Progress in Brain Research Volume 05 Lectures on the Diencephalon

PROGRESS IN BRAIN RESEARCH VOLUME 5 LECTURES O N THE DTENCEPHALON

PROGRESS I N BRAIN RESEARCH

ADVISORY BOARD

W. Bargmann E. De Robertis J. C. Eccles J. D. French

H. HydCn J. Ariens Kappers

S. A. Sarkisov

Kiel Buenos Aires Canberra Los Angeles Goteborg Amsterdam Moscow

J. P. Schadt

Amsterdam

T. Tokizane

Tokyo

H. Waelsch

New York

N. Wiener J. Z. Young

Cambridge (U.S.A.) London

PROGRESS I N BRAIN RESEARCH VOLUME 5

LECTURES ON THE DIENCEPHALON EDITED BY

W. B A R G M A N N Anatomisches Institut der Universitat Kid, Kiel (DeutschIand) AND

J. P. S C H A D E Central Institute for Brain Research, Amsterdam (The Netherlands)

ELSEVIER P U B L I S H I N G C O M P A N Y AMSTERDAM

/

LONDON

1964

/

N E W YORK

ELSEVIER P U B L I S H I N G COMPANY

335

J A N V A N G A L E N S T R A A T , P.O.

BOX

21 1,

AMSTERDAM

AMERICAN ELSEVIER PUBLISHING COMPANY, I N C

52 VANDERBILT AVENUE, N E W YORK,

N.Y.

10017

ELSEVIER PUBLISHING COMPANY LIMITED

12B,

RIPPLESIDE COMMERCIAL

ESTATE

R I P P L E R O A D , B A R K I N G , ESSEX

This volume contains a series of lectures delivered during a symposium on THE STRUCTURE AND FUNCTION OF THE DIENCEPHALON

which was held as part of the Third International Meeting of Neurobiologists at the Anatomisches fnstitut der Universitat Kiel, Kiel {Deutschland) from 26-29 September, 1962. This meeting was organized by W. Bargmann, K . Fleischhauer and A . Oksche

L I B R A R Y OF C O N G R E S S C A T A L O G C A R D N U M B E R

WITH

136

ILLUSTRATIONS

AND

10

63-19816

TABLES

A L L R I G H T S RESERVED T H I S B O O K O R A N Y P A R T T H E R E O F M A Y N O T BE R E P R O D U C E D I N A N Y F O R M I N C L U D I N G P H O T O S T A T I C O R M I C R O F I L M FORM, WITHOUT WRITTEN PERMISSION FROM THE PUBLISHERS

List of Contributors

P. ANDERSEN, Department of Physiology, Australian National University, Canberra.

L. M. N. BACH,Department of Physiology, Tulane University School of Medicine, New Orleans, La. (U.S.A.). C. BAUMANN, W. G. Kerckhoff-Herzforschungsinstitut der Max-Planck-Gesellschaft, Bad Nauheim (Deutschland).

H. BERGQUIST, Zoologisches Institut der Universitat Goteborg, Goteborg (Sweden). C. McC. BROOKS,Department of Physiology, Australian National University, Canberra. G . P. COOPER,Department of Physiology, Tulane University School of Medicine, New Orleans, La. (U.S.A.). E. DODT, Herzforschungsinstitut der Max-Planck-Gesellschaft, Bad Nauheim (Deutschland). P. Y. DUCHESNE, Department of Anatomy, Libge University, Libge (Belgium). J. C . ECCLES,Department of Physiology, Australian National University, Canberra. D. S. FARNER,Laboratories of Zoophysiology, Washington State University, Pullman (U.S.A .). J. A. GANGLBERGER, Neurochirurgische Klinik der Universitat Freiburg im Breisgau (Deutschland).

M. A. GEREBTZOFF, Department of Anatomy, Libge University, Libge (Belgium).

M. GIHR,Institut fur Hirnforschung und allgemeine Biologie, Neustadt/Schwarzwald (Deutschland). R. HASSLER, Max Planck-Institut fur Hirnforschung, Neuroanatomische Abteilung, Fran kfurt/M. (Deutschland). J. ARIENSKAPPERS,Department of Anatomy and Embryology, State University, Groningen (The Netherlands). S. KAWASHIMA, Anatomisches Institut, Universitat Kiel, Kiel (Deutschland). H. KOBAYASHI, Zoological Institute, University of Tokyo, Tokyo (Japan). C . KRAUS,Institut fur Hirnforschung und allgemeine Biologie, Neustadt/Schwarzwald (Deutschland). J. LUCIANI,Laboratoire d’Histologie de la Facult6 de MCdecine de Marseille, Marseille (France). R. P. MONTANELLI, Max-Planck Institute for Brain Research, Department of Neuroanatomy, Frankfurt/M. (Deutschland).

VI

L I S T OF CONTRIBUTORS

C. P. O’BRIEN,Department of Physiology, Tulane University School of Medicine, New Orleans, La. (U.S.A.). A. OKSCHE,Anatomisches Institut der Universitat Kiel, Kiel (Deutschland). D. PICARD,Laboratoire d’Histologie de la FacultC de MCdecine de Marseille, Marseille (Frahce). N. PROP, Department of Anatomy and Embryology, State University, Groningen (The Netherlands). C. H. SAWYER, Los Angeles School of Medicine, Los Angeles, Calif. (U.S.A.). R. SEITE,Laboratoire d’Histologie de la FacultC de MCdecine de Marseille, Marseille (France). P. G. SMELIK, Department of Anatomy, University of California, Los Angeles, Calif. (U.S .A.).

J. SZENTAGOTHAI, Department of Anatomy, University Medical School, PCcs (Hungary). W. UMBACH, Neurochirurgische Universtatsklinik, Freiburg/Breisgau (Deutschland).

C. VONEULER,Nobel Institute for Neurophysiology, Karolinska Institutet, Stockholm. M. VONHARNACK, Anatomisches Institut der Universitat Kiel, Kiel (Deutschland).

A. WAGNER,Max-Planck-Institut fur Hirnforschung, Neuroanatomische Abteilung, Frankfurt/M. (Deutschland). W. WAHREN,Neurologische Universitatsklinik Wiirzburg, Wiirzburg (Deutschland).

J. ZWEENS,Department of Anatomy and Embryology, State University, Groningen (The Netherlands).

Vorwort

In den thematisch sehr unterschiedlichen Beitragen zur Erforschung des DiencephaIons, die auf dem 111. Tnternationalen Symposioh der Neurobiologen, Kiel, 1962,vorgelegt und diskutiert wurden, spiegelt sich die Kompliziertheit der Struktur und Funktion dieses Hirnabschdttes. Ihre Ergebnisse machen insbesondere die Schwierigkeit deutlich, die mannigfachen Verkniipfungen der verschiedenenen Zwischenhirnanteile untereinander und mit anderen Gehirnbereichen, so dem Cortex, herauszuschalen, Verkniipfungen, auf die Prof. Dr. R. Hassler in seinem einleitenden Referat iiber spezifische und unspezifische Projektionssysteme des menschlichen Zwischenhirns eingeht. Die Vortrage erinnern zugleich an das auf das Zwischenhirn gemiinzte Wort von W. R. Hess (1948), “dass funktioneller und morphologischer Aspekt organischer Ordnung so eng miteinander verbunden sind, dass das eine ohne das andere fur sich allein nicht in vollem Umfang begriffen werden kann.” Februar, 1964

W. BARGMANN

Other vofunies in this series:

Volume 1 : Brain Mechanisnis Specific and Unspecific Mechanisms of Sensory Motor Integration Edited by G. Moruzzi, A. Fessard and H. H. Jasper

Volume 2: Nerve, Brain and Memory Models Edited by Norbert Wiener and J. P. Schade

Volume 3 : The Rhinencephalon and Related Structures Edited by W. Bargmann and J. P. Schade

Volume 4: Growth and Maturation of the Brain Edited by D. P. Purpura and J. P. Schade

Volume 6: Topics in Basic Neurology Edited by W. Bargmann and J . P. Schade

Volume 7: Slow Electrical Processes in the Brain by N. A. Aladjalova

Volume 8 : Biogenic Amines Edited by Harold Himwich and Williamina Himwich

Volume 9 : The Developing Brain Edited by Williamina Himwich and Harold Himwich

Volume 10: Structure and Function of the Epiphysis Cerehri Edited by J. Ariens Kappers and J. P. Schade

Volume 1 I : Organization of the Spinal Cord Edited by J. C . Eccles and J. P. Schade

Volume 12: Physiology of Spinal Neurons Edited by J. C . Eccles and J . P.Schade Volume 13 : Mechanisms of Neural Regeneration Edited by M. Singer and J. P. Schade

Volume 14: Degeneration Patterns in the Nervous System Edited by M. Singer and J . P. SchadC

Contents

List of contributors Vorwort..

....

.............................

....................................

Spezifische und unspezifische Systeme des menschlichen Zwischenhirns R. Hassler (Frankfurt/Main, Deutschland) . . . . . . . . . . . .

VII 1

..........

Wirkungen umschriebener Reizungen im menschlichen Zwischenhirn auf das EMG J. A. Ganglberger (Freiburg/Br., Deutschland) . . . . . . . . . . . . . . . .

....

