[Neuroanatomy of the Oculomotor System].

Übersicht

Neuroanatomie des okulomotorischen Systems Neuroanatomy of the Oculomotor System

Institut Molekulare Embryologie, Institut für Anatomie und Zellbiologie, Medizinische Fakultät, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Schlüsselwörter Version, Vergenz, Sakkade, Folgebewegung, VOR, OKR Key words version, vergence, saccade, smooth pursuit, VOR, OKR eingereicht akzeptiert

19. 4. 2017 4. 7. 2017

Bibliografie DOI https://doi.org/10.1055/s-0043-117741 Online-publiziert | Klin Monatsbl Augenheilkd © Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York | ISSN 0023-2165 Korrespondenzadresse PD Dr. Stephan Heermann Molekulare Embryologie, Institut für Anatomie und Zellbiologie, Medizinische Fakultät, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Albertstraße 17, 79104 Freiburg Tel.: + 49/(0)7 61/2 03 51 05, Fax: + 49/(0)7 61/2 03 50 91 [email protected] ZU SAM ME N FA SS UN G Neuroanatomische Kenntnisse erlauben dem erfahrenen Untersucher von Patienten mit Erkrankungen des Nervensystems bereits nach einer klinischen Untersuchung eine gute Topodiagnostik. Dies trifft auch auf die Elemente des Nervensystems zu, die an der Steuerung der Augen beteiligt sind.

Einführung Der Bulbus oculi kann durch seine 6 äußeren Augenmuskeln, die Mm. recti superior, inferior, medialis und lateralis und die Mm. obliqui, superior und inferior (▶ Abb. 1), in 3 Freiheitsgraden (horizontal, vertikal und rotatorisch) bewegt werden. Die beteiligten Muskeln beider Augen lassen sich hierfür zu 6 komplementären Paaren zusammenfassen, die im Zusammenspiel eine gleichsinnige (konjugierte) Bewegung der beiden Augen (Version) er-

Heermann S. Neuroanatomie des okulomotorischen …

Klin Monatsbl Augenheilkd

In diesem Beitrag sind neuroanatomische Grundlagen zusammengetragen, welche die Okulomotorik betreffen. Der Beitrag soll dazu dienen, den Aufbau und die Funktion dieses Systems zu verstehen und pathologische Veränderungen bestimmten Läsionsorten zuordnen zu können. Nach einer kurzen Einführung werden zunächst die einzelnen Elemente, wie die extraokulären Muskeln und die sie versorgenden Nerven, vorgestellt. Der folgende Teil dieses Beitrags beschäftigt sich schließlich mit der Kontrolle der Augenbewegung, mit unterschiedlichen Bereichen des zentralen Nervensystems (ZNS), die hierbei beteiligt sind, und mit spezifischen Bewegungsmustern. Darüber hinaus soll dieser Beitrag aber auch einen kurzen Überblick über die Steuerung der inneren Augenmuskeln liefern. AB STR AC T After just a clinical examination, the experienced neurologist can assign specific symptoms quite precisely to distinct lesions within the brain and other parts of the nervous system, on the basis of his neuroanatomical knowledge. This also holds true for lesions affecting the oculomotor system. The aim of this article is to give a comprehensive overview of the neuroanatomical basis of the oculomotor system, in order to facilitate the precise spatial assignment of potential lesions affecting the control of eye movements. After a brief introduction, the components of the system are discussed, including the extraocular muscles and their innervating nerves. The following section will then cover the control of eye movements and will specifically address distinct patterns of eye movements and areas within the central nervous system controlling these. This article also gives a brief overview of the intraocular muscles and their control.

möglichen (▶ Abb. 2). Es lassen sich z. B. die Mm. recti lateralis und medialis der beiden Seiten zusammenfassen oder der M. obliquus superior der einen und der M. rectus inferior der anderen Seite. So ist es dem Menschen möglich, durch rasche gleichsinnige Augenbewegungen (Sakkaden) neue Objekte überall im Raum rasch auf die Fovea abzubilden oder bereits anvisierte, bewegte Objekte durch Folgebewegungen im Blick zu behalten. Wichtig ist allerdings zu beachten, dass es sich bei den meisten Augenbewegungen um zusammengesetzte Bewegungen unter-

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Autor Stephan Heermann

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M. rectus superior des rechten Auges, Blick geradeaus und Abduktion um 23 Grad

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c Funktionsweise der Augenmuskeln des rechten Auges

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e M. obliquus superior des rechten Auges, Blick geradeaus und Adduktion um 50 Grad

▶ Abb. 1 Darstellung der extraokulären Muskeln (rechts) von oben (a), von rechts lateral (b) und schematische Darstellung der einzelnen Zugrichtungen aus der neutralen Stellung heraus (c). d Darstellung der speziellen Wirkung des M. rectus superior beim Blick geradeaus (10) und bei Abduktion (11), e Darstellung der speziellen Wirkung des M. obliquus superior beim Blick geradeaus (12) und bei Adduktion (13). 1: Anulus tendineus communis, 2: M. rectus superior (Elevation, Innenrotation, Adduktion), 3: M. rectus inferior (Depression, Außenrotation, Adduktion), 4: M. rectus medialis (Adduktion), 5: M. rectus lateralis (Abduktion), 6: M. obliquus superior (Innenroation, Depression Abduktion), 7: Trochlea, 8: M. obliquus inferior (Außenrotation, Elevation, Abduktion), 9: M. levator palpebrae. (Quelle: Frotscher M, Kahle W. Auge. In: Frotscher M, Kahle W. Taschenatlas Anatomie – Band 3: Nervensystem und Sinnesorgane. 10. Aufl. Stuttgart: Thieme; 2009: 342–357)

schiedlicher Muskelpaare und um ein Zusammenspiel unterschiedlicher Arten von Augenbewegungen handelt. Da wir selten völlig statisch sind, sondern uns eher dynamisch in unserer Umwelt bewegen, ist es zudem notwendig, dass der Blick stabilisiert werden kann. Hierfür sind die Bogengangsysteme der Gleichgewichtsorgane zuständig. Die Bogengänge einer Seite sind im rechten Winkel zueinander angeordnet. Auch bei den Bogengängen gibt es komplementäre Paarungen zwischen den Seiten, z. B. die beiden horizontalen Bogengänge oder der vordere Bogengang der einen Seite und der hintere der anderen Seite, also insgesamt 3 Paare, welche den 3 Raumebenen entsprechen. Die Anordnung dieser 3 komplementären Paarungen entspricht nun in etwa der Zugrichtung der oben erwähnten 6 komplementären

