Hippocampus

Der Hippocampus (Plural Hippocampi) 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. Es gibt einen Hippocampus pro Hemisphäre.

Wortherkunft

Ab 1706 wurde ein Hirnteil nach dem Seepferdchen (lateinisch Hippocampus) benannt, welches seinerseits seit den 1570er Jahren in latinisierter Form nach dem Meeresungeheuer Hippokamp aus der griechischen Mythologie (griechisch ἱππόκαμπος, von ἵππος, „Pferd“ und κάμπος, „Monster“^[1]) bezeichnet wurde,^[2] 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. ^[3]

Anatomie

Abbildung 1:
Lage der Hippocampi (rot) im menschlichen Gehirn:
Ansicht von unten (die Stirn liegt im Bild oben)

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, Hippocampus proprius)
• Subiculum

Zytoarchitektonik

Der Gyrus dentatus stellt die Eingangsstation des Hippocampus dar. 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 (Beachte: Diese Axone haben bis auf den Namen nichts gemeinsam mit den Moosfasern im Kleinhirn).

Abbildung 2:
Zeichnung der neuronalen Verbindungen eines Nagetier-Hippocampus
[von Santiago Ramon y Cajal (1911)]

Der eigentliche Hippocampus 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 Cortex entorhinalis.

Verbindungen

Abbildung 3:
Histologisches Schnittbild eines Hippocampus
DG Gyrus dentatus

Abbildung 4:
Vereinfachtes Schema der Verschaltungen im Hippocampus

In der Hippocampusformation sind erregende Neuronen in einer Kette hintereinandergeschaltet. Die Haupteingangsstation für kortikale Afferenzen ist die äußere Molekularschicht des Gyrus dentatus. Hier treffen, als sogenannter Tractus perforans, die Axonen vom Cortex entorhinalis 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 eigentlichen Hippocampus 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 enden im äußeren Stratum radiatum. Die Pyramidenzellen entsenden Axone in den Fornix, der die Hippocampusformation verlässt und verschiedene Kerne des Hirnstamms erreicht (u. a. Corpora mamillaria, Substantia nigra, Locus caeruleus).

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 Cortex entorhinalis 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 Cortex perirhinalis und Cortex entorhinalis. Seinerseits projiziert es in die Großhirnrinde beider Seiten 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 Cortex entorhinalis 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 caeruleus. 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 Cortex zurückgesandt werden. Damit ist er enorm wichtig für die Gedächtniskonsolidierung, also die Überführung von Gedächtnisinhalten aus dem Kurzzeit- in das Langzeitgedächtnis. Menschen, bei denen beide Hippocampi 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.

Darüber hinaus spielt die Hippocampus-Formation auch eine wichtige Rolle für Emotionen:

1. Personen mit (unipolarer) Depression zeigen reduziertes Volumen der Hippocampus-Formation^[4]
2. die Hippocampus-Formation ist einzigartig in ihrer Vulnerabilität für starke emotionale Stressoren; Tiermodelle zeigen hippocampale Atrophie als Effekt von chronischem emotionalen Stress (bedingt durch Absterben hippocampaler Neurone sowie Reduktion neuronaler Genese im Gyrus dentatus)^[5] und Menschen mit schweren emotionalen Traumata (bspw. Vietnam-Veteranen oder Opfer sexuellen Kindesmissbrauchs) zeigen ebenfalls eine Volumenreduktion der Hippocampus-Formation^[6][7]
3. Menschen mit abgeflachter Affektivität zeigen funktionelle Unterschiede in der Hippocampus-Formation bei der Verarbeitung emotionaler Stimuli.^[8] Insbesondere funktionell-bildgebende Studien, die neuronale Korrelate von Emotion mit Musik untersuchen, berichten Aktivitätsunterschiede der Hippocampus-Formation im Zusammenhang mit musik-evozierten Emotionen.^[9]

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. Rauschtrinken während der Adoleszenz steht im Verdacht, die Ausbildung des Hippocampus nachhaltig zu beeinträchtigen, was im Erwachsenenalter zu Vergesslichkeit und mangelnder räumlicher Orientierung führen kann.^[10]

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 Neurotransmitter, Wachstumsfaktoren, Arzneistoffe, 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 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 etwa 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

Weblinks

 Commons: Hippocampus (anatomy) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Quellen

1. ↑ Eintrag mit Nachweis der ursprünglichen Wortzusammensetzung bei dictionary.com (englisch)
2. ↑ Wortgeschichte des Hirnteils und des Seepferdchens mit Datumsangaben auf etymonline.com (englisch)
3. ↑ T. Koch/R. Berg: Lehrbuch der Veterinär-Anatomie. Fischer-Verlag Jena, 4. Aufl. 1985, Bd. 3, S. 422.
4. ↑ Hippocampal volume and depression. Videbech, P. and Ravnkilde, B. (2004) Am. J. Psychiatry 161, 1957–1966
5. ↑ Hippocampal neurogenesis: opposing effects of stress and antidepressant treatment.. Warner-Schmidt, J.L. and Duman, R.S. (2006) Hippocampus 16, 239–249
6. ↑ Hippocampal volume in women victimized by childhood sexual abuse.. Stein, M.B. et al. (1997) Psychol. Med. 27, 951–959
7. ↑ Does stress damage the brain?. Bremner, J.D. (1999) Biol. Psychiatry 45, 797–805
8. ↑ A cardiac signature of emotionality.. Koelsch, S. et al. (2007) Eur. J. Neurosci. 26, 3328–3338
9. ↑ Towards a neural basis of music-evoked emotions. Koelsch, S. (2010) Trends in Cognitive Sciences, Vol. 14, 131-137
10. ↑ Long-lasting reduction in hippocampal neurogenesis by alcohol consumption in adolescent nonhuman primates. Taffe et al. (2010) PNAS vol. 107, 11104-11109

Die funktionellen Felder der Großhirnrinde

Isocortex
Präfrontaler Cortex | Motorcortex | Somatosensorischer Cortex | Parietaler Assoziationscortex | Auditiver Cortex | Visueller Cortex

Allocortex
Olfaktorischer Cortex | Hippocampus