33

Elektrophysiologische und vegetative Effekte bei stereotaktischer Reizung und Ausschaltung im menschlichen Hirn 46 W. Umbach (Freiburg/Br., Deutschland) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motor effects elicited by stimulation of the pallido-thalamic system in the cat R. P. Montanelli and R. Hassler (Freiburg/Breisgau, Germany) . . . . .

. . . . . . . .

56

Veranderungen der y-Aktivitat durch Reizungen im Zwischen- und Mittelhirn bei der Katze A. Wagner (Freiburg/Breisgau, Deutschland) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

Die Zellformen des Nucleus medialis dorsalis thalami des Menschen M. Gihr (Neustadt/Schwarzwald, Deutschland) . . . . . . . . .

74

Studien zur vergleichenden Architektonik des Thalamus A. Hopf und C. Kraus (Neustadt/Schwarzwald). . .

...........

. . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Electrical responses of the ventro-basal nucleus of the thalamus P. Andersen, C. McC. Brooks and J. C. Eccles (Canberra) .

. . . . . . . . . . . . . 100

Some observations concerning the hypothalamic regulation of growth and of food intake L. M. N. Bach, C. P. O’Brien and G. P. Cooper (New Orleans, La.). . . . . . . . . The gain of the hypothalamic temperature regulating mechanisms C . Von Euler (Stockholm) . . . . . . . . . . . . . . . . .

............

. . 114 127

Hypothalamic structures involved in the adrenocortical feedback action on pituitary corticotrophin secretion P. G. Smelik and C. H . Sawyer (10s Angeles, Calif.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 The parvicellular neurosecretory system J. Szentigothai (PCcs, Hungary). . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

135

Proteinase and acid-phosphatase activities in relation to the function of the hypothalamo- hypophysial neurosecretory systems of photostimulated and of dehydrated white-crowned sparrows D. S. Farner, H. Kobayashi, A. Oksche and S. Kawashima (Pullman, Washington). . . . . 147 Modification of hypothalamic neurosecretion by a neuroleptic P. Y . Duchesne and M. A. Gerebtzoff (Liege, Belgium) . .

Zur Pathoklise des Nucleus tuberis lateralis W. Wahren (Wiirzburg, Deutschland) . .

. . . . . . . . . . . . . .157

......................

161

Effets precoces du choc pentetrazolique sur les noyaux neurosecretoires hypothalamiques chez le chat R. Seite, D. Picard et J. Luciani (Marseille, France) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Qualitative evaluation of pineal fats in the albino rat by histochemical methods and paper chromatography and the changes in pineal fat contents under physiological and experimental conditions J. Ariens Kappers, N. Prop and J . Zweens (Groningen, The Netherlands) . . . . . . . . 191

V

X

CONTENTS

Aktivierung markhaltiger und markloser Fasern im Pinealnerven bei Belichtung des Stirnorgans E. Dodt (Bad Nauheim, Deutschland) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Lichtaktivierte oppopierende Prozesse im Stirnorgan (nach Untersuchungen langsamer Potentiale vom Pinealnerven des Frosches) C. Baumann (Bad Nauheim, Deutschland) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Die elektronenmikroskopische Feipstruktur des Stirnorgans (Epiphysenendblase) der Anuren A. Oksche und M. Von Harnack (Kiel, Deutschland) . . . . . . . . . . . . . . . . .209 Die Entwicklung des Diencephalons im Lichte neuer Forschung . H. Bergquist (Goteborg, Schweden) . . . . . . . . . . . . .

223

Author Index.

230

Subject Index.

. . ............ ................................... ...................................

234

1

Spezifische und Unspezifische Systeme des Menschlichen Zwischenhirns R. H A S S L E R Max Planck-Institut fur Hirnforschung, Neuroanatornische Abteilung, FrankfurtlMain (Deutschland)

Das Zwischenhirn hat eine Zwischenstellung zwischen dem Hirnstamm, der nur begrenzte Koordinationsapparate neben den Ursprungs- und Endigungskernen der peripheren Neurone enthalt, und dem Endhirn mit seiner riesigen Neuronen-Anhaufung in der Rinde. Die funktionelle Bedeutung der einzelnen Rindenfelder wurde bis vor 20 Jahren in mosaikartigen Lokalisationskarten zu erfassen gesucht, die nur die corticale Ebene berucksichtigten. Dies geschah, obgleich schon seit Von Gudden (1870, l889), Flechsig (1876) und Forel (1877) bekannt war, dass die meisten Rindenbezirke jeweils gesonderte Faserverbindungen mit tieferen Hirnteilen haben. Funktionell hat das Grosshirn eine Vertikalstruktur. Man wahlte von anatomischer Seite fur den Faserzufluss zu den Rindenfeldern den Ausdruck Projektion. Zu einer einzelnen thalamischen Projektionsfaser gehoren in der Rinde etwa 150-200 Neuronen, um einen Begriff vom Aufwand an Verstarkungs- und Schaltungsmoglichkeiten in der Rinde zu geben. Als Ausgangspunkte dieser gesonderten oder spezijischen Projektionen bestimmten Von Gudden (1870, l889), Von Monakow (1895), Dkjerine (1896) und Nissl (1889, 1913) bestimmte Bezirke des Thalamus. Diese Forscher fanden bereits, dass nicht alle Teile des Thalamus zur Grosshirnrinde projizieren und unterschieden daher Grosshirnanteile, besser Grosshirnrindeanteile von rindenunabhangigen oder Stammhirn-Anteilen des Thalamus. Der Untergang der Grosshirnrindenanteile nach Zerstorung des Rindenfeldes bzw. Unterbrechung der Verbindungen zu diesen beruht darauf, dass die Nervenzellen dieser Grosshirnrindenanteile ihre efferenten Neuriten ausschliesslich zu einem bestimmten Bezirk der Grosshirnrinde entsenden. Wird dieser zerstort, so erfolgt eine komplette retrograde Degeneration der Nervenzellen bis zum Zelluntergang. Diejenigen Neuronenkomplexe des Thalamus, die ihre Neuriten nicht zur Rinde schicken, bleiben nach Rindenzerstorung erhalten (Figs. 9 und lo). Da sie zum Stammhirn projizieren, werden sie als Trunco-thalamus den Rindenanteilen oder Palliothalamus gegenubergestellt (Hassler, 1948a, c, 1949a, b). Eine komplette retrograde Zelldegeneration in palliothalamischen Kernen kommt aber auch dann zustande, wenn durch den Krankheitsprozess, der der Hemiatrophia cerebri (Spielmeyer, 1906; Bielschowsky, 1916) zugrunde liegt, die Nervenzellen der Lifrratur S.!18-32

2

R. H A S S L E R

oberen Rindenschichten, insbesondere der 111. zugrunde gehen, wahrend diejenigen der V. und VI. Schicht erhalten bleiben. Das liegt daran, dass die Endaufsplitterungen der spezifischen afferenten Projektions-Fasern aus dem Thalamus in der 111. und im oberen Teil der IV. Rindenschicht liegen (Fig. I , nach Lorente de N6, 1938). Ihre Zer-

Fig. 1. Schema der Neuronenverteilung im Cortex allgemein nach dem Nissl-Bild (links) mit Schichteneinteilung und nach Golgi-Bildern (Mitte). Im rechten Teil der Abbildung zwei spezi’sche corticale Afferenzen (a, b) mit ihren ausserst dichten Endverzweigungen in den Schichten IVa, lVb, (welche der Schicht I l k der ubrigen Autoren entspricht) und im unteren Ted der 111. Die beiden unspezifischen Afferenzen (c, d) dagegen haben nur wenige Seitenaste in allen Schichten bis zur 1. Corticale Commissurenfasern sind in e und f dargestellt. (Nach Lorente de NO, 1938 in Fulton: Physiology o f t h e Nervous System).

storung bei der Hemiatrophie reicht aus, um die zugehorigen thalamischen Nervenzellen zur Degeneration zu bringen (Hassler, 1949a, b, 1950). In diesem Fall enthalt das Grosshirnmark und die innere Kapsel nur noch Fasern, die aus der Grosshirnrinde entspringen. Ihre Neurone liegen auch nach den laminaren Koagulationen von Dusser de Barenne und McCulloch (1938a, b ; 1941) und Zimmermann (1940) in der V. (und VI.) Rindenschicht. Diese vom Cortex ausgehenden Fasern sind neben efferenten motorischen Fasern (cortico-spinale, cortico-nigrale, cortico-pontine u.a.) und den Bal kenfasern auch riicklaufige Fasern zu den zugehorigen Rindenanteilen des Thalamus. Wallenberg (1928, 1949) und Brouwer (1928, 1936) deuteten diese Fasernfunktionellals riickliiufige Einsteller der Empfindlichkeit,bzw. als Vermittler der Aufmerksamkeitsverteilung. Sicherlich besteht zwischen einem Rindenfeld und dem zugehorigen Projektionskern des Thalamus eine doppellaufige Faserverbindung. Die umschriebene Unterbrechung dieser Faserverbindungen hat eine starke Verminderung bis Aufhebung der elektrischen Aktivitat im zugehorigen Rindenfeld wenigstens