Muskelpaare. Diese werden schließlich entgegengesetzt zur Aktivierung der Haarzellen der Bogengänge aktiviert. Dies resultiert in einer konjugierten Augenbewegung, welche der Kopfdrehung entgegengesetzt ist (vestibulookulärer Reflex, VOR) und die Blickrichtung bei Kopf- und Körperbewegung stabil hält. Es sei an dieser Stelle nur kurz erwähnt, dass durch gegensinnige Bewegungen (Konvergenz und Divergenz) der Augen Objekte in verschiedenen Tiefenebenen im Raum fixiert werden können. Im Folgenden sollen nun die einzelnen Komponenten des okulomotorischen Systems besprochen werden, zunächst die Innervation der extraokulären Muskulatur, Besonderheiten der extraokulären Muskeln, Bewegungsmuster und deren Steuerung und schließlich noch die Pupillomotorik.




b Augenmuskeln, Seitenansicht

a Augenmuskel von oben, rechtes Auge

Innervation der Augenmuskeln Hirnnerven (HN), welche die äußeren Augenmuskeln innervieren, sind der N. oculomotorius (HN III), der N. trochlearis (HN IV) und der N. abducens (HN VI). Der N. abducens innerviert den M. rectus lateralis, der N. trochlearis den M. obliquus superior und die übrigen 4 Muskeln und zusätzlich der M. levator palpebrae superioris werden vom N. oculomotorius innerviert. Die motorischen Einheiten der Augenmuskeln sind sehr klein. Dies ist wichtig für eine sehr feine Justierung der Bewegung. Für das Betrachten von Objekten ist zu berücksichtigen, dass interessante visuelle Reize auf die Fovea centralis gebracht werden und dort gehalten werden müssen. Eine besondere Herausforderung ist, dass hierbei 2 Augen koordiniert bewegt werden müssen. Das Kerngebiet des N. oculomotorius liegt auf der Höhe der Colliculi superiores im Tegmentum des Mesencephalons. Neben den Neuronen, welche die oben genannten Augenmuskeln innervieren, liegen in einem akzessorischen Kern (Nucleus oculomotorius accessorius, Edinger-Westphal-Kern) präganglionäre parasympathische Neurone, die nach Umschaltung auf postganglionäre Neurone im Ganglion ciliare den M. ciliaris und den M. sphincter pupillae, 2 innere Augenmuskeln, kontrollieren. Die inneren Augenmuskeln werden weiter unten besprochen. Die



Axone, welche die recht lang gestreckten Kerngebiete des N. oculomotorius und oculomotorius accessorius verlassen, weisen zunächst eine gewisse Fächerung (Faszikulierung) auf, bevor sie gemeinsam den Hirnstamm in der Fossa interpeduncularis verlassen. Kleine Läsionen innerhalb des Hirstamms können demnach einzelne Teilfunktionen des N. oculomotorius betreffen (faszikuläre Okulomotoriusparese). Nach dem Austritt des N. oculomotorius aus der Fossa interpeduncularis verläuft er in Richtung Sinus cavernosus, um durch die Fissura orbitalis superior in die Orbita zu gelangen. Vor dem Eintritt in die Wand des Sinus cavernosus durchbricht der Nerv die Dura mater. Das Kerngebiet des N. trochlearis liegt auf Höhe der Colliculi inferiores, ebenfalls im Tegmentum des Mesencephalons. Bemerkenswert ist der Verlauf des N. trochlearis. Er ist der einzige der Hirnnerven, der dorsal am Gehirn austritt, was er kaudal der Lamina quadrigemina macht. Zudem kreuzt er noch, bevor er aus dem Hirnstamm austritt, auf die kontralaterale Seite, indem er einen Bogen um den Aquaeductus mesencephali macht. Nach seinem Austritt verläuft der Nerv um den Hirnstamm herum. Nach seinem langen Verlauf im subarachnoidalen Raum durchbricht er die Dura mater im vorderen Bereich des Tentorium cerebelli, um schließlich ebenfalls in die Wand des Sinus cavernosus einzutreten, von wo aus er durch die Fissura orbitalis superior in die Orbita gelangt. Der


▶ Abb. 2 Darstellung der 6 diagnostischen Augenbewegungen: Für die entsprechenden Positionen sind die Muskeln hervorgehoben, die bei Lähmung (Innervation in römischen Zahlen) dort die deutlichsten Doppelbilder verursachen. Es handelt sich bei der Darstellung, gerade des M. rectus superior und inferior, M. obliquus superior und inferior nicht um eine Darstellung deren isolierter Hauptzugrichtung. (Quelle: Bähr M, Frotscher M. Hirnnerven. In: Bähr M, Frotscher M. Neurologisch-topische Diagnostik. 10. Aufl. Stuttgart: Thieme; 2014: 140–229)

