Hans Förstl


Frontalhirnhistorie


Historische Konzepte der

Frontalhirnfunktionen und -erkrankungen


Denkerstirn und Evolution
Götter, Philosophen und Dichter werden in griechischen Skulpturen meist mit besonders ausgeprägter, Arbeiter und Athleten mit eher schmächtig entwickelter Stirn gezeigt (Zanker 1995). Die Denkerstirn als Ausdruck großer Geisteskraft findet sich auch noch später als ikonographisches Merkmal bedeutender, genialer Menschen. Bekannt sind etwa entsprechende Büsten Goethes und Beethovens. Georges Cuvier (1805), ein Polyhistor, fand eine stetige Zunahme des Camper-Gesichtswinkels (Winkel zwischen den Profillinien Gehörgang – Nasenöffnung und Nasenöffnung – Stirn) vom niedrigen Primaten bis zum weißen Europäer und zog daraus Rückschlüsse auf die geistige Leistungsfähigkeit. 1854 befand Gratiolet, die Größe des Frontallappens unterscheide Mensch und Tier. Ernst Haeckel illustrierte in seiner Entwicklungsgeschichte des Menschen die Beziehung von embryonaler Hirnentwicklung und Stirnbildung (Abb. 1.1).

Terminologie
Constanzo Variolo (1573) unterschied in den Hemisphären einen vorderen, mittleren und hinteren Anteil (prominentia). Thomas Willis (1664) bezeichnete die durch die Fissura sylvii getrennten Hirnteile als Lobus anterior und Lobus posterior. Francois Chaussier (1807) führte mit der Differenzierung von 4 Hirnlappen den Begriff Lobus frontalis ein. Richard Owen (1868) benützte erstmals den Begriff “Präfrontalkortex”. Luciani und Tamburini (1878) verwendeten den Terminus “präfrontal”, also vor dem Gyrus präzentralis gelegen.

Kammerdoktrin
In der klassischen Ventrikellehre der Kirchenväter wurde die vordere Hirnkammer mit Wahrnehmungsaufgaben in Verbindung gebracht. Von dieser Hirnkammer wurde angenommen, dass sie die engsten Nervenverbindungen zur Außenwelt habe. Hier wohnt das Sensorium commune, während die rationalen Leistungen in der mittleren, Gedächtnis und Bewegung in der hinteren Hirnkammer angesiedelt werden (Clarke, Dewhurst 1973; Magoun 1957; Abb. 1.2). Dieses Modell orientiert sich am Aufbau griechischer Tempel in denen Gericht gehalten wurde. Dort wurden die Information in der ersten Kammer gesammelt, in der zweiten erwogen und in der dritten fiel die Entscheidung. Das Sensorium commune kann gleichzeitig als Ort des Bewusstseins aufgefasst werden, in dem alle Empfindungen zusammenfließen. Noch Soemmering (1796, S. 32f.) glaubte, es ließe “sich wahrscheinlich machen, wo nicht beweisen: Daß dies Sensorium commune in der Feuchtigkeit der Hirnhöhlen (Aqua Ventriculorum Cerebri) bestehe, oder in der Feuchtigkeit der Hirnhöhlen sich finde, oder wenigstens in der Feuchtigkeit der Hirnhöhlen gesucht werden müsse; kurz: daß die Flüssigkeit der Hirnhöhlen das Organ derselben sey.”