PROJEKTIONSSYSTEME DES Z W I S C H E N H I R N S

3

zunachst zur Folge, wie Dusser de Barenne und McCulloch (1938a, b; 1941) sowie Burns (1951, 1958) zeigten. Neben den spezifischen Afferenzen zur Grosshirnrinde beschrieb schon Cajal (1909-191 1) sogenannte unspezifische afferente Fasern in der Rinde, die nicht als dichtes Faserwerk in der 111. Schicht endigen, sondern ihre wenigen Seitenzweige an alle Schichten der Grosshirnrinde verteilen (Fig. 11a). Die funktionelle Bedeutung dieser Faserart ergab sich aus den Experimenten von Morison und Dempsey ; (1942, 1943) sie wiesen nach, dass das gleiche Rindenfeld auf eine Reizung der spezifischen Afferenzen nach kurzer Latenz mit einem spike antwortet, auf eine unspezifische Erregung aber erst nach 30-40 msec mit einer Welle, die allmahlich grosser wird (recruiting response). Die rucklaufige gesonderte Faser-Leitung vom Rindenfeld zum Thalamuskern, die es anatomisch gibt, ist elektrophysiologisch vie1 weniger untersucht worden. Die Ursprungszellen der unspezifischen afferenten Fasern sind zwar ungeklart. In

Fig. 2. Fiinf parvo-nucleolire Nervenzellen aus spezifischen und unspezifischen Thalamuskernen im Vergleich zu einem spezifischen Neuron (a) aus dem medialen Kerngebiet.

diesem Zusammenhang ist es aber bedeutungsvoll, dass in jedem Grosshirnrindenanteil des Thalamus neben den typischen spezifischen Zellen - oder mehreren Arten von diesen - ein besonderer Zelltyp vorkommt, der histologisch gemeinsame Charakteristika hat. Es sind kleine, sehr blasse Nisslsubstanz-arme dunkelkernige Zellen mit ungewohnlich kleinem blassen Nucleolus und einem grossen Randkorper a n diesem (Fig. 2). Ich habe sie parvo-nucleolare Zellen genannt, sonst hat nur McLardy (1950) im medialen Thalamuskern und Von Monakow (1 895) allgemein Schaltzellen erwahnt. Sie gehen gemeinsam mit dem thalamischen Projektionskern nach Zerstorung des zugehorigen Rindenfeldes zugrunde. Das spricht sehr dafiir, dass aus ihnen die unspezifischen afferenten Fasern der Grosshirnrinde als Neuriten hervorgehen. Demnach besitzt jeder Rindenanteil des Thalamus mindestens zwei verschiedene Zellgarnituren, eine, oder mehrere, Arten von spezifischen Neuronen und parvonucleolare Zellen als Ursprung der unspezifischen Afferenzen (Fig. 3a). Da der einzige Wirkungsort fur die Nervenzellen des thalamischen Projektionskerns das zugehorige Liferafur S. 28-32

4

R. H A S S L E R

corticale Projektionsfeld ist, bilden sie zusammen eine gegen- und riickgekoppelte funktionelle Einheit, einen thalamico-arealen Neuronenkreis. Der thalamische Projektionskern biisst nach Unterbrechung seiner Verbindung mir dem Projektionsfeld seine Funktion vollig ein, da seine Nervenzellen untergehen. Et

Fig. 3a. Schema des thalamico-arealen Neuronenkreises rnit einer spezifischen (links) und einer unspezifischen corticalen Afferenz sowie mit einer Ruckleitung vom Cortex zum Thalarnuskern und einer corticalen Efferenz am rechten Bildrand.

bildet mit dem zugehorigen Rindenfeld eine funktionelle und trophische Einheit. Es hat daher keinen Sinn, von einer Funktion eines thalamischen Rindenanteils zu sprechen, welcher von seinem Rindenfeld abgeschnitten ist. Vom Rindenfeld gilt nicht das Gleiche. Morphologisch verandert es sich nach Unterbrechung seiner Verbindungen mit dem thalamischen Projektionskern nur wenig, die meisten Rindenschichten bleiben bestehen. Das liegt daran, dass das Rindenfeld noch andere Afferenzen und andere Wirkungsorte ausser dem zugehorigen spezifischen thalamischen Projektionskern hat. Dementsprechend braucht seine Funktion nach Abtrennung von thalamischen Projektionskern nicht vollig auszufallen. Nur bei den primiiren Projektionsfeldern der Sinnessysteme ist der Funktionsausfall nach Untergang des thalamischen Projektionskerns dauernd schwer. So kann eine Area striata nach Untergang ihres Projektionskerns (des Geniculatum laterale) ihre Funktion im Rahmen der optischen Wahrnehmung nicht mehr ausiiben. Restlicher funktioneller Ausdruck des deafferentierten Rindenfeldes konnen aber Halluzinationen im blinden Gesichtsfeld sein.

PROJEKTIONSSYSTEME DES ZW I S CH EN H I RN S

5

D I E SPEZIFISCHEN PROJEKTIONEN

Solche spezifische Projektionen gibt es von einer grossen Anzahl von Thalamuskernen. So endigt jedes der Sinnessysteme in jeweils spezifischen Thalamuskernen. Fur das akustische und das optische System liegen die besten Bearbeitungen der Details der

Fig. 3 b und c. Umschriebener Schmerzeffekt im contralateralen Arm bei einer Anaesthesia dolorosa infolge Ausriss des Plexus brachialis wahrend einer Reizung mit 50/sec im Nucleus venfro-caudalis parvo-cellularis (V.c.pc) In 3c die gleiche Reizung nach Coagulation des Kernes ohne Schmerzeffekt und ohne Beugekontraktion des Arrnes (nach Hassler, 1961). Citerarur S.28-32

6

R. H A S S L E R

Rindenprojektionen vor. Es ist moglich, fur sehr kleine corticale Ausfallsbezirke in der primaren Seh- oder Horrinde eng umschriebene Zellgruppen im lateralen oder medialen Kniehocker aufzudecken, die ihre Fasern zu diesem Rindenbezirk schicken. Es gibt zwar keine einfache Neuronenkette von einem Receptor der Retina zur Area striata, sondern eine komplizierte Neu-Anordnung mit mannigfacher Uberlappung und Wechselwirkung zwischen den einzelnen Receptor-Projektionen in jeder neuronalen

Fig. 4. Retrograde Degeneration im Nucleus vmtro-cuirtiulis parvo-celliiluris (V.c.pc) infolge einer vaskular bedingten Zerstorung der Area 3a im Gyrus centralis posterior (C. post) occipital voin Sulcus centralis (ce) in1 Einsatzbild rechts oben. In den daruber gelegenen sensiblen Kernen (V.c.p.e tind V.c.p.i) normaler Zellbestand und keine Glia-Vermehrung. Diese Degeneration beweist die Projektion des V.c.pc zur Area 3a (Hassler, 1960).

Station. Das physiologische Resultat ist dann doch eine sehr genaue aber vielfach integrierte Projektion der Receptoren auf das corticale Sinnesfeld durch Vertnittlung spezifischer Thalamuskerne. Fur die Hautoberflache existiert nach den Untersuchungen der “evoked potentials” eine ins einzelne gehende somatotopische Repriisentation jedes kleinen Hautbezirks in sensiblen Thalamuskernen, aber auch hier mehrfach und mit nicht unerheblicher Uberlappung der einzelnen Receptorfelder besonders Mountcastle et al., (1 952) und Mountcastle und Henneman (1952). Durch Reizungen der sensiblen Thalamuskerne voii Schmerzpatienten (Figs. 3b und c) wiihrend stereotaktischer Operationen l a s t sich die somatotopische Anordnung der einzelnen Korperpartien in groberer Weise fur den Menschen bestiitigen. Diese ist auch nach Modalitaten verschieden. In der sensiblen Rinde ist eine ahnliche somatotopische Anordnung schon lange nachgewiesen. Die Schmerzreprasentation

P R O J E K T I O N S S Y S T E M E DES Z W I S C H E N H I R N S

7

im Thalamus liegt anatomisch (Fig. 5b) sowie nach Reiz- und Ausschaltungs-Effekten an Schmerzpatienten nur im basalen Rand der sensiblen Ventralkerne (Hassler und Riechert, 1954). Dieser zeichnet sich durch wesentlich kleinere Nervenzellen aus. Seine Ausschaltung hat eine vorwiegend dissoziierte Sensibilitatsstorung fur Schmerz und Temperatur zur Folge. Die Rindenprojektion dieses Ventro-caudalis parvo-cellularis liegt in der hinteren Zentralwindung in der kornerreichen Area 3b (Fig. 4), wie sich

Fig. 5a. Der Endigungskern des Lemiiiscus medialis im Thalamus der Nucleus ventro-caudalis externus (V.c.e) im Nissl-Bild. Beachte die verschiedenen Zellgrossen und die zahlreichen parvonucleolaren Zellen, besonders in der linken unteren Ecke.