N. trochlearis, der lediglich den M. obliquus superior innerviert, weist einen sehr kleinen Durchmesser auf. Das Kerngebiet des N. abducens liegt weiter kaudal auf Höhe des Pons, am Boden der Rautengrube des Ventriculus quartus. Der Nerv verlässt den Hirnstamm am kaudalen Rand des Pons und steigt am Clivus auf. Er durchbricht die Dura mater etwa auf halber Höhe des Clivus und hat danach einen vergleichsweise langen Verlauf außerhalb der Dura mater, wobei er häufig in einer Duplikatur der Dura (Dorello-Kanal) verläuft. Um in den Sinus cavernosus einzutreten, muss der N. abducens um die Kante des Clivus herumziehen, an der er leicht durch Druck geschädigt werden kann. Der Nerv verläuft dann durch den Sinus cavernosus und gelangt durch die Fissura orbitalis superior in die Orbita. Die Fissura orbitalis superior wird durch den Anulus tendineus communis, welcher dem M. levator palpebrae und den äußeren Augenmuskeln mit Ausnahme des M. obliquus inferior als Ursprung dient, in 3 Abschnitte untergliedert. Diese sind der Bereich des Anulus tendineus communis selbst und die medial und lateral angrenzenden Bereiche. Der N. oculomotorius und der N. abducens verlaufen innerhalb des Anulus, wohingegen der N. trochlearis im lateralen Bereich durch die Fissura orbitalis hindurchtritt. In der Orbita angelangt, lagern sich die Nervenfasern ihren entsprechenden Muskeln an. Wie initial erwähnt ist die genaue Koordination der Bewegung beider Augen essenziell. Ein Ausfall eines der oben genannten Nerven mit resultierender Parese der jeweiligen Augenmuskeln resultiert in Doppelbildern (Diplopie), die in der Zugrichtung des ausgefallenen Muskels am weitesten voneinander abweichen. Um die Doppelbilder und die möglicherweise von den Patienten zur Kompensation eingenommene spezielle Haltung des Kopfes zu verstehen, ist eine genauere Kenntnis der Funktion der äußeren Augenmuskeln und insbesondere deren Zusammenspiel wichtig. Die Funktionen der Mm. recti lateralis und medialis können isoliert betrachtet werden, da sie keine komplexen Bewegungen ausführen, sondern das Auge jeweils abduzieren und adduzieren. Ein isolierter Ausfall eines M. rectus lateralis kann durch eine Schädigung des N. abducens verursacht werden. Eine isolierte Schädigung eines M. rectus medialis ist zwar theoretisch möglich, aber sehr unwahrscheinlich. Eine Schädigung des N. oculomotorius kann in der klinischen Ausprägung sehr variabel sein, da er so viele unterschiedliche Muskeln, unter anderem auch innere Augenmuskeln, innerviert. Klinisch relevant ist hier die Anordnung der unterschiedlichen Nervenfasern innerhalb des Nervs. Die Fasern für die inneren Augenmuskeln verlaufen oberflächlich, die Fasern für die äußeren Muskeln im Inneren des Nervs. Ischämien im Bereich des Nervs wirken sich demnach eher auf die äußeren Muskeln aus, wobei sich Druckschädigungen des Nervs eher auf die inneren Muskeln auswirken (unter anderem Pupillomotorik). Bei einer kompletten Okulomotoriusparese hängt das Augenlid schlaff herab und der Bulbus oculi ist gesenkt und abduziert. Letzteres lässt sich durch den überwiegenden Zug der noch intakten Muskeln erklären. Der noch intakte M. tarsalis innerhalb des Augenlids, der von sympathischen Nervenfasern innerviert wird, reicht bei kompletter Okulomotoriusparese nicht aus, das Augenlid offen zu halten. So bestehen hierbei auch keine Doppelbilder. Ein sehr gutes Beispiel für die komplexe Interaktion der äußeren Augenmuskeln ist die Funktion des M. obliquus superior, der als einziger Muskel vom N. trochlearis innerviert wird und somit iso-

liert ausfallen kann. Die isolierte Zugrichtung des Muskels ist eine Kombination aus Abduktion, Senkung und Innenrotation des Bulbus oculi. Nun zeigen die Doppelbilder bei einer Trochlearisparese den größten Versatz, wenn der Patient zwar nach unten, aber nach innen schauen möchte. Diese vermeintliche Diskrepanz resultiert aus dem Zusammenspiel und aus der Anordnung der verschiedenen Muskeln. Betrachtet man den anatomischen Aufbau der Orbita und die Lage des Bulbus oculi in Bezug zum Anulus tendineus communis, fällt auf, dass letzterer nicht direkt hinter dem Bulbus liegt, sondern nach medial versetzt ist (▶ Abb. 1). Aus dieser Anordnung ist ersichtlich, dass die effektive Zugrichtung des M. obliquus superior nach seiner Umlenkung an der Trochlea in Adduktionsstellung des Bulbus oculi direkt über der Achse liegt, in welcher der Bulbus gesenkt wird. Der M. obliquus superior ist also in Adduktionsstellung der stärkste Senker des Bulbus oculi, was erklärt, dass die Doppelbilder in dieser Blickrichtung am weitesten versetzt sind. Eine fehlende Innenrotation bei intendierter Blicksenkung ist ein klinischer Hinweis für eine zusätzliche Beteiligung des N. trochlearis bei einer Okulomotoriusparese.

Extraokuläre Muskulatur Extraokuläre Muskeln und die sie innervierenden Motoneurone scheinen im Vergleich zu anderen quergestreiften Skelettmuskeln und deren Motoneuronen besonders zu sein. Sie zeigen einen distinkten morphologischen Aufbau [1], bei Muskeldystrophien bleiben sie verschont [2], ebenso bei der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) [3–5]. Extraokuläre Muskelfasern lassen sich prinzipiell in 2 Gruppen aufteilen, einfach innervierte, schnelle und mehrfach innervierte, langsame Muskelfasern [6]. Diese beiden Gruppen werden durch unterschiedliche Motoneurone versorgt [6– 10]. Die einfach innervierten, schnellen Muskelfasern sind die klassisch bekannten Muskelfasern, bei denen man davon ausgeht, dass sie alle Augenbewegungen ausführen. Was für eine genaue Funktion den mehrfach innervierten Muskeln und deren Motoneuronen genau zugesprochen werden kann, ist derzeit noch unklar. Die Identifikation von unterschiedlichen supranukleären Afferenzen der beiden Typen von Motoneuronen legt aber nahe, dass diese tatsächlich in die Ausführung von unterschiedlichen Augenbewegungsmustern (s. u.) eingebunden sind [11]. Zudem wurde eine Rolle bei der Propriozeption diskutiert [1, 7], wobei die speziellen Palisadenendigungen in den mehrfach innervierten Muskeln eine unreife Form von Golgi-Sehnenorganen darstellen könnten [12]. Diese Daten sprechen eindeutig gegen eine einfache gemeinsame Endstrecke, in welcher die Information, resultierend aus komplexerer Verschaltung innerhalb des zentralen Nervensystems, auf eine einzelne Klasse von Motoneuronen konvergiert. Afferenzen aus den extraokulären Muskeln werden über den N. ophthalmicus des N. trigeminus (HN V) geleitet. Die terminalen Endigungen der Afferenzen in Primaten sind hauptsächlich im Nucleus spinalis und Nucleus cuneatus lokalisiert [13]. Die Endigungen im Nucleus spinalis nervi trigemini erscheinen besonders, da dieser Kern ansonsten den Endigungen von Schmerzund Temperaturafferenzen dient. Die terminalen Endigungen im Nucleus cuneatus sind aber bemerkenswert. In diesem Kern, lokalisiert an der dorsalen Seite der Medulla oblongata, werden Afferenzen, inklusive der Propriozeption aus den oberen Extremitäten




