Der präfrontale Cortex (PFC) ist der im Schädel am weitesten vorne, nämlich direkt hinter der Stirn liegende Großhirnrindenbereich. Er ist Teil des Stirnlappens und macht 29 Prozent des Neocortex aus. Er lässt sich durch zytoarchitektonische Merkmale und ein charakteristisches Muster anatomischer Verbindungen von den hinteren Anteilen des Stirnlappens, zu denen der primäre motorische Cortex, die prämotorischen und die supplementärmotorischen Areale gehören, abgrenzen. Der PFC selbst wird auch als neocorticaler Teil des limbischen Systems angesehen. Insgesamt zeigt sich bei Läsionen des Stirnhirns kein Verlust der Intelligenz, der Sprache und des deklarativen Gedächtnisses, aber eine Veränderung des Verhaltens beziehungsweise der Persönlichkeit in die Richtung der Ungehemmtheit, Taktlosigkeit, Aggression oder des Fehlens von festen Absichten oder planender Vorausschau.

Die Merkmale der Wesensänderung bei präfrontalen Läsionen lassen sich zwei Hauptrichtungen zuordnen. Zum einen kann es zu einer Antriebsstörung mit einer allgemeinen Reduktion von Aktivität kommen. Man spricht auch von einer Beeinträchtigung der „exekutiven Funktionen“, wie zum Beispiel des Problemlösens, des mentalen Planens, des Initiierens und der Inhibition von Handlungen. Exekutivfunktionen dienen dazu, Handlungen über mehrere Teilschritte hinweg auf ein übergeordnetes Ziel zu planen, Aufmerksamkeit auf hierfür relevante Informationen zu fokussieren und ungeeignete Handlungen zu unterdrücken. Eine umfassende Störung dieser Funktionen wird auch als dysexekutives Syndrom bezeichnet, bei dem sich oft aber auch eine Schädigung anderer cortikaler Areale und subcortikaler Strukturen wie des medialen Thalamus, des Nucleus caudatus oder des Globus pallidus zeigt. Die neuronale Grundlage exekutiver Funktionen dürfte demnach weit über die anatomischen Grenzen des PFC hinausgehen.

Aufgrund der engen Assoziation exekutiver Funktionen mit dem Arbeitsgedächtnis ist darüber hinaus zu vermuten, dass beim dysexekutiven Syndrom auch jene cortikosubcortikalen Strukturen beteiligt sind, die als neuronale Substrate des Arbeitsgedächtnisses diskutiert werden. Das häufig nach beidseitigen Insulten der Arteria cerebri anterior oder nach schweren unfallbedingten Frontalhirnschädigungen auftretende Vollbild der Störung der Exekutivfunktionen ist der „akinetische Mutismus“, bei dem die Patienten zwar wach sind, aber erstarrt wirken und keinerlei Regung gegenüber Umweltreizen zeigen. Bei leichteren Störungsformen (nach ebenso meist bilateralen prä- frontalen Läsionen) findet sich eine allgemeine Reduktion aller spontaner oder reaktiver Handlungen, eine Gedanken-, Sprech- und Aktionsträgheit. Die Patienten begegnen den unterschiedlichsten äußeren Bedingungen klaglos und tolerant. Fragen werden nur kurz und oft unqualifiziert beantwortet. Sorge, Angst, chronischer Schmerz oder Depression werden weniger stark wahrgenommen.

Die andere Hauptrichtung der Wesensänderung nach präfrontalen Läsionen stellt die Enthemmung des Verhaltens dar. Im Umgang mit Angehörigen und Fremden äußern sich die Patienten frech und kränkend. Teilweise besteht eine „Witzelsucht“. Die Stimmung ist labil, in der Regel eher gehoben, sie kann allerdings auch unvermittelt umschlagen. Im Alltag lassen sich Anpassungsschwierigkeiten ausmachen, die durch eine Rigidität im Verhalten hervorgerufen werden. Diese Form der Wesensänderung wird am ehesten durch Läsionen verursacht, die orbitofrontal oder ventromedial lokalisiert sind.