aus der retrograden Degeneration der kleinen Nervenzellen nach Ausschaltung des Feldes 3b ergibt. Die “evoked potentials” von dieser Schmerzreprasentation im Thalamus und in der sensiblen Rinde sind, wie Melzack und Haugen (1957) gezeigt haben, durch Lachgas leicht zu unterdrucken, im Gegensatz zu den“evokedpotentials”, dievon taktilen Receptoren ausgehen. Dieser Ventrocaudalis parvo-cellularis und seine Rindenprojektion zur Area 3b ist demnach eine gesonderte Reprasentation der Schmerz- und Temperaturmodalitaten des Hautsinnes. Der grosse daruber gelegene Teil der sensiblen Ventralkerne, in welchem die Fasern des Lemniscus medialis und der Trigeminusschleife endigen, weist eine doppelte Gliederung auf, von caudal nach rostra1 und von medial nach lateral. Der medial gelegene Ted, der fruhere Nucleus arcuatus, ist eine Trigeminus-Reprasentation, der laterale Teil reprasentiert in zwei Schalen die obere und die untere Extremitat sensibel mit einer schmalen Rumpfzone dazwischen, die sich nach dorsal etwas verbreitert. Literatur S. 28-32

8

R. H A S S L E R

Architektonisch ist dieser VPL oder V.c.e nicht einheitlich. Insbesondere lasst sich ein grosser posteriorer = V . C . (Fig. ~ 5a) und ein grosser vorderer Abschnitt = V.c.a unterscheiden, jeweils mit somatotopischer Untergliederung. Vor seinem Eintritt

.t.m

Pf

Fig. 5b. Frontalschnitt durch den linken Thalamus eines Falles von Thalamusschmerz in der rechten Hand mit zwei stereotaktischen Koagulationsherden. Der untere Herd sitzt im Nucleus ventrocaudalis externus (medialer Teil) (V.c.e) und im ventro-medialis internus und reicht bis zum centre median (Ce). Der Herd spart die lateralen 3 mm bis zur Capsula interna aus. Er reicht nach ventral in den kleinzelligen caudalen Ventralkern (V.c.pc. e) hinein, welcher die Schmerzreprasentation des Armes im Thalamus ist. Die Schmerzreprasentation des Gesichtes im Thalamus, V.c.pc.i, ist nicht coaguliert. Ein zweiter Herd (2) sitzt im Medial-Kerngebiet welches zum Prafrontalhirn projiziert. D i m = Nucleus dorsalis intermedius; D.sf = Nucleus dorsalis superficialis; L a m - Lamella medialis; Pd = Pedunculus cerebri; Pf - Nucleus parafascicularis; St. m = Stria medullaris thalami.

in diese Kerne spaltet sich der Leminiscus medialis in ein dickfaseriges laterales Biindel fur den V . C . und ~ ein mediales diinnfaseriges (Fig. 5c) fur den V.c.a auf. Reizungen dieser sensiblen Kerne bewirken beim Menschen Parasthesien ; im Tierexperiment dagegen zeigen sich auf niederfrequente Reizungen schnelle Zuckungen im Gesicht oder Extremitaten, ebenso wahrend stereotaktischen Schmerz-Operationen, Beide Kerne projizieren zur hinteren Zentralwindung mit den Feldern 1 und 2; dort sind

P R O J E K T I O N S S Y S T E M E D ES Z W I S C H E N H I R N S

9

gesonderte Projektionen fur diesen vorderen und hinteren Schleifenendigungskern nicht nachgewiesen, aber nach der Anordnung der Rindenprojektionen zu vermuten. Die Aufsplitterungen der Lemniscus-Fasern verdichten sich noch einmal in der Lamella lateralis thalami. Sie treten von dort aus in den lateral gelegenen Teil der Gitterschicht oder Nucleus reticulatus ein. U ber diesen Schaltkernen der sensibelen Leitung erstrecken sich hoher-kombinierende Integrations-Kerne in zwei Schichten (siehe Fig. 11): ein caudaler Zwischenkern (Nucleus zentrolateralis) und ein Dorsalkern (D.c). Der Zwischenkern empfangt noch

Fig. 5c. Die beiden Portionen der medialen Schleife vor dem Eintritt in den Thalamus. Die laterale Portion (Lm.1) besteht aus dunneren Fasern und tritt weiter ventral iiber dem Geniculatum mediale (G.m) in den Thalamus ein; die mediale Portion (Lm.m) ist dickfaseriger und breiter und tritt am ventralen Rand des centre mCdian (Ce) in die Porta thalami (Po) ein. Beachte den queren Verlauf von Forel’s Haubenfascikeln (F.Fo), der vestibulo-thalamischen Bahn, unterhalb des centre median.

feine Collateralen der Schleifenendigungen, der Dorsalkern nur noch indirekte Zuleitungen aus den darunter liegenden Gebieten. Die Projektionen dieser Integrationskerne gehen zu vorderen parietalen Rindenzonen. Vor den sensiblen Thalamuskernen, die insgesamt nicht mehr als 1/9 des Thalamus ausmachen, liegt ein intermediarer Ventralkern (V.im), welcher die grossten Nervenzellen des menschlichen Thalamus enthalt. Erregungszuleitungen erhalt er aus einer vestibulo-reticulo-thalamischen Bahn, der dorso-lateralen Haubenbahn, die als Forel’s (1 877) Haubenfaszikel in den Thalamus eintritt (Hassler, 1948b, 1949b). Diese ungekreuzte Bahn aus den Vestibulariskernen lasst sich auch bei der Katze nachweisen Liferatur S. 28-32

10

R. H A S S L E R

(Hassler, 1956c, d, 1960). lhre umschriebene Reizung von der Bruckenhaube bis zur Endaufsplitterung im intermediaren Ventralkern ergibt eine Kopfwendung oder Manege zur gleichen Seite. Die Ausschaltung dieses Biindels in Pons oder Mittelhirn hat eine mehrere Tage anhaltende Manegebewegung zur Gegenseite zur Folge. Beim Menschen wurden an dem im Zielgerat fixierten Kopf durch Reizungen im intermediaren Ventralkern Blickwendungen zur gleichen Seite in mehreren 4 Fallen, wenn dieser Kern gereizt wurde, beobachtet. Der intermediare Ventralkern projiziert zur Zentralregion. Wahrscheinlich ist es das Feld 3a (Brodmann-Vogt’s) am Grund der Zentralfurche, welches diese Projektion erhalt. Vom Gyrus sigmoideus anterior (occipitale Furchenflache), dem Aquivalent bei der Katze, konnen ebenfalls ipsiversive Kopfbewegungen und Manegen durch umschriebene Reizung ausgelost werden. Nach den Erfahrungen am Menschen von Penfield und Rasmussen (1950) werden Augenbewegungen zur gleichen Seite am haufigsten durch Reizungen im Bereich der Zentralfurche hervorgerufen, in deren Tiefe die Area 3a liegt. Auch iiber dem intermediaren Ventralkern erstrecken sich Integrationskerne in zwei Schichten (Fig. 11). Bei der Katze lassen sich feine Collateralen der vestibulothalamischen Bahn (Fig. 6) in die untere Schicht hineinverfolgen (Hassler, 1956c, d). Die spezifischen Rindenprojektionen der intermediaren Dorsal- und Zwischenkerne liegen ebenfalls im Parietallappen, sind aber nicht im einzelnen bekannt. Der Vorderrand des intermediaren Ventralkerns ist durch eine auffallige Strukturgrenze gekennzeichnet. Die locker verteilten besonders grossen Nervenzellen werden plotzlich von gleichmassig dicht gelagerten mittelgrossen Zellen eines Typus ersetzt. Es beginnen dort die oralen Ventralkerne. Der am weitesten caudal gelegene Kern dieser Gruppe (V.O.~),der durch eiii lockeres Fasergrundgeflecht und dunne Faserbundel hervorsticht, enthalt Endaufsplitterungen des Brachium conjunctivum (Fig. 7). Reizungen dieser dentatothalamischen Fasern, welche durch die Basis der caudalen und intermediaren Ventralkerne verlaufen, haben reizrhythmische Zuckungen der gegenseitigen Extremitaten und des contralateralen Facialis zur Folge. (Beim Menschen sind diese Zuckungen wahrend einer Haltungsinnervation starker als ohne diese). Charakteristischerweise kontrahieren sich abwechselnd verschiedene Muskelgruppen, so dass die Bewegungsrichtung trotz identischer Reize wechselt, ganz im Gegensatz zu den Reizeffekten der dicken Pyramidenfasern im hinteren Teil der inneren Kapsel, die stereotyp immer die gleiche Muskelgruppe betreffen. Ausschaltung dieses Kernes (V.0.p) bewirkt eine vorubergehende Ataxie der gegenseitigen Extremitaten mit Korperneigung und Falltendenz nach der Gegenseite. Myoklonische Hyperkinesen und Ruhetremor der Parkinsonisten konnen durch Ausschaltungen dieses V.0.p stark verringert bis beseitigt werden. Die Rindenprojektion dieses Kerns geht zur vorderen Zentralwindung, insbesondere zur Area 4 y . Die Endigung der Bindearmfasern im Thalamus ist auf den posterioren Anteil der oralen Ventralkerne beschrankt. Ihr anteriorer Anteil (siehe Fig. 1 la : V.0.a) empfangt das beim Menschen besonders auffallige Faserbundel HI oder Fasciculus thalamicus. Dieses entspringt aus dem inneren Pallidumglied, durchquert (Fig. 9) die innere Kapsel, verlauft im Feld H2 oder Fasciculus lenticularis nach caudo-medial, biegt im