Übersicht

Bewegungsmuster und neuroanatomische Grundlagen ihrer Kontrolle Im Folgenden werden unterschiedliche Bewegungsmuster vorgestellt, bei denen die Bewegungen beider Augen eng koordiniert werden müssen. Prinzipiell lassen sich zunächst grob 2 Arten von Bewegungen unterscheiden, Versionen und Vergenzen. Bei Versionen bewegen sich die Augen koordiniert gleichsinnig, konjugiert, bei den Vergenzen koordiniert gegensinnig, um Objekte in unterschiedlichen Distanzen anzuvisieren. Dies ist aus didaktischen Gründen bereits eine vereinfachte Darstellung, denn Versionen und Vergenzen treten im täglichen Leben selbstverständlich auch gemeinsam auf. Vereinfacht muss das visuelle System so gesteuert werden, dass neue Objekte im Raum fixiert werden können, was mit schnellen, ruckartigen Bewegungen, Sakkaden, geschieht und es muss ermöglicht werden, dass bestimmte Objekte bei Bewegungen des Körpers fixiert bleiben, also kontinuierlich auf die Fovea centralis projiziert werden. Ein gewisses Ausmaß an Bewegung scheint sogar hierbei essenziell zu sein, da ansonsten das Abbild verblasst. Zu viel Bewegung könnte aber die Abbildungsgenauigkeit reduzieren und muss daher kompensiert werden. Hierfür stehen Mechanismen wie der vestibulookuläre Reflex (VOR) und der optokinetische Reflex (OKR) zur Verfügung [17]. Die Koordination der beiden Augen bei diesen Bewegungen war und ist noch immer ein zentraler Punkt von Interesse. Es scheint klar, dass es eine enge Koordination beider Augen geben muss, da ansonsten Doppelbilder entstehen. Es hat aber schon früh 2 unterschiedliche Modelle gegeben, mit denen die enge Koordination erklärt werden sollte. Ewald Hering prägte die Idee, dass es eine gemeinsame Steuerung beider Augen geben müsse, die ein abgestimmtes Zusammenspiel ermöglicht [18]. Hermann von Helmholtz vertrat hingegen die Ansicht, dass beide Augen im Prinzip getrennt gesteuert werden und eine Koordination beider Augen erst erlernt wird [19]. Es gibt Hinweise, dass letzteres tatsächlich der Fall sein könnte [20, 21], was sich zum Teil aus der Steuerung von bestimmten disjunkten Sakkaden ableitet. Dies sind Sakkaden, die auf ein Objekt gerichtet sind, das sich bereits auf der Höhe eines Auges befindet und sich sehr schnell nähert oder entfernt [22]. Eine klare Lösung dieser widersprüchlichen Konzepte insgesamt liegt aber noch nicht vor. Es zeichnet sich allerdings ab, dass Elemente aus beiden Konzepten zu einem gemeinsamen Konzept fusionieren können, das unterschiedliche Bereiche der Okulomotorik abdeckt [23].



Im Folgenden soll nun auf die Steuerung und die Koordination der Okulomotorik eingegangen werden und es sollen die unterschiedlichen Zentren, die hierbei funktionell wichtig sind, besprochen werden. Der Fasciculus longitudinalis medialis (FLM) (▶ Abb. 3) ist eine Leitungsbahn, die sich beidseitig vom Mesencephalon bis ins obere Rückenmark erstreckt. Über den FLM werden die unterschiedlichen Motoneurone der Hirnnervenkerne III, IV und VI verbunden. Der FLM erhält aber zudem auch Informationen aus den Vestibulariskernen und der Hals- und Nackenmuskulatur. Für den Menschen kommt bei Versionen den horizontalen Bewegungen die größte Bedeutung zu. Sakkaden in horizontaler Richtung werden in der paramedianen pontinen Formatio reticularis (PPRF) generiert. Dieser Bereich wird auch pontines Blickzentrum genannt. Über den FLM werden die Motoneurone des M. rectus medialis (HN III) einer Seite und Motoneurone des M. rectus lateralis (HN VI) der anderen Seite zusammen innerviert, unter Inhibition der jeweiligen Antagonisten. Eine Läsion eines oder beider FLMs resultiert im Krankheitsbild der internukleären Ophthalmoplegie (INO), bei der diese koordinierte Version nicht mehr funktioniert. Einer INO liegt beim jungen Patienten häufig eine Multiple Sklerose zugrunde, wobei beim älteren Patienten eher von einem ischämischen Geschehen auszugehen ist. Funktionell macht sich die INO wie folgt bemerkbar. Das Auge, das vom M. rectus medialis bewegt werden sollte, bleibt zurück und es besteht ein Nystagmus am abduzierten Auge. Das Zurückbleiben des Auges darf nicht mit einer Läsion der Motoneurone oder Teilläsion des HN III verwechselt werden. Klinisch essenziell ist es, hierbei die Vergenz zu untersuchen. Bei der INO funktioniert die Konvergenz, was verdeutlicht, dass der HN III und der M. rectus medialis intakt sind. Dies verdeutlicht auch, dass die Vergenzreaktionen anders koordiniert werden als die Versionen. Auf die Kontrolle der Vergenzen wird weiter unten eingegangen. Bezüglich der unterschiedlichen Hypothesen von Hering und von Helmholtz ist an dieser Stelle zu sagen, dass es tatsächlich Neurone in der PPRF zu geben scheint, welche die Augen getrennt ansteuern. Diese liegen aber so eng und durchmischt, dass ein Ausfall nur der einen Population unmöglich erscheint [22]. Eine Läsion zerstört demnach gleichsinnige Sakkaden zur Gegenseite. Es sei aber erwähnt, dass Folgebewegungen noch möglich bleiben. Im Aktivitätsmuster der okulären Motoneurone [24] ist die Geschwindigkeit einer Sakkade und die Zielposition, also das Ausmaß der Sakkade, kodiert. Die Information über die Geschwindigkeit erhalten die Motoneurone von den Burst-Neuronen der PPRF. Für die Bestimmung der Geschwindigkeit scheinen im Vorfeld Teile des Cerebellums wichtig. Hier sind dorsale Abschnitte des Vermis und der Nucleus fastigii zu nennen. Das Cerebellum bekommt im Vorfeld die Information eines Bewegungsentwurfs vom frontalen Augenfeld (s. u.) über ein Relais, den Nucleus reticularis tegmenti pontis, und zudem, im Nachhinein, eine Kopie der Information über die tatsächlich durchgeführte Sakkade, über kollaterale Verbindungen und Neurone des paramedianen Trakts [25, 26]. Von den Burst-Neuronen existieren verschiedene Populationen, die eng untereinander verschaltet sind und schließlich die Information in die Kerngebiete der entsprechenden Hirnnerven senden. Für die Steuerung von Sakkaden sind neben den fördernden Burst-Neuronen auch inhibitorische Neurone wichtig. Hier sind


