Zeitspanne von vier bis 28 Tagen nach Teilung die Lernfähigkeit beeinflussen.

Videos

• Manfred Spitzer: "Einzelnes". RealVideo aus der BR-alpha-Reihe Geist und Gehirn. (ca. 15 Minuten), Folge 09: Hippocampus, 1. Teil
• Manfred Spitzer: "Lernen im Schlaf" RealVideo aus der BR-alpha-Reihe Geist und Gehirn. (ca. 15 Minuten), Folge 10: Hippocampus, 2. Teil

Quellen

1. ↑ T. Koch/R. Berg: Lehrbuch der Veterinär-Anatomie. Fischer-Verlag Jena, 4. Aufl. 1985, Bd. 3, S. 422.