Damit kommen wir zu den einzelnen Teilregionen des PFC: Er wird eingeteilt in einen dorsolateralen, dorsomedialen und einen orbitofrontalen, das heißt über den Augenhöhlen (Orbita) liegenden Teil. Der dorsomediale PFC steuert die Motivation und beteiligt sich an der Einleitung von Handlungen. Läsionen dieses Hirngebietes äußern sich in mangelnder Aufmerksamkeit bis Apathie („Pseudodepression“) und Antriebsschwäche. Der dorsolaterale PFC erhält in seinem dorsalen Teil corticale Eingänge vornehmlich aus dem hinteren Parietallappen und hat mit Bewegungen und räumlicher Strukturierung von Sinneswahrnehmungen zu tun sowie mit räumlicher Aufmerksamkeit (in Zusammenarbeit mit dem hinteren parietalen Cortex und dem cingulären Cortex). In seinem lateralen Teil erhält er Eingänge vornehmlich aus dem Temporallappen und befasst sich mit Objektwahrnehmung, dem Einschätzen gegenstands- und situationsbezogener Geschehnisse, mit kontextgerechtem Handeln und Sprechen und mit der Entwicklung von Zielvorstellungen. Er ist beteiligt am Handlungsentwurf, an der Initiative und der Handlungsvorbereitung als Reaktion auf einen signifikanten emotionalen Reiz. Er ist wesentlich am Arbeitsgedächtnis (siehe dort) beteiligt.[1]

Durch Verbindungen mit dem motorischen Cortex und (indirekte) mit dem Thalamus reguliert der dorsolaterale PFC den Fluss motorischer Information. Die oberen Regionen sind auf zeitlichsequenzielle, die unteren auf räumliche Aufgaben spezialisiert. Läsionen des dorsolateralen PFC führen auch zur Unfähigkeit, die sachliche Relevanz externer Ereignisse einzuschätzen.

Der orbitofrontale Cortex (OFC) erhält seine wichtigsten Eingänge von allocorticalen und subcorticalen limbischen Zentren, das heißt vom Gyrus cinguli, von der Amygdala und vom mesolimbischen System, und befasst sich mit den motivationalen und emotionalen Aspekten von Situationen und Handlungen. Läsionen im kaudalen Teil des OFC von Affen führen zu emotionalen Veränderungen, wie zum Beispiel einer verringerten Aggressivität. Lobotomien bei Gewalttätern und der erfolgreiche Ansatz bei chronischen Schmerzen mittels stereotaktischer Eingriffe zeigen, dass im OFC eine Schmerzdistanzierung und eine Aufhebung der emotionalen Qualität von Schmerzen gesteuert werden und dass bei Gewalttätern hemmende Mechanismen fehlen. Er erkennt sowohl exterozeptive (äußere) als auch interozeptive Information, unterstützt die Aufmerksamkeit auf ein Ziel und unterdrückt störende (zusätzliche, ablenkende) Komponenten bei der Verhaltensausführung. Geruchs- und Geschmacksinformation wird im OFC mit visueller Information zusammengeführt. Wahrscheinlich wird hier auch das Gefühl der Angst reguliert.

Läsionen im OFC können kaum merkliche bis schwere Störungen von Verhalten und Persönlichkeit verursachen. Die Patienten sind unfähig, positive oder negative Konsequenzen ihrer Handlungen vorauszusehen, wenngleich unmittelbare Belohnung oder Bestrafung von Aktionen ihr weiteres Handeln beeinflussen können. Sie gehen wider besseres Wissen Risiken ein. Ebenso zeigen sie einen Hang zur Perseveration, also zum hartnäckigen Verharren bei einer Sache, und einen Verlust der Verhaltensspontaneität und Kreativität. Derartige Läsionen führen auch zum Verlust der Fähigkeit, den sozial-kommunikativen Kontext zu erfassen, zum Beispiel die Bedeutung von Szenendarstellungen oder die Mimik von Gesichtern. Allgemein verflacht die Persönlichkeit, der Patient wird völlig „unemotional“.