und auch aus dem Nackenbereich, verschaltet. Welche Rolle der Propriozeption allgemein bei der Steuerung der Augenbewegungen zukommt, ist derzeit noch unklar. Einen Dehnungsreflex der extraokulären Augenmuskeln scheint es nicht zu geben [14]. Es scheint zudem in verschiedenen Spezies enorme Variationen bezüglich der Ausstattung der extraokulären Muskeln mit Rezeptoren für die Propriozeption zu geben [1] und die okulomotorischen Ausfälle, die z. B. aus einer propriozeptiven Deafferenzierung bei Primaten resultierten, waren wesentlich harmloser als erwartet [15, 16].

Übersicht

rostraler interstitieller Kern des Fasciculus longitudinalis medialis (riFLM) mesenzephale retikuläre Formation (MRF) paramediane pontine retikuläre Formation (PPRF)

Nucleus n. oculomotorii Nucleus n. trochlearis Fasciculus longitudinalis medialis (FLM) Nucleus n. abducentis

▶ Abb. 3 Schematische Darstellung des Hirnstamms und anteilig des Diencephalons in median-sagittaler Schnittebene (Aufsicht von links auf die rechte Seite). Die für die Okulomotorik relevanten Hirnnervenkerne des N. oculomotorius, des N. trochlearis und des N. abducens sind im Tegmentum des Mesencephalons bzw. des Pons eingezeichnet (orange). Der FLM ist die zentrale Verbindung dieser Kerngebiete (blau). Die in der Formatio reticularis (grün) liegenden supranukleären Steuerzentren, der riFLM (rostraler interstitieller Nucleus des FLM), die PPRF und der Nucleus prepositus hypoglossi sind ebenfalls eingezeichnet (lila). (Quelle: Schünke M, Schulte E, Schuhmacher U. Prometheus. LernAtlas der Anatomie. Kopf, Hals und Neuroanatomie. Illustrationen von M. Voll und K. Wesker. 4. Aufl. Stuttgart: Thieme; 2015)

die Omnipause-Neurone zu nennen, die im Kern der dorsalen Raphe lokalisiert sind und Sakkaden durch Inhibition der Burst-Neurone unterdrücken. Die Kodierung der Augenposition ist etwas komplexer [27]. Hierfür muss es zu einer neuronalen Integration der Geschwindigkeit kommen, wozu der Flocculus des Cerebellums, der Nucleus vestibularis medialis und der Nucleus prepositus hypoglossi benötigt werden, in denen im Gegensatz zu den Burst-Neuronen eher tonische Neurone vorhanden sind. Die Links-rechts-Interaktion scheint hier sehr wichtig. Läsionen in diesen Bereichen verhindern Sakkaden nicht, aber die Zielposition kann nicht beibehalten werden, was zum Zurückdriften der Augen nach einer Sakkade führt, was auch Blickhalteschwäche (klinisches Äquivalent, Blickrichtungsnystagmus) genannt wird. Um die Burst-Neurone und die Omnipause-Neurone herum ist die extrazelluläre Matrix in sogenannten perineuralen Netzen aufgebaut. Diese scheinen für die Funktion der Neurone essenziell zu sein [28]. Neben horizontalen Sakkaden müssen auch vertikale Sakkaden generiert werden können. Dies geschieht im rostralen interstitiellen Nucleus des FLM (riFLM), der auch als vertikales Blickzentrum bezeichnet wird [29], wobei hier auch Rotationsbewegungen generiert werden [30]. Auch hier gibt es Burst-Neurone. Die neuronale Integration, zur Ermittlung der Zielposition einer vertikalen Sakkade, wird unter anderem von Neuronen des Nucleus interstitialis Cajal erbracht [31, 32], wobei wohl auch der Nucleus prepositus hypoglossi und der Nucleus vestibularis medialis daran beteiligt sind und über den FLM zu den Kerngebieten der HN III und HN IV projizieren. Der Nucleus interstitialis Cajal spielt auch eine Rolle bezüglich der Position in der Rotationsachse [33]. Die Omnipause-Neurone des dorsalen Raphekerns sind da-