P R O J E K T ' C N S S Y S r E M E DES Z W I S C H E N H I R N S

11

Fig. 6 . Einstra.hlung der im Mittelhirn unterbrochegen degenerierten Fasern der Fasciculi Foreli von basal in den Nucleus ventralis intermedius auf einem Sagittalschnitt von der Katze in MarchiFarbung. Die Endigung erfolgt im Vim. Dessen obere dorsale Grenze und diejenige des sensiblen Ventralkerns V.c.e ist durch eine gestrichelte horizontale Linie angegeben. Dariiber sowohl irn Nucleus dorsalis intermedius (D.im) und im Nucleus zentrolateralis caudalis (Z.c) ist noch sehr feiner MarchiStaub von degenerierten Collateralen der medialen Schleife und der Fasciculi Foreli enthalten. Ca.i = Capsula interna; La.1 = Lamella lateralis; R t = Nucleus reticulatus thalami. F.Fo = Forel's Haubenfascikeln. Litcratur S. 28-32

12

R. H A S S L E R

Forel’schen Haubenfeld um, urn durch die Bundel von HI den V.0.a zu erreichen. Dieses Faserbundel ist myelogenetisch schon seit 60 Jahren bekannt. Seine Leitungsrichtung vom Pallidum zum V.0.a ergibt sich aus pathologischen Fallen (1949). Bei Untergang der Pallidumzellen im Rahmen des Status dysmyelinisatus ist es ausgefallen. In einern autoptischen Fall mit therapeutischer Koagulation des Pallidum internum sind HI riur Degenerations-Korner im V.o.a vorhanden (Fig. 8).

Fig. 7. Frontalschnitt durch die Einstrahlung der dentato-thalamischen Fasern (dt.th) in den posterioren oralen Ventralkern (V.0.p) in einem Fall von Hemiatrophia cerebri wobei die spezifischen Thalamuskerne samtliche Nervenzellen eingebusst haben, obgleich die efferenten corticalen Systenie in der Capsula interna (Ca.i) erhalten sind. Die cortico-fugalen Fasern bilden im dorsalen Teil des V.0.p Faserbundel welche die rucklaufige Verbindung von Rindenfeld zum spezifischen thalamischen Projektionskern herstellen. Das Feld H von Forel wird von den dentato-thalamischen Fasern nur passiert (nach Hassler, 1949).

Umschriebene Reizungen dieses Kerns bewirken eine Steigerung des Muskeltonus, Beugung des gegenseitigen Armes und Blickwendung nach der Gegenseite mit deutlicher Mydriasis. Die gleichen Reizeffekte kommen vom Pallidum internum zustande. Ausschaltungen dieses Kerns beseitigen die rigide Tonussteigerung der Parkinsonisten auf der Gegenseite und vermindern athetotische und torsionsdystonische Hyperkinesen. Vorubergehend haben sie eine mimische Facialis-Parese mit Lidspaltenerweiterung aber ohne deutliche Differenz der willkurlichen Facialis-Innervation zur Folge (etwa 85-90 %). Die Rindenprojektion dieses Kerns (V.0.a) geht ebenfalls zur vorderen Zentralwindung, wahrscheinlich hauptsachlich zur Area 6a. Durch Reihenableitungen konnte

PROJEKTIONSSYSTEME DES Z W I S C H E N H I R N S

13

Ganglberger (1 962) eine corticale Reizantwort im hinteren frontalen Bereich feststellen. Es findet sich dort eine Phasenumkehr der corticalen Reizantworten (Fig. 12b). Dies

Fig. 8. Degeneration und Atrophie der pallido-thalamischen Fasern nach stereotaktischer Koagulation des Pallidum internum in einem Fall vom postencephalitischem Parkinsonismus. Das Biindel HZist hochgradig verschmalert und enthalt einzelne Marchi-Korner. Ebenfalls Atrophie und einzelne Marchi-Degenerationen im Endigungskern der pallido-thalamischen Fasern : V.o.a mit degeneriertem Biindel HI. Auf dem Frontalschnitt ist noch eine partielle Degeneration des mammillo-thalamischen Biindels (ma-th) zu erkennen. Erhalten sind der vordere Hauptkern (A.pr) die Lamella medialis (Lam) und der Medialkern (M).

ist Ausdruck einer spezifischen Rindenprojektion des V.0.a. Wahrend nicht zu starker Reizungen ist keine Reizantwort uber parietalen und occipitalen Gebieten zu erkennen. Auffalligerweise ist die Rindenprojektion aber nicht vollig spezifisch, denn sie erscheint in schwacherer Form auch im contralateralen praemotorischen Gebiet. Daruber wird spater noch zu sprechen sein. Der vordere Pol des Thalamus wird vom VA, bzw. Lateropolaris (L. po)eingenommen. Er erhalt pallidare Afferenzen, die direkt durch die innere Kapsel (Fig. 10) verlaufen (Hassler, 1949b). Reizungen dieses Kerns haben beim Menschen ein eigenartiges Syndrom mit aufgeregten, unverstandlichen Sprachausserungen, Emporreissen des gegenseitigen Armes und Blickwendung zur Gegenseite zur Folge. Wahrend Literalur S. 28-32

14

R. H A S S L E R

solcher Reizungen sind die Patienten nicht bewusstlos, aber auch nicht ansprechbar und reaktionsfahig. Sie erinnern sich, dass sie erregt sprechen mussten. Die Rindenprojektion dieses Kerns geht wenigstens teilweise zur Supplementar-Area an der Medialflache des Gehirns. Von dort haben Penfield und Welch (1951) den gleichen Reizeffekt erzielt. Das ist eine physiologische Stutze fur diese Rindenprojektion. Auffalligerweise wird i n vielen anierikanischen Arbeiten der VA als rindenunab-

big. 9. Die pallido-thalamischen Fasern durchbrcchen als markhaltige Fasern die vollig degenerierte Capsula interna (Ca.i) auf ihrem Weg zum Bundel Hz, durch welches sie die Bundel H I erreichen, die sich in1 V.0.a aufsplittern. Die obere Grenze des antcrioren Teils des oralen Ventralkerns (V.0.a) ist durch eine geqtrichclte Linie markiert. Alle spezifischen Thalamuskerne sind infolge der Striatuniapoplexie mit kompletter Kapsel-Degeneration zellfrei. Nur die Afferenzen zu den Ventralkernen sind erhalten und die Stammhirnanteile des Thalamus, wie die Lamella medialis (Lam). lnfolge der Kapsel-Degeneration, Reindarstellung der pallido-thalamischen Fasern.

hangig angesehen. Es trifft zu, dass seine Nervenzellen nicht restlos nach Unterbrechung ihrer Verbindungen mit der Rinde zugrunde gehen. Der grossere Teil erleidet aber retrograde Veranderungen und retrograden Untergang, wenn auch die inedialen Hemispharenpartien mit zerstort wurden. Auch i n den eigenen menschlichen Fallen ist der retrograde Zelluntergang in ausgedehntem Masse, aber nicht restlos z.B. bei Kapsel-Degeneration oder Hemiatrophie eingetreten. Dass es sich nicht um einen aiisschliesslich spezifischen Projektionskern handelt, wird durch elektrophysiologische Befiinde gestutzt. Reizungen in der Basis dieses Kerns bewirken Rindenantworten uber grossen Teilen beider Hemispharen mit Bevorzugung der vorderen Teile nach einer Latenz von 10 msec. Dieser Kern und der

P R O J E K T I O N S S Y S T E M E DES Z W I S C H E N H I R N S

15

vor ihm gelegene Anteil der Gitterschicht, der ebenso Afferenzen aus dem Pallidum erhalt (Fig. lo), werden elektrophysiologisch als letzte Wegstrecke fur das diffuse Projektionssystem zur Rinde angesehen. Man konnte diese Art der Rindenabhangigkeit als semispezifische Projektion bezeichnen. Eiii innerer Abschnitt der oralen Ventralkerne {V.o.i), welcher neben Bindearmfasern eine Zuleitung aus dem Nucleus interstitialis erhalt, ist motorische Reprasen-

Fig. 10. Frontalschnitt durch den rostralen Pol des Thalamus im gleichen Fall von Stammganglienblutung mit kompletter Kapsel-Degeneration. Das aussere Glied des Pallidum (Pa.e) ist teilweise durch den Erweichungsherd zerstort. Pallido-thalamische Fasern durchbrechen die Capsula interna an verschiedenen Stellen urn im Nucleus latero polaris (L.po) oder im Nucleus reticulatus polaris zu eJldigeJ1.Beachte diegrosse Ausdehnung des Pallidum internum nach medial mit erhaltener Ansa lenticularis (Awl); Pd.b = unterer Thalamusstiel; St.mc Stria medullaris thalami; B = Nucleus basalis. :

tation des Kopf- und Halsgebietes. Reizungen bewirken vorwiegend Kontraktionen der Facialis- Zungen- und Halsmuskulatur, sowie Blickwendungen nach der Gegenseite. Gezielte umschriebene Koagulationen dieses Kerns und seiner Afferenzen aus dem Nucleus interstitialis vermogen die unwillkurlichen Bewegungen des Torticollis spasticus nach eigenen Erfahrungen mit Riechert und Mundinger erheblich zu vermindern. Diese oralen Ventralkerne des Thalamus haben nichts mit der Hautsensibilitat zu tun. Ihre Reizung fiihrt nicht zu Sensationen an der Haut oder zu Schmerzen; ihre Ausschaltung hat keine sensiblen Defekte zur Folge, auch iiicht beim Menschen. Dass diese Bezirke, die vie1 umfangreicher sind als die sensiblen Partien des Thalamus, Literafur S. 28-32

P R O J E K T I O N S S Y S T E M E DES Z W I S C H E N H I R N S

17

nur mit der Motorik zu tun haben, ergibt sich auch aus Reizexperimenten an wachen freibeweglichen Katzen mit der Hess’schen (1956) Methode. Ich zeige dazu Fig. 12 als Diagramm mit den aus diesen Kernen erzielten Bewegungseffekten. Von caudo-

Fig. 11b. Drei Reizstellen (A, B, und C ) in dem basalen Teil des Gyrus sigmoideus anterior (Sig.a) welcher die Oberwand des Sulcus praesylvius (prsyl) bildet. Die Reizstelle B ergab mit schwellennahen Reizen (30isec) eine Kopfrotation der Katze.