Der OBC gilt auch als der Sitz ethischer und moralischer Vorstellungen. Patienten mit Schädigung des orbitofrontalen Cortex in frühester Jugend zeigen ein asoziales Verhalten, sie sind unerziehbar und unbelehrbar. Sie haben bei ihrem Verhalten auch keinerlei Gewissensbisse und zeigen keinerlei Einsicht in ihr Verhalten. Die Tatsache, dass sie in normaler Umgebung aufwuchsen, hatte keinerlei positive Wirkung auf ihr Verhalten. Im Fall der Schädigung des OFC im Erwachsenenalter besteht die Schwierigkeit der Betroffenen in der Umsetzung von Erfahrung in sozial angepasstes Verhalten, über das diese Patienten durchaus verfügen. Im Fall der Schädigung des OFC in frühester Jugend wird das Sammeln solcher Erfahrung völlig verhindert; es gibt also nichts, worauf sie in Entscheidungssituationen an unbewusster, impliziter „moralischer Anweisung“ hätten zurückgreifen können.

Der erste aufgezeichnete Bericht über einen Fall mit ausgeprägter Verhaltensänderung aufgrund einer Frontalhirnschädigung erzählt die Geschichte von Phineas Gage. Der 25-jährige Vorarbeiter erlitt 1848 beim Eisenbahnbau in Vermont (New England, USA) einen tragischen Unfall. Bei der Vorbereitung einer Sprengung durchbohrte eine Eisenstange den vorderen Teil seines Schädels. Sie hatte eine so große Wucht, dass sie nicht im Schädel stecken blieb, sondern weiterflog und einen etwa drei Zentimeter breiten Penetrationskanal hinterließ. Der Patient überlebte diesen Unfall. Bei der neurologischen Untersuchung fand sich zunächst lediglich ein kompletter Sehverlust des linken Auges. Motorik, Sensorik, Koordination und Sprache waren nicht beeinträchtigt. Allerdings entwickelte der Patient ausgeprägte Veränderungen in seinen Persönlichkeitszügen. Der zuvor für seine Besonnenheit und seinen ausgeglichenen Charakter bekannte Gage fiel nunmehr durch Respektlosigkeit und launisches Verhalten auf. Er wurde rasch ungeduldig, fluchte unvermittelt, wirkte manchmal halsstarrig und zeigte sich gegenüber Zukunftsplänen dann auch wieder sehr wankelmütig. Seine Entscheidungen waren impulsiv und nicht vorausschauend. Dies stand in starkem Kontrast zu den wenig veränderten sprachlichen und intellektuellen Fähigkeiten. Er konnte seinen alten Beruf als Vorarbeiter nicht mehr ausüben, sondern war nur noch zu Hilfsarbeiten fähig. Zeitweilig wurde er im Zirkus als Sensation vorgeführt. Im Alter von 38 Jahren verstarb er, wahrscheinlich in einem Status epilepticus. Hanna und António Damásio interpretierten den Fall Gage als ein Beispiel dafür, dass das Sozialverhalten als ein von der Vernunft geprägtes, besonnenes und vorausschauendes Verhalten von der Intaktheit der medialen präfrontalen Strukturen abhängt.

Die beschriebenen Wesensänderungen bei Patienten mit Frontalhirnläsionen haben entscheidend zu der Vorstellung beigetragen, dass der frontale Cortex als phylogenetisch jüngster Anteil des Neocortex die „höchsten“ integrativen Leistungen des Menschen steuert und kontrolliert.

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[1] Zwei Konzepte beschreiben die Organisation der Arbeitsgedächtnisfunktion des präfrontalen Cortex auf unterschiedliche Weise. Sie müssen sich jedoch nicht zwingend gegenseitig ausschließen. Basierend auf Studien an nicht menschlichen Primaten besagt das domänenspezifische Modell, dass der präfrontale Cortex bezüglich der verarbeiteten Informationsinhalte spezialisiert ist (zum Beispiel dorsolateral: visuell-räumliche Informationen, ventrolateral: objektbezogene Informationen). Funktionsspezifische Modelle postulieren dagegen, dass verschiedene präfrontale Regionen auf verschiedene Arbeitsgedächtnisfunktionen (zum Beispiel Encodieren, Halten, Manipulieren) spezialisiert sind und jede Modalität verarbeiten können.

nach: Udo Boessmann - Bewusstsein, Unbewusstsein

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