Kasuistiken
Eine Reihe klinischer Beobachtungen lieferte erste Hinweise auf die Funktion des Frontalhirns. Guido Lanfranchi beschrieb 1315 zwei Soldaten mit Gedächtnisstörungen und anderen intellektuellen Defiziten nach Stirnhirnläsionen. Felix Platter (1614) beschrieb einen Patienten mit apathischer, demenzähnlicher Symptomatik, bei dem sich ein Tumor über dem Corpus callosum im
Bereich des Frontallappens fand. Der Anatom Friedrich Burdach (1819–1826) bemerkte einen Zusammenhang zwischen angestrengtem Nachdenken und nachfolgendem frontalbetontem Kopfschmerz und zog daraus die entsprechenden funktionell-neuroanatomischen Schlüsse. Larrey (1829) beschrieb
Patienten mit Aphasien, Gedächtnisstörungen und Verwirrtheitszuständen nach frontalen Hirnläsionen. Bouillaud (1825) brachte den Frontallappen mit Sprachfunktionen in Verbindung. De Nobele (1835; zitiert nach Blumer u. Benson 1975) beschrieb den Fall eines vordem verschlossenen, einfältigen 16-Jährigen, der sich mitten in den orbitalen Stirnanteil schoss und erblindete. Er schien danach gleichgültig und sogar läppisch enthemmt. 1848 erlitt Phineas Gage mit 25 Jahren eine schwere Sprengverletzung, bei der eine 1 m lange und 3 cm dicke Eisenstange Kiefer und Kalotte durchschlug und dabei mediale Anteile vor allem des linken Frontallappens zerstörte. Er überlebte den Unfall um mehr als 12 Jahre und starb an einem epileptischen Anfall. Sein Verhalten war nach dem Unfall schwer verändert; er war unvernünftig und jähzornig (Harlow 1868). Jastrowitz (1888) beobachtete an Patienten mit Stirnhirntumoren eine “bitter-launige” Gemütslage mit einem Hang zum “läppischen Ironiesieren”, den er “Moria” nannte. Oppenheim (1889) bezeichnete diesen inadäquaten Humor als “Witzelsucht”. Leonore Welt (1888) schloss aus eigenen Beobachtungen und der Literatur, dass besonders rechts medioorbitale Läsionen zu Veränderungen des Charakters und verhältnismäßig geringen kognitiven Störungen führen. Bianchi (1894, 1895) behauptete, der Präfrontalkortex verbinde die Wahrnehmungen mit Emotionen und sorge für den “psychischen Tonus”. Bei einer Läsion werde somit diese Syntheseleistung gestört.

Organologie
Emanuel Swedenborg ordnete etwa 1740 den vorderen Hirnanteilen die Aufgaben Denken, Vorstellung und Gedächtnis zu; er betrachtete den Stirnlappen als übergeordnetes Funktionsareal, bei dessen Läsion der Wille verloren gehe. Nach 1810 formulierten Franz Gall und Johann Spurzheim die Grundthesen der Phrenologie auf den Annahmen, dass sich

1.    im Gehirn differente Organe, zuständig für bestimmte Teilleistungen, abgrenzen ließen (Organologie) und
2.    die Ausprägung dieser Organe an der Schädelform abgelesen werden könne (Kranioskopie).

Sie lokalisierten im Frontallappen die höchsten mentalen Leistungen, etwa Gedächtnis und Sprache. Mitentscheidend war die frühe Beobachtung Galls an einem Mitschüler mit hervortretenden Augen, der ein auffallend gutes Gedächtnis besaß. Spurzheim (1833) vertrat nachhaltig die Ansicht, Geisteskrankheiten seien Gehirnkrankheiten (diese Feststellung wird meist fälschlich Wilhelm Griesinger zugeschrieben), schränkte aber ein, die Bedeutung der Kopfform dürfe weder übersehen, noch überschätzt werden (Spurzheim 1833, S. 109). George Combes “System der Phrenologie” (1833) ordnete dem Präfrontalkortex sowohl Gefühle, als auch Denkvermögen und Erkenntnisvermögen zu und lässt damit eine oberflächliche Nähe zur klassischen Kammerdoktrin erkennen (Abb.1.3). Es war sicherlich ein wichtiges Verdienst der Phrenologie, die Hirnsubstanz und nicht die Ventrikel als Substrat intellektueller Leistungen vorzuschlagen. Combe erwähnte in seinem populären Werk (1833; S. 380) eine Kasuistik, in der ein Zusammenhang zwischen neuropathologisch verifizierter linksfrontolateraler Hirnläsion und motorischer Aphasie belegt wurde. Ähnliche Zusammenhänge wurden später von anderen, z.B. Dax und Broca, mitgeteilt, waren aber schon in den umfangreichen klinisch-neuropathologischen Sammlungen von Abercrombie und Andral enthalten, ohne von diesen selbst gewürdigt zu werden (Förstl 1991). Die Zurückhaltung mancher Autoren in der Zuordnung von Funktion und Lokalisation kann als Gegenbewegung zu den Auswüchsen der Phrenologie aufgefasst werden, die ohne ausreichende empirische Basis eine Un-
zahl postulierter Partialleistungen in kleinen kortikalen Arealen ansiedelte (s. Abb. 1.3).