Fig. l l c . Raddrehung des Kopfes nach links durch Reizung in der Unterlippe des Gyrus sigrnoideus anterior (Reizstelle B in Fig. 1 1b).

lateral nach rostro-medial folgen aufeinander ipsiversive Wendungen, kontralaterale Extremitaten- und Facialiszuckungen, Kopf- und Korperrotationen, Kopf- und Augenhebmgen. Diese richtungsbestimmten motorischen Effekte kommen von Ventralkernen zustande, die spezifische Projektionen zur Zentralregion haben. Es musste erwartet werden, dass korrespondierende Rindenfelder (Figs. 11b und c) mit der gleichen Methodik die gleichen Reizeffekte ergeben. Das konnten wir (1960) vom Gyrus sigmoideus anterior und Sulcus praesylvius der Katze nachweisen. Bei den Literatur S. 28-32

18

R. HASSLER

Primaten entspricht das Projektionsgebiet dieser Thalamuskerne vorwiegend der Area 8, dem frontalen Blickfeld. Uber den oralen Ventralkernen besteht ebenso eine doppelte Schicht von Integrationskernen (oraler Zwischenkern (Z.0) und orale Dorsalkerne (D.0) mit Projektion zum praemotorischen Bereich der Rinde Area 6a, B (siehe Fig. 11).

Fig. 12a. Richtungsbestimmte und Extremitaten-Effekte durch Reizungen i n den Ventralkernen des Thalamus der Katze aus der Hess’schen Sammlung auf &em Horizontalschnitt durch den linken Thalamus. Am rechten Bildrand der 111. Ventrikel (111). Die Senkbewegungen (Strich nach unten vom Kreis abgehend) sind um die Commissura posterior (C0.p) konzentriert. Die ipsiversiven Wendebewegungen nach links erstrecken sich, dein Verlauf der Fore!’schen Haubenfascikel entsprechend, von der Gegend der hinteren Commissur in den intermediaren Ventralkern hinein (V.im). Die Beugungen oder Hebungen der contralateralen Vorderextremitat sind durch einen Winkel im Kreis wiedergegeben. Sie verteilen sich uber die Endigung der Brachium conjunctivum-Fasern im V.0.p des Thalamus. Die Rotationsbewegungen, welche durch eine Kurve nach links uber den Kreis dargestellt sind, verteilen sich uber das Ventralkerngebiet, welches medial xnschliesst und dem Nucleus ventro-oralis internus des Menschen entspricht, in welchem die interstitlo-thalamischen Fasern endigen.

Auch die vordere Kerngruppe des Thalamus hat spezifische Rindenprojektionen und zwar zu den Feldern dcs Gyrus cinguli. Ihre Afferenzen kommen aus dem Corpus mamillare uber das Vicq d’Azyr’sche Bundel und aus dem Pallidum uber den unteren Thalamusstiel. Doppelseitige Ausschaltung des vorderen Hauptkern bei einem

PROJEKTIONSSYSTEME DES ZWISCHENHIRNS

19

Schizophrenen die durchgefiihrt wurden in der Absicht, ihn von seinen qualenden haptischen Halluzinationen zu befreien, hatten ein schwerstes amnestisches Syndrom zur Folge, so dass er weder Frau noch Kinder erkannte; dieses Syndrom klang erst nach 6 Wochen langsam ab. Der innere Thalamuskern von Burdach (1 8 19) oder das Medialkerngebiet empfangt Afferenzen aus dem unteren Thalamusstiel (Hassler, 1949a) wobei es sich um Fasern aus dern Pallidum wie aus rhinencephalen Strukturen handelt. Das Gebiet gliedert sich in 8 verschiedene Kerne mit jeweils unterschiedlichen Projektionen im Stirn- und

Fig. 12b. Phasenumkehr der cortical responses bei Reizung des V.o.a eines Parkinson-Patienten wahrend der gezielten Hirnoperation. Die Phasenumkehr in der praemotorischen Region ist ipsilateral starker als kontralateral zum Reiz. Cortical responses auch rostra1 und caudal davon. (Kurve von Ganglberger).

Orbitalhirn des Menschen. Reizphysiologisch ist dieses Gebiet stumm. Durch seine Koagulation kommen die gleichen Wirkungen zustande, wie durch Koagulationen im Stirnhirnmark bei der Leukotomie. Ausschaltungen des Medialkerns durch Tumoren oder Tuberkel (Fig. 13) haben ein Stirnhirnsyndrom zur Folge mit Verlust der Selbstreprasentation, des Antriebs und der Fahigkeit zur sozialen Einordnung. Auch der mediale und laterale Kniehocker, die Endigungsstatten der Hor- bzw. Sehbahn im Thalamus entsenden spezifische Projektionen zu den entsprechenden Rindenfeldern. Unbeachtet ist auffalligerweise geblieben, dass Collateralen der Sehstrahlung in der Lamella lateralis des Pulvinar aufsteigen, urn sich in den anliegenden Kernen aufzusplittern. Eine (zufallige) Reizung dieser Fasern bei einem ParkinsonLiteratur S.28-32

20

R. H A S S L E R

Patienten hatte eine Miosis zur Folge - ein Reizeffekt, den wir sonst in etwa 1600 Reizungen am Menschen nie gesehen haben. Ein einfacherer Integrationskern des optischen Systems ist der Nucleus pulvinaris intergeniculatus; er projiziert zur Area 18. Die lateralen Pulvinarkerne sind hohere Integrationskerne, welche zur Area 19 projizieren. Die gesamte laterale Flache des Thalamus einschliesslich des Pulvinar, wird von der sogenannten Gitterschicht umgeben, die auch als Nucleus reticulatus thalami bezeichnet wird. Sie ist strukturell in zahlreiche Abschnitte gegliedert, von denen jeder einem benachbarten Ventral- oder Dorsalkern entspricht. Die Afferenzen sind die gleichen, wie diejenigen der benachbarten Ventralkerne (Figs. 9 und 10). Der Nucleus

Fig. 13. Frontalschnitt durch den Thalamus bei einem grossen Solitartuberkel im Medialkerngebiet. Dieses ist auch an contralateral durch einen Tuberkel schwer geschadigt. Der Patient bot ein Stirnhirnsyndrom rnit Tnkontinenzerscheinungen.

reticulatus thalami projiziert zur Grosshirnrinde. Jeder einzelne Abschnitt projiziert etwa zur gleichen Rindenregion wie der benachbarte Kern des lateralen Gebietes oder Pulvinars, wie besonders Chow (1950) und Rose (1952) experimentell festgestellt haben. Das Projektionsgebiet des entsprechenden Reticulatum-Abschnittes ist aber breiter als das des benachbarten Thalamuskerns. Die Spezifitat der Rindenprojektionen ist geringer. Die Kerne des Reticulatum thalami konnten daher zu den semispezifischen Projektionskernen gerechnet werden. Moglicherweise gehort auch der Kern VA in diese Gruppe. Die Bedeutung dieser doppelten spezifischen und semispezifischeii Rindenprojektion ist vollig unklar. Funktionell hangen sie sicherlich mit den gleichen Systemen zusammen wie die Thalamuskerne, die sie umrahmen (siehe Fig. 14).

PROJEKTIONSSYSTEME DES Z W I S C H E N H I R N S

21

Fig. 14. Schema der corticalen und subcorticalen Projektionen der einzelnen Thalamuskerne wobei die Rindenfelder mit den Brodmann’schen Bezeichnungen eingetragen sind. Die Thalamuskerne sind auf 6 hintereinander angeordneten Frontalschnitten dargestellt. Der Projektionskern zur Supplementar-Area im ersten Querschnitts-Diagramm links oben, tragt die Bezeichung sag.