rüber hinaus für die Hemmung von Sakkaden des vertikalen Blickzentrums zuständig. Interessanterweise scheint die Commissura posterior eine wichtige Rolle für den Erhalt der vertikalen Augenbewegungen zu spielen, was bei Läsionen in diesem Bereich deutlich wird [34]. Raumforderungen der Epiphyse (Pinealdrüse) beeinträchtigen mit hoher Wahrscheinlichkeit ebenfalls das vertikale Blickzentrum [35] und die übrigen für die Okulomotorik wichtigen Bereiche des Mesencephalons, was als dorsales Mittelhirnsyndrom oder auch als Parinaud-Syndrom bezeichnet wird. Zudem ist hierbei eine Beteiligung des Konvergenzzentrums möglich, das ebenfalls im Mesencephalon lokalisiert ist (s. u.). Der FLM enthält neben den genannten Informationen, inklusive des Vestibularsystems, auch Input aus der Nackenmuskulatur. Letztere ist intensiv mit Propriozeptoren ausgestattet und eignet sich zusammen mit dem Vestibularapparat sehr gut, dem okulomotorischen System Feedback über die Lage des Kopfes im Raum zu geben. Obgleich horizontale Sakkaden in der PPRF generiert werden, sind dieser noch höhere Instanzen vorgeschaltet. Hier nehmen die Colliculi superiores eine wichtige Rolle ein. Auf die Rolle der Colliculi superiores bei der Verarbeitung visueller Reize wird in einem anderen Beitrag dieser Ausgabe (Heermann, Neuroanatomie der Sehbahn) eingegangen. Für die Generierung von Sakkaden scheint die intermediäre Zone der Colliculi entscheidend zu sein. Hier sind Neurone lokalisiert, die Sakkaden mit bestimmter Richtung und bestimmtem Ausmaß in Gang setzen. Diese steuern die Burst-Neurone der PPRF. Bei Läsionen der intermediären Zone der Colliculi superiores können Sakkaden zur kontralateralen Seite nicht mehr ausgeführt werden. Es scheint hier auch eine Art Zielkoordinatensystem zu bestehen, wobei eine Population von Neu-




Nucleus prepositus hypoglossi



tectalis. Wahrscheinlich ist auch der Nucleus Perlia, der zwischen den HN III lokalisiert ist, bei der Konvergenzreaktion beteiligt. Zudem bedarf es bei der Konvergenz auch einer Anpassung der Lichtbrechung im Auge, Akkomodation. Eine stärkere Brechung des Lichtes bei Konvergenz wird durch den M. ciliaris erreicht, der von akzessorischen Fasern des HN III innerviert wird, die im Ganglion ciliare umgeschaltet werden. Solche Fasern innervieren auch den M. sphincter pupillae, welcher die Pupille bei der Akkomodation verengt. Letzterer wird auch beim Pupillenreflex aktiv, der weiter unten besprochen wird. Es ist offensichtlich, dass das Konvergenzzentrum kortikalen afferenten Input benötigt, um eine bestimmte Fokusebene anzuvisieren. Im dorsalen Weg der visuellen Verarbeitung existieren Neurone, die auf unterschiedliche Fokusebenen reagieren (anderer Beitrag dieser Ausgabe: Heermann, Neuroanatomie der Sehbahn) und so einen Eindruck von Tiefe vermitteln können. Es ist anzunehmen, dass diese Bereiche afferenten Input zum Konvergenzzentrum senden und die Konvergenzreaktion beeinflussen. Zudem scheint Information aus den neuronalen Integratoren, die sich ja mit der Position der Augen beschäftigen, für die Konvergenz relevant zu sein [22]. Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Steuerung der Divergenz. Hierbei müssen die beiden Mm. recti laterales, jeweils vom HN VI innerviert, koordiniert und gleichzeitig angesteuert werden, um nach der Konvergenz wieder ein weiter entferntes Objekt zu betrachten. Es ist davon auszugehen, dass die Information vom Konvergenzzentrum zu den Abduzenskerngebieten gelangt, wobei der FLM eine plausible Verbindung darstellt. Überhaupt ist davon auszugehen, dass Antagonisten der zu innervierenden Muskeln aktiv gehemmt werden, was demnach auch bei der Konvergenz eine Beteiligung der Abduzenzkerne nötig macht. Eine weitere wichtige Fähigkeit des okulomotorischen Systems ist die Fixation auf ein Objekt von Interesse. Es ist verständlich, dass es hierfür ein gewisses Maß an Visus und visueller Aufmerksamkeit braucht. Für die eigentliche Fixation aber kommt dem rostralen Bereich der Colliculi superiores eine tragende Rolle zu. Dort besteht eine Repräsentation der Fovea centralis und die lokale intermediäre Zone ist bei Blickfixation aktiv. Hier lokalisierte Neuronen hemmen Neurone in anderen Bereichen der intermediären Zone der Colliculi superiores und aktivieren die in der dorsalen Raphe liegenden Omnipause-Neurone. Beides wirkt sich hemmend auf die an anderen Stellen der Colliculi superiores generierten Sakkaden aus. Der rostrale Colliculus selbst ist aber bei kleinen Sakkaden aktiv. Wie anfangs erwähnt, ist ein gewisses Maß an Bewegung der auf die Retina projizierten Abbildung wichtig, damit das Bild nicht verblasst. Ob die in der rostralen intermediären Zone der Colliculi superiores generierten kleinen Sakkaden dabei funktionell relevant sind, ist noch unklar [17]. Es ist davon auszugehen, dass im täglichen Leben die physiologische Bewegung des Kopfes und des Körpers im Raum ausreichend sind. Zu viel Bewegung könnte hingegen die Abbildungsgenauigkeit herabsetzen und muss daher kompensiert werden. Für eine solche Blickstabilisierung steht dem okulomotorischen System der VOR und der OKR zur Verfügung. Der vestibuläre Apparat detektiert mit seinen 3 Bogengängen rotatorische Bewegungen und mit seinem Utrikulus und Sakkulus lineare Beschleunigungen. Rotatorische Bewegungen können recht einfach auf die Augenmuskeln übertragen werden, im Sinne einer gegensinnigen Innerva-