Tierexperimente
Flourens (1824, 1842) vertrat die antilokalisationistische zerebrale Äquipotenztheorie, also die funktionellen Einheitlichkeit der Hemisphären, die er in Tierversuchen zu untermauern versuchte. Fritsch und Hitzig (1870) stellten tierexperimentell fest, der Präfrontalkortex sei nicht elektrisch stimulierbar (Abb. 1.4); seine Extirpation führte zu keiner sensiblen oder motorischen Lähmung, sondern zu einem Nachlassen der intellektuellen Leistung. Sie schlossen daraus, der Präfrontalkortex sei das Organ für abstraktes Denken, zuständig für Intelligenz und Aufmerksamkeit. Sie wagten also den Schritt von der lokalisatorischen Zuordnung leicht beobachtbarer sensomotorischer Reaktionen hin zu höheren geistigen Leistungen. Hitzig (1874) betonte dabei ausdrücklich die Ähnlichkeiten zwischen Menschen und Schimpansen. Broadbent (1872) argumentierte, gerade jene zwischengeschalteten Nervenzentren, die keine direkten sensorischen Afferenzen erhalten und keine direkten motorischen Efferenzen aussenden, müssten als Sitz er intellektuellen Verarbeitung angesehen werden. David Ferrier (1892) bestätigte die elektrische Unerregbarkeit des Präfrontalkortex. Experimentelle Läsionen an Versuchstieren führten nicht zu fassbaren motorischen Defiziten, jedoch je nach Lokalisation zu Apathie oder Reizbarkeit und Enthemmung von Bewegungsmustern. Er vermutete, das Stirnhirn sei für Aufmerksamkeitsleistungen zuständig. Munk (1877, 1890) meinte, bei Ferriers früheren Beobachtungen an Affen handele es sich v.a. um unspezifische Operationsfolgen. Er teilte in diesem Punkt Goltz’ (1877) Auffassung, der Präfrontalkortex diene komplexen motorischen Aufgaben. Franz (1915) konnte in Tierexperimenten mit standardisierten Lernparadigmen eine Beteiligung des Präfrontalkortex an Gedächtnisleistungen belegen.

Neuro- (“Psycho”-)Chirurgie
Burckhardt (1891) führte an mehreren Patienten mit schweren psychischen Erkrankungen Hirnrindenexzisionen im Frontal- und Parietalbereich durch. Egas Moniz (1937) und Freeman und Watts (1942) propagierten in einer Ära, die kaum wirksame Behandlungsverfahren bei schweren Erkrankungen kannte, die Psychochirurgie in den Varianten Leukotomie, Lobotomie oder Topektomie zur Behandlung unterschiedlichster neuropsychiatrischer Störungen von der Epilepsie bis zu Schizophrenie, Zwangskrankheit und Alkoholismus. Penfield und Rasmussen (1950, S. 226) beobachteten, dass Patienten, während große Teile des Präfrontalkortex neurochirurgisch entfernt wurden, weiter sprachen, ohne das Bewusstsein zu verlieren (“unaware of the fact, that he is being deprived of that area which most distinguishes his brain from that of a chimpanzee”) und dass etwaige postablative Defizite hinsichtlich Planen und Initiative vom Patienten oft nicht bemerkt wurden. Daraus schlossen sie, dass der Präfrontalkortex nicht  den Sitz des Bewusstseins, sondern die engste Verbindung zur obersten Organisationsebene des Dienzephalons darstellt. Diese Annahme lag auch aufgrund elektrophysiologischer Befunde von Moruzzi und Magoun (1949) nahe. Luria (1969) betrachtete die Störung von Aufmerksamkeit und Konzentration sowie eine Unfähigkeit komplexere Arbeitssequenzen auszuführen als neuropsychologische Charakteristika der Frontallappenläsionen und erklärte damit zum einen die Apathie, zum anderen den Konkretismus der Patienten.