DIE UNSPEZIFISCHEN PROJEKTIONEN

Das Grosshirn mit dem Cortex ist also aus einer grossen Anzahl von spezifischen Funktionssystemen mosaikartig zusammengesetzt. Dieses Ergebnis der bisherigen Analyse wird aber der normalen Funktionsweise des Grosshirns nicht gerecht. Haufig werden namlich viele oder alle Rindenfelder gemeinsam in Erregung versetzt. Das System, welches diesen Gleichschritt und die Ruheaktivitat bewirkt, ist das unspezifische (diffuse) Projektionssystem oder das reticulare Aktivierungssystem der Literalur S. 28-32

22

R. H A S S L E R

Grosshirnrinde. Die unspezifischen corticalen Reaktionen auf umschriebene Thalamusreizungen wurden zuerst aufgrund einer beispielhaften Untersuchung von Morison und Dempsey (1942, 1943) als “recruiting responses” bezeichnet. Sie sind elektrophysiologisch definiert durch die weite Verteilung der Potentiale iiber fast die ganze Rinde, durch die lange Latenz von 20-40 msec und und durch den auf- und ab-schwellenden Charakter der hervorgerufenen Wellen. Die Entdeckung dieses Systems ist aber schon 20 Jahre zuvor durch Hess (1928)

Fig. 15. Schema des Leitungsmechanismus der unspezifischen Projektionskerne des Thalamus zum Cortex. Die unspezifischen Kerne: intralaminiir (La), centre median (Ce) mit Parafascicularis und Limitans (Li) sind punktiert. Sie projizieren zum Pallidum externum bzw. zum Putamen und Caudatum (Cd). Uber das Pallidum internum fuhren Pallido-thalamische Fasern zu bestimmten Thalamuskernen zuruck, welche zur Grosshirnrinde leiten. Die Einstrahlungsgebiete dieser spezifischen Projektionen entsprechen den Pradilektionsorten der “recruiting responses”.

erfolgt. Er bezeichnete diese Beeinflussung der Grosshirnrindentatigkeit durch umschriebene Reizungen kleiner Thalamusbezirke als ,,vegetative Innervation der Grosshirnrinde”. Bei geringen Reizfrequeiizen von 8 oder 4/sec veranderte sich das Verhalten der nicht narkotisierten Katzen nach einigen Sekunden und sie legten sich zu einem natiirlichen Schlaf nieder. Durch Reizverstarkung oder durch Erhohung der Reizfrequenz in diesen Kernen schlagt der Schlafeffekt in einen Weckeffekt um. Mit der gleichen Reiztechnik erzielten Hess Jr., Akert und Koella (1953) Schlaf mit typischem Schlaf-EEG. Die Reizstellen dieser hypnogenen Zone von Hess (Fig. 15) liegen ausschliesslich im Thalamus paramedian, und zwar in der Lamella medialis, im centre median und im Parafascicularis (Fig. IS). Von den gleichen Reizstellen haben Morison und Dempsey (1942, 1943) ,,recruiting responses” hervorgerufen. Mit hoherfrequenten Reizungen entsteht von diesen Thalamuskernen aus ein Weckeffekt und eine elektrophysiologische “arousal reaction” (Hassler, 1955, 1956a, 1961). Die Kerne der hypnogenen Zone sind rindenunabhangig. Da sie nach der Abtragung der Grosshirnrinde erhalten bleiben, ist es verstandlich, dass grosshirnlose Tiere einen normalen Schlaf-Wach-Rhythmus haben. Das System der unspezifischen

P R O J E K T I O N S S Y S T E M E DES Z W I S C H E N H I R N S

23

Rindenprojektionen ist also auch anatomisch definiert. Ausser den Kernen der Lamella medialis, dem centre median und Parafascicularis gehoren dazu-der Nucleus limitans an der Grenze gegen das Mittelhirn, der Nucleus commissuralis in der Massa intermedia und je ein kleiner Abschnitt des Geniculatum laterale und mediale. Leitungsmechanismus der unspeziJschen Projektionen: Es ist ein anatomisches Problem wie diese Kerne des unspezifischen Projektions-Systems die Tatigkeit der Grosshirnrinde beeinflussen, obgleich sie ihre Fasern nicht zur Rinde schicken. Diese Beeinflussung geht sicherlich, wie uberall im Nervensystem, uber Faserverbindungen. Es gibt mehrere Theorien uber den neuronalen Mechanismus der Rindenaktivierung; sie erklaren aber nur die lange Latenz der Rindenantworten zur Not, demonstrieren jedoch nicht die Fasern, uber die der Cortex erreicht wird. Faser-anatomisch lasst sich nachweisen, dass das centre median mit seinen zwei Abschnitten zum Caudatum und Putamen projiziert. Der Parafascicularis entsendet seine Fasern zum sogenannten Fundus striati oder Nucleus accumbens septi. Die intralaminaren Kerne und wahrscheinlich auch der Nucleus limitans projizieren zum Pallidum externum (Fig. 15). Dieses wird vom Caudatum und Putamen durch Faserverbindungen ebenfalls erreicht. Die Leitung vom Pallidum externum geht zu einem grossen Teil zum Pallidum internum weiter, andernteils zum Hypothalamus, zum Nucleus subthalamicus und zur Mittelhirnhaube. Das Pallidum internum leitet ausschliesslich zum Thalamus zuruck. Seine Fasern endigen im vorderen Teil des oralen Ventralkerns, im Kern VA, im medialen Kerngebiet, im vorderen Hauptkern, im oberflachlichen Dorsalkern und in einem entsprechend gelagerten Kern des Pulvinars. Alle aufgezahlten Kerne sind Rindenanteile und projizieren zum Gyrus cinguli, zur Supplementar-Area, zum Praefrontalhirn, zur Area 8, Area 6 , sowie zu einem Gebiet urn den Sulcus interparietalis oder (nach Krieg) zum occipitalen Gyrus cinguli. Diese Endigungsstatten stimmen uberein mit den corticalen Praedilektionsgebieten der recruiting responses voin unspezifischen Projektionssystem (Fig. 15). Da dieser Umweg der Erregungsleitung von den Stammhirnanteilen des Thalamus durch das striare System zuruck zu bestimmten Thalamuskernen, die zur Rinde leiten, anatomisch nachgewiesen ist, und die Einstrahlungsbezirke im Cortex mit den Praedilektionsstellen der Recruiting-Antworten iibereinstimmen, muss man den Schluss ziehen, dass dieser Weg der Leitungsmechanismus des unspezifischen Projektionssystems ist. Es gibt noch verschiedene physiologische Argumente, die im gleichen Sinne sprechen. Ebenso wie Einzelreize im thalamischen V.0.a fokal in die praemotorische Region projiziert werden, losen auch Einzelreizungen im Pallidum internum Rindenantworten mit Phasenumkehr im praemotorischen Gebiet aus. Vom Pallidum externum konnen beim Menschen recruiting-artige Wellen uber allen Regionen beider Hemisphdren hervorgerufen werden. Wie Starzl, Taylor und Magoun (1951a, b) sowie Jasper (1 953) und Hanbery et al. (1954) nachgewiesen haben, konnen recruiting responses, die von einem Kern des unspezifischen Projektionssystems ausgelost werden, durch einen einzelnen Herd nur dann unterdruckt werden, wenn der Herd in der Basis des VA sitzt. Dort aber sind alle rucklaufigen Pallidumfasern vor ihrem Eintritt in den Thalamus konzentriert. Der hier dargelegte Leitungsmechanismus Lileratur S. 28-32

24

R. H A S S L E R

vermag daher auch diesen Befund zu erklaren, der durch die anderen Theorien nicht zu erklaren ist. Mit dem Leitungsmechanismus durch das Pallidum ist es aber auch erklarlich, dass die recruiting responses vom VA und V.0.a eine vie1 kurzere Latenz von nur etwa 10 msec haben, wahrend die recruiting responses von der Lamella medialis und vom centre mCdian erst nach 20-40 msec auf dem Cortex erscheinen. VA und V.0.a bilden gleichsam die letzte Wegstrecke fur die recruiting responses. Die Leitungsgeschwindigkeit von diesen Kernen zum Cortex ergibt sich fur das Katzengehirn mit ungefahr 3-5 m/sec. Dies entspricht sehr diinnen Markfasern. In diesen unspezifischen Kernen sind aber wie in allen Rindenanteilen des Thalamus ausser den spezifischen grossen Nervenzellen noch parvo-nucleolare enthalten, von denen vermutlich die unspezifischen Afferenzen ausgehen. Fur diese diinnen, sich haufig verzweigenden Fasern ist die geringe Leitungsgeschwindigkeit angemessen. Sie versorgen auch einen Hof um das spezifische Projektionsgebiet herum. Die weniger dichten recruiting responses zwischen den Vorzugsstellen werden, so vermute ich durch sekundare intracorticale oder intrathalamische Ausbreitung hervorgerufen. Eine solche sekundare Ausbreitung scheint auch nach Koagulation einzelner spezifischer Projektionskerne des Thalamus stattzufinden, wie Hanbery et af. (1954) und Jasper (1954) gefunden haben. Wenn dieser Leitungsmechanismus der unspezifischen Rindenaktivierung zutrifft, mussten aber auch ahnliche Verhaltenseffekte durch Reizungen von Caudatum, Putamen und Pallidurn entstehen, wie von den Stammhirnanteilen des Thalamus. Reizungen der Lamella medialis beim narkotisierten oder nicht narkotisierten Menschen (mit mehr als 8jsec) haben eine Pupillenerweiterung und einen Weckeffekt zur Folge. Der gleiche Effekt kann durch Reizungen des Pallidum externum und Pallidum internum hervorgerufen werden. Patienten konnen durch solche Reizungen (vor allem mit Frequenzen iiber 20/sec) aus dem narkotischen Schlaf fur die Reizdauer erweckt werden. Reizungen dieser Kerne ergeben - sowohl im narkotisierten wie im nicht narkotisierten Patienten - ausserdem Blickwendungen zur Gegenseite mit Augenoffnung, Lidspalten- und Pupillenerweiterung, ebenso wie bei der Katze. Durch Reizungen des Caudatum konnten Shimamoto und Verzeano ( 1 954) sowie Jung und Hassler (1959) und Umbach (1959) unspezifische elektrische Reaktionen iiber grossen Teilen der Rinde hervorrufen. Die subthalamischen Reizstellen fur recruiting responses sind so zu deuten, dass dort die pallido-thalamischen Fasern in Hz, H und HI in Erregung versetzt wurden. Die Ausschaltung des reticularen Aktivierungssystems beiderseits im vorderen Mittelhirn hat bei Katzen und Affen einen coma-ahnlichen Zustand zur Folge. Nach French (1952) haben Blutungsherde unter dem Aquaedukt auch beim Menschen ein Coma rnit synchronisiertem EEG zur Folge. Wenn das Pallidum nach dem erwahnten Leitungsmechanismus der diencephale Anteil des reticularen Aktivierungssystems ist, musste seine doppelseitige Ausschaltung auch einen coma-ahnlichen Zustand bewirken. Dies ist auch der Fall. Bei einem Athetotiker wurde eine grosse symmetrische Pallidumcoagulation gesetzt, die eine Besserung der Hyperkinese zur Folge hatte. Der symmetrische Sitz der Herde (Fig. 16) war nicht beabsichtigt, sondern durch einen Ablesefehler bedingt. Der