ronen zusammen aktiv ist, um eine Sakkade zu einer bestimmten Zielkoordinate in Gang zu setzen. Dieser Bereich der Colliculi superiores erhält afferenten erregenden Input vom frontalen Augenfeld, Brodman-Area 8, aber auch von Regionen im parietalen Kortex, z. B. der Brodmann-Area 7. Letztere wird in Zusammenhang mit visueller Aufmerksamkeit gebracht und Läsionen hier können Phänomene wie einen Neglect und das Balint-Syndrom erklären [36, 37]. Das frontale Augenfeld aber ist die eigentliche motorische Steuereinheit. Es ist der Sitz der bewussten Steuerung der Sakkaden zur Gegenseite. Das frontale Augenfeld projiziert in die intermediäre Zone der Colliculi superiores, wo die Information bezüglich der Sakkaden integriert wird. Die Colliculi superiores stehen aber auch unter hemmendem Einfluss. Die Pars reticularis der Substantia nigra, die spontan aktiv ist, projiziert in die Colliculi und unterdrückt Sakkaden. Es muss demnach zu einer Inhibition dieser Inhibition kommen, um Sakkaden zu ermöglichen. Dies wird durch hemmende Projektionen des Nucleus caudatus, des Striatums, in die Pars reticularis erreicht. Der Nucleus caudatus erhält wiederum erregenden Input aus dem frontalen Augenfeld, dem hiermit also eine duale Funktion bei der Initiierung von Sakkaden zukommt. Wie erwähnt, fallen bei einer Läsion der Colliculi superiores Sakkaden zur Gegenseite aus. Interessanterweise ist dieser Ausfall aber lediglich transient. Die Erholung des Systems kann durch eine erhaltene Projektion des frontalen Augenfelds auf die Blickzentren erklärt werden. Läsionen im parietalen Kortex, die unter anderem zu einem visuellen Aufmerksamkeitsdefizit führen, können sich ebenfalls negativ auf die Entstehung von Sakkaden auswirken. Das frontale Augenfeld ist aber längerfristig ausreichend, um diese wiederherzustellen. Eine Läsion des frontalen Augenfelds resultiert in einem Augendrift in Richtung der Läsion, die durch ein Überwiegen des kontralateralen Augenfelds erklärt werden kann. Dieses unkontrollierte Abweichen kann sich allerdings zurückbilden, wobei dann, beim Wegfall des frontalen Augenfelds, die Kontrolle der Colliculi superiores überwiegend von der Area 7 übernommen wird. Wie oben erwähnt, ist diese Region Sitz der visuellen Aufmerksamkeit. Patienten können in dieser Konstellation zwar Sakkaden ausführen, sie können sich aber nur einzelnen Objekten zuwenden. Zudem scheint es solchen Patienten schwer zu fallen, Objekte zu ignorieren, die ins Gesichtsfeld rücken. Läsionen auf der Ebene des Pons, welche die PPRF betreffen, führen zu einem Augendrift in Richtung zur intakten Seite. Dies ist durch die gekreuzten Bahnen vom frontalen Augenfeld zum Hirnstamm zu erklären. Bei Reizungen in den entsprechenden Bereichen, z. B. bei einer Epilepsie, ist der unwillkürliche Augendrift genau anders herum. Ein epileptogener Fokus im Bereich des „dorsalen Weges“ (anderer Beitrag dieser Ausgabe: Heermann, Neuroanatomie der Sehbahn) kann ebenfalls zu einem Abweichen der Augen führen. Interessanterweise weichen diese dann zur Seite des Fokus ab. Dies kann durch die Beteiligung des dorsalen Weges an glatten Folgebewegungen erklärt werden [38]. Die Konvergenzreaktion wird von der Area pretectalis aus gesteuert. Hier terminieren Afferenzen aus der Retina, die vorbei am Corpus geniculatum laterale direkt hierher projizieren. Für die Konvergenz müssen die beiden HN III koordiniert werden, welche die beiden Mm. recti mediales innervieren. Das Kerngebiet des HN III liegt im Tegmentum mesencephali ventral der Area pre-

Übersicht

leiten, sind der Nucleus vestibularis medialis, der Nucleus prepositus hypoglossi, aber auch Neurone der PPRF. Wenn das okulomotorische System noch nicht ausgereift ist, wie im Kleinkindesalter der Fall, scheinen noch andere Bereiche des ZNS Folgebewegungen zu beeinflussen. Hier spielen das akzessorische optische System (AOS) [34, 40], aber auch der Nucleus tractus opticus eine Rolle [34]. Die Efferenzen des AOS sollen zum Nucleus prepositus hypoglossi und zum Nucleus vestibularis medialis projizieren. Es scheint, dass diese Bahn den VOR beeinflussen soll. Wie oben beschrieben, steht der Nucleus des Tractus opticus im Dienste des OKR. Auch dies unterstreicht die reflektorische Augensteuerung im Kleinkindesalter.

Pupillomotorik Es soll noch kurz auf die Pupillomotorik eingegangen werden. Ein Teil hierzu wurde oben, im Rahmen der Konvergenzreaktion, bereits erwähnt. Die Weite der Pupille wird von sympathischen und parasympathischen Fasern reguliert, die Mydriasis und Miosis induzieren. Sympathische Fasern aus dem Ganglion cervicale superius des Grenzstrangs gelangen über den Plexus caroticus internus ins Schädelinnere. Mit der A. ophthalmica, welche den N. opticus durch den Canalis opticus begleitet, gelangen die Fasern in die Orbita. Sie verlaufen durch das Ganglion ciliare zum Auge und innervieren den M. dilatator pupillae. Die sympathischen Neurone im Ganglion cervicale superius erhalten ihren Input indirekt von der Retina, über die Area pretectalis, das zentrale Höhlengrau und schließlich über Neurone im Seitenhorn des oberen thorakalen Rückenmarks. Die Afferenzen für die Miosis kommen von der Retina und projizieren ebenfalls zur Area pretectalis und von dort zu beiden Nuclei oculomotorii accessorii. Hier liegen die präganglionären parasympathischen Neurone, die mit dem HN III in die Orbita ziehen, im Ganglion ciliare umgeschaltet werden und im Auge den M. sphincter pupillae innervieren.

Okulomotorik im Kontext der Motorik und weiterführende Literatur Insgesamt ist zu beachten, dass das okulomotorische System ein Teil eines gesamten motorischen Systems ist. Zielgerichtete Sakkaden z. B. gehen in Kombination mit einer Zuwendung des Kopfes einher. Zudem wirken sich auch Elemente von systemischen Regelkreisen auf die Augenbewegungen aus. Diese Aspekte werden klar, wenn man die okulomotorischen Ausfälle im Rahmen von zentralmotorischen Erkrankungen studiert [41, 42]. Bestimmte Ausfallerscheinungen lassen sich zwar experimentell provozieren, finden sich aber im Patientenkollektiv nicht oder nur äußerst selten. Einige interessante Übersichtsarbeiten beleuchten das okulomotorische System eher aus klinischer Perspektive und seien hier als weitere Lektüre empfohlen [32, 34, 41, 43, 44]. Zudem sei auch auf ein paar Beispiele weiterführender Literatur hingewiesen, die einen noch tieferen Einblick in die komplexen Prozesse der Okulomotorik ermöglicht [45–47]. Zudem konnten bestimmte anatomische Aspekte im Rahmen dieses Beitrags nur oberflächlich angesprochen werden. Für das tiefere Studium sei auf anatomische Lehrbücher verwiesen [48–51].




tion. Bei translationalen Bewegungen, detektiert durch z. B. den Utrikulus, ist eine Übertragung auf die Augenmuskulatur komplexer. Hier spielt die Tiefe des Raumes eine wichtige Rolle und damit die Entfernung des Objekts, auf welches der Blick stabilisiert werden soll. Der Sakkulus ist bezüglich der Okulomotorik für die Wahrnehmung einer Seitwärtsneigung des Kopfes involviert. Läsionen in diesem Bereich äußern sich durch eine pathologische Kopfneigung zur Seite der Läsion, begleitet von einer gleichseitigen Augenrotation (klinisches Korrelat, „ocular tilt reaction“) [34]. Die Bahn, welche den VOR vermittelt, geht überwiegend vom Nucleus vestibularis medialis aus. Zudem projiziert der Nucleus vestibularis lateralis mit seinen Efferenzen über den aufsteigenden Deiters-Trakt zum HN III. Über den Nucleus vestibularis superior werden eher inhibitorische Signale gesendet. Die Bahnen vom Nucleus vestibularis medialis projizieren über den FLM zu den Kerngebieten der HN III und VI. Auch hier werden die Geschwindigkeit und die Zielposition kodiert. Zur Errechnung der Zielposition fungieren wieder der Nucleus prepositus hypoglossi und der Nucleus vestibularis medialis (Beispiel horizontaler VOR). Das System des VOR funktioniert aber nicht perfekt. Der rotatorische VOR lässt bei gleichmäßiger Rotation relativ rasch nach, bedingt durch die sich nach initialer Trägheit mitrotierende Endolymphe. Zudem spricht der VOR nicht gut auf langsame Bewegungen an. Diese Unzulänglichkeiten werden durch den OKR kompensiert. Afferenzen für den OKR laufen von der Retina über den Tractus opticus zu den Nuclei tracti optici im Mesencephalon. Interessanterweise projizieren diese wiederum auf den Nucleus vestibularis medialis. Aufgrund der Konvergenz der Afferenzen des OKR und des VOR im Nucleus vestibularis medialis, sind der VOR und der OKR für das Individuum schlecht auseinander zu halten. Bei höheren Vertebraten existiert ein weiterer Input für den OKR, aus dem dorsalen Weg (anderer Beitrag dieser Ausgabe: Heermann, Neuroanatomie der Sehbahn). Die typischen Augenbewegungen, Nystagmus, die bei der Untersuchung des VOR und des OKR zu sehen sind, bestehen aus einer langsamen Bewegung, welche die eigentliche Blickstabilisierung darstellt, und einer schnellen Rückstellbewegung. Als Nächstes sollen glatte Folgebewegungen besprochen werden. Streng genommen handelt es sich bei Folgebewegungen um reflektorische Bewegungen. Es ist unmöglich, eine Art artifizielle Folgebewegung ohne sich entsprechend bewegenden Stimulus zu generieren. Dennoch ist sicherlich einleuchtend, dass es auch für Folgebewegungen auf ein Objekt fokussierter Aufmerksamkeit bedarf, was zumindest diesen Teil zu einem aktiven Vorgang macht. Bei der Selektion des Objekts scheint der Colliculus superior beteiligt zu sein [17]. Es ist aber zu bedenken, dass hier auch Neurone lokalisiert sind, die bei der Fixierung beteiligt sind. Eine wichtige Starterfunktion für die Folgebewegungen kommt dem frontalen Augenfeld zu oder einer Subregion des frontalen Augenfelds [39], wohingegen die Berechnung der Geschwindigkeit im dorsalen Weg stattfindet. Es ist davon auszugehen, dass das frontale Augenfeld Informationen aus dem dorsalen Weg erhält. Die visuellen Kortexareale sind für den Erhalt der Folgebewegungen wichtig, aber kaum für deren Initiierung. Läsionen im dorsalen Weg führen unter anderem zu beeinträchtigten Folgebewegungen zur Seite der Läsion. Neurone, die Information über eine intendierte Folgebewegung an Kerngebiete der Hirnnerven weiter-

[18] Hering E, Bridgeman B, Stark L. The theory of binocular vision. New York: Plenum Press; 1977

Ich möchte mich bei Dr. Orsolya Kantor und PD Dr. Matthias Kirsch für konstruktive Kritik zu diesem Beitrag bedanken. Zusätzlich möchte ich mich bei Dr. Nadine Jede-Heermann für das konstruktive Korrekturlesen bedanken.

Interessenkonflikt Der Autor gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

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Lighting up Neuroanatomy.

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