Empirisch gestützte Modelle
Flechsig (1896, S. 63) gewann den Eindruck, da seine Läsion mit einer “Herabsetzung aller persönlicher Bethätigungen, der activen Aufmerksamkeit, des Nachdenkens u.dgl.m. einhergeht […] sei das frontale Centrum […] an dem aus sich heraus hemmend und anregend wirkenden ICH betheiligt”. Er hatte die späte Myelinisierung und – im Vergleich zu anderen Teilen des Neokortex – mangelnde Reife des Präfrontalkortex nachgewiesen. Für Anton und Zingerle (1902, S. 187) repräsentierte das menschliche Stirnhirn ein Aggregat aller Sinnessphären, deren Zusammenarbeit die psychische Leistung ermöglicht; “damit bleibt noch keineswegs ausgeschlossen, dass dem Stirnhirne als Theil der motorischen und Körperfühlsphäre sowie eventuell als Centralstation für einzelne Theile des Kleinhirns eine führende, ordnende Bedeutung für die gesamte Intelligenzleistung zukommt”. Mills und Weisenburg (1906) betrachteten den Präfrontalkortex vor allem der linken Hemisphäre als Sitz höchster mentaler Fähigkeiten und zitieren Beispiele einer besonders hohen morphologischen Entwicklung bei großen Geistern, die sie mit Befunden an psychisch Kranken verglichen.
Karl Kleist (1934) kartierte anhand seiner Erfahrungen bei Hirnverletzten die Funktionen des gesamten Kortex und ortete u.a. Antrieb, tätige Gedanken, Gesinnungen, Ausdauer sowie Selbst- und Gemeinschafts-Ich im Frontalhirn (Abb. 1.5). Er registrierte Enthemmungsphänomene, emotionale Veränderungen sowie kriminelles Verhalten nach frontoorbitalen Läsionen, während nach Konvexitätsläsionen Antriebs-, Initiativ- und Willenlosigkeit auffielen. Blumer und Benson (1975) bezeichneten die ensprechenden Syndrome als pseudopsychopathisch und als pseudodepressiv (pseudoneurasthenisch). Holmes (1931) unterschied 3 Syndrome nach Frontallappenläsionen:

1.    Apathie und Indifferenz,
2.    Depression, intellektuellen Abbau, Inkontinenz und
3.    Rastlosigkeit, Reizbarkeit, überbordende Euphorie, kindisch läppisches Gebaren und besonderen Egoismus.

Cummings (1985) differenzierte:

1.    das Konvexitätssyndrom mit Apathie, Indifferenz, psychomotorischer Retardierung, Haltlosigkeit und Stimulusabhängigkeit sowie verminderter Abstraktionsfähigkeit,
2.    das mediale Frontalhirnsyndrom mit reduzierter Motorik (Mimik, Gestik) und eingeschränkten Sprach- und Gefühlsäußerungen sowie
3.    das orbitofrontale Syndrom mit Enthemmung, Ablenkbarkeit, Impulsivität, emotionaler Labilität bei eingeschränkter Einsichts- und Urteilsfähigkeit.
 
Nauta (1973) untersuchte die Verbindungen des Präfrontalkortex zum limbischen System. Diese Ergebnisse verwendeten Alexander et al. (1990) und v.a. Benson (1994) und seine Schüler, um den 3 vorgeschlagenen klinischen Präfrontalsyndromen bestimmte kortikosubkortikale Regelkreise zuzuordnen:

1.    dorsolateraler-präfrontaler Kortex – Caudatum – Globus pallidus, Substantia nigra – Thalamus (ventral anterior und mediodorsal),
2.    Gyrus cinguli anterior – Nukleus accumbens – Globus pallidus, Substantia nigra – Thalamus (mediodorsal) und
3.    lateral-orbitofrontaler Kortex – Caudatum – Globus pallidus, Substantia
nigra – Thalamus (ventral anterior und mediodorsal).

Dieses Modell orientiert sich an den derzeit üblichen Methoden und Konzepten Strukturen und Funktionen zu korrelieren.

Epistemologie
Von Monakow erläutert die immer noch aktuellen prinzipiellen methodischen und konzeptionellen Schwierigkeiten bei der Analyse frontaler Leistungen:

“Das Schwierigste bei der Erörterung der physiologischen Bedeutung vor allem des Stirnhirns und der Lokalisation der geistigen Vorgänge ist wie bei allen komplizierten wissenschaftlichen Problemen, die richtige Fragestellung; eine solche ist meines Erachtens zurzeit überhaupt noch gar nicht möglich. Der Verstand und die anderen höheren Leistungen des Zentralnervensystems (geistige Konzentration, Gesittung) sind allgemein psychologische Begriffe, die sich [...] weder ins Physiologische und noch vollends ins Anatomische übersetzen lassen, wenigstens heute nicht, wo wir noch nach den Lokalisationsprinzipien für die roheren physiologischen Operationen im Kortex (Sinneswahrnehmung, Fertigkeits- und Ausdrucksbewegungen etc.) ringen (m.E. aber auch in Zukunft nicht). Die Intelligenz ist eine enorm komplizierte Ableitung aus einer Unsumme von Einzelverrichtungen, die durch die Tätigkeit der Sinne und des Muskelapparates im Verlauf des gesamten Vorlebens und insbesondere der Kinderzeit sukzessive erworben werden. Nun sind aber schon die allerersten, an die Tätigkeit eines jeden einzelnen Sinnes
unmittelbar sich anknüpfenden psychischen Akte so verwickelte und
sicher unter integrierender Mitarbeit des ganzen Kortex sich abspie-lende Dinge, die man unmöglich vom Gesichtspunkte einer Lokalisation nach Windungen und Rindeninseln betrachten kann” (Monakow 1914, S.  879f.).

Ausführliche Darstellungen zur Historie der Erforschung des Frontallappens/Präfrontalkortex etc. finden sich in Feuchtwanger (1923), Finger (1994), Häfner (1957), Markowitsch (1992), Marshall und Magoun (1998) und in vielen der zitierten Arbeiten.

(aus: Frontalhirn - Funktionen und Erkrankungen. 2. Aufl. Springer Verlag, 2005)

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Abb.1.1. Ernst Haeckels Illustration zur Entwicklung des menschlichen Gesichts findet sich als erste Tafel in der “Anthropogenie oder Entwicklungsgeschichte des Menschen” (1874). Sie zeigt die Beziehung zwischen der Ausbildung des Vorderhirns (v) und der Stirn. Die Gestalt entspricht antiken Idealen (Aus: Haeckel 1874)

Abb.1.2. Seit der Antike wurden den Hirnkammern bestimmte Funktionen zugeordnet (Kammerdoktrin). Die vordere Hirnkammer enthält nach dieser Auffassung den “Sensus communis” bzw. das “Sensorium commune”. Dahinter wurden Phantasie, Kognition, Urteilskraft und im letzten Ventrikel das Gedächtnis lokalisiert. Aufgrund der engen räumlichen Beziehungen zu den Sinnesorganen lag es nahe, der vorderen Hirnkammer den Sinn für die Außenwelt zuzuordnen und sie als Zentrum für die Einheit des Erlebens aufzufassen. Die Theorie hatte Bestand bis in die Renaissance und wurde z.T. bis ins Zeitalter der Aufklärung weiterentwickelt. Die Abbildung entstammt der Chirurgie des Hieronymus Brunschwigk (1525)

Abb. 1.3. George Combe lokalisierte in seinem “System der Phrenologie” (1833) zahlreiche mentale Fakultäten im Frontalhirn, nämlich –    Empfindungen
I.    Triebe
 8    Erwerbtrieb,
 9    Bautrieb
II.    Gefühle
13    Wohlwollen,
18    Wunder (?),
19    Idealität,
20    Witz, Fröhlichkeit,
21    Nachahmung
–    Verstand
III.    Erkenntnisvermögen
22    Gegenstandssinn,
23    Gestaltsinn,
24    Größensinn,
25    Gewichtssinn,
26    Farbensinn,
27    Ortsinn,
28    Zahlensinn,
29    Ordnungsinn,
30 Thatsachensinn,
31 Zeitsinn,
32 Tonsinn,
33 Sprachsinn,
IV.    Denkvermögen
34 Vergleichsvermögen,
35 Schlussvermögen

Abb.1.4. Elektrische Stimulation am Hundehirn (Fritsch 1874). Erregbare Areale, deren Stimulation zu einer beobachtbaren motorischen Reaktion führte, sind schraffiert dargestellt (Aus Hitzig 1874, S. 79, Abb. 5). F. S. Fissura sylvii, L. f. Stirnregion, L. o. Hinterhauptsregion, S. c. Sulcus crucialis, a–d Stirnwindungen, e–h Scheitelwindungen, m–o Hinterhauptswindungen. Reizpunkte: + vordere Extremität, # hintere Extremität, Rumpfmuskeln, Schwanz, Kieferöffnung, x Ohrbewegungen

Abb.1.5a, b. Lokalisation der Funktionen der Großhirnrinde. a Außenseite. (Nach Kleist 1934)