P R O J E K T I O N S S Y S T E M E D ES Z W I S C H E N H I R N S

25

Patient iiberlebte die 2. Operation 11 Wochen. Er war in dieser Zeit zunachst tief bewusstlos, dann stark bewusstseinsgetriibt, ohne jegliche sprachliche Ausserung, ohne Spontaneitat und offnete nur gelegentlich die Augen. Der Zustand erinnerte an die apallischen Syndrome nach schwersten Schadeltraumen. Der Tod an BronchoPneumonie war weitgehend durch die Atem- und Kreislaufinsuffizienzzentralen Ursprungs bedingt. Bei einem anderen Patienten, bei welchem gegen ein schweres Parkinson-Syndrom im Abstand von 2 Jahren ebenfalls beide Pallida ausgedehnt koaguliert wurden, entstand ein amentieller Zustand mit volliger zeitlicher, ortlicher

Fig. 16. Bilaterale Coagulation des Pallidum internum und grosser Teile des Pallidum externum in einem Fall von Athetose double, Dieser Fall hatte einen schweren komatosen und spater akinetischen Zustand. Frontalschnitt durch die Stammganglien. Pfeile in den Vicq d’Azyr’schen Bundeln. Beachte die Verkleinerung der dorsalen Anteile des Putamen (Pt) beiderseits.

und situativer Desorientiertheit, so dass er einen Freund zum Spaziergang aufforderte, als er wegen einer Schenkelhalsfraktur im Streckverband lag. Eine unserer ersten Patientinnen mit besonders schwereriAthetose double bekam nach doppelseitiger Pallidumkoagulation ebenfalls einen delirant-amentiellen Zustand mit groben optischen Halluzinationen fur etwa 3 Wochen. Diese Patientin erholte sich aber vollig von der doppelseitigen Pallidumkoagulation obgleich die Athetose vermindert blieb. Demnach rufen doppelseitige Ausschaltungen des Pallidum, einschliesslich seiner vorderen Anteile, voriibergehend schwere Bewusstseinsstorungen und delirante oder amentielle Zustandsbilder (exogene Reaktionstypen) hervor. Das Pallidum scheint fur die Aktivierung der Grosshirnrinde im Wachzustand von entscheidender Bedeutung zu sein. Das unspezifische Projektionssystem zur Grosshirnrinde, dessen Aktivitat Voraussetzung fur die Tatigkeit des Grosshirns im Wachzustand ist, hat einen komplizierten Leitungsmechanismus iiber Striatum, Pallidum und iiber pallidar versorgte Thalamuskerne zur Grosshirnrinde. Es handelt sich dabei um die diencephale Fortsetzung des reticularen Aktivierungssystems. Hier sind aber die mehr receptorischen Anteile Literafur S. 28-32

26

R. HASSLER

dieses Systems von den mehr effektorischen Anteilen im Pallidum auch topisch und strukturell bereits differenziert, was im Hirnstamm noch nicht der Fall zu sein scheint. Die Aktivitat in den spezifischen Projektionssystemen des Grosshirns lauft auch im Schlaf und in der Narkose ab. Erst wenn sie mit der Aktivitat des unspezifischen Projektionssystems zur Grosshirnrinde zusammenwirkt, ist das Aquivalent bewusster psychischer Prozesse und Wahrnehmungen gegeben. SUMMARY S P E C I F I C A N D U N S P E C I F I C SYSTEMS OF T H E H U M A N D I E N C E P H A L O N

The cerebrum has a vertical structure consisting of numerous specific afferent and efferent projection systems of each of the cortical areas. The specific afferent projections to the cortical fields originate from specific thalamic nuclei, which are called the cortex-dependent or pallio-thalamic nuclei. Between each cortical field and the appertaining thalamic nucleus there exists a single set of recurrent fibres to the thalamic nucleus, which originate from the V. and V1. cortical layer and a double set of afferent fibres. The first set of thalamo-cortical afferents are the specific afferents with dense terminal ramifications in the 1V. and lower 111. layer, the second are the unspecific afferents of Cajal and Lorente de N6. The latter are probably the neurites of the parvonucleolar cells, a peculiar type of neurones, which are present in each specific nucleus of the thalamus. By these 3 sets of fibres the cortical field and the appertaining thalamic nucleus is summarized to a thalamico-areal neuronal circuit. The receptive structures in the thalamus are situated mostly in the ventral nuclei. The somato-sensory projection systems have a somato-topic arrangement but beyond this also an arrangement according to modalities. The pain and temperature is represented in the small-celled basal part of ventral nuclei (V.c.pc or V 1) and in the area 3b of the postcentral gyrus. The rest of the somato-sensory nuclei of the thalamus can be differentiated in a posterior part which receives thick fibres of the medial lemniscus (V.C.~)and in an anterior part (V.c.a) with thinner afferent fibres which are probably the tactile systems. The area 2 and 1 in the postcentral cortex correspond to these two nuclei. The afferent fibres to each ventral nucleus have also terminations in the neighbouring reticular nucleus of the thalamus. Stimulations in V.c.a and V.c.p result in localized paresthesias and in fast twitchings of the muscles. Higher frequency stimulations in the parvo-cellular ventral nucleus (V.c.pc or VPI) result in a severe localized pain, in human patients. Above the somato-sensory nuclei are two layers of thalamic nuclei, the centro-lateral (Z.c) and the dorsal nuclei (D.c). Only the first receive collaterals from the afferent systems, the dorsal nuclei lack such. They are pure integrative nuclei, depending from afferent input from the other somato-sensory nuclei. Another projection system is supplied by vestibulo-reticulothalamic fibres, the stimulation of which results in ipsiversive turning of the eyes and of the head. Their thalamic nucleus is the Ventralis intermedius (V.im). In a few human cases the stimulation of this V.im elicited also ipsiversive movements of the eyes. The projection of this nucleus is directed to the central region especially to the area 3a. By

PROJEKTIONSSYSTEME DES Z W I S C H E N H I R N S

27

stimulations of the region of the central sulcus Penfield and Rasmussen also obtained ipsiversive movements of the eyes. The V.im-nucleus is covered by a centro-lateral nucleus (Z.im) which receives in the cat collaterals from the vestibulo-thalamic fibres. Above this Z.im-nucleus a nucleus dorsalis intermedius (D.im) is situated. Also these nuclei project to the cortex, probably to the anterior parietal region. In another ventral nucleus in front of V.im the fibres of the brachium conjunctivum terminate. The stimulation of this nucleus (V.0.p) results in contralateral twitching of muscles according to a somato-topic arrangement. Coagulations of V.0.p reduce or even abolish the tremor at rest of the contralateral side or myoclonias. The projection of this nucleus goes to the area 4 y in which the thickest pyramidal fibres originate. The rostral part of VL or V.0.a follows a little more in front. This is the terminal nucleus of the pallido-thalamic fibres which cross the internal capsule and pass the bundles Hz and HI of Forel. Stimulations of V.0.a in human result in tonic flections of the extremities and contralateral deviation of the gaze with pupillodilatation. Eliminations of V.0.a result in the relief or reduction of Parkinson-rigidity and of athetotic or torsion dystonic movements in the contralateral side. The single functional loss seen after such coagulations is a contralateral mimical facial paresis. Stimulation of this nucleus produces a phase reversal of the waves in the precentral region. The specific projection of V.0.a goes to this region, particularly to the area 6aa. In the internal part of the oral ventral nuclei of the thalamus (V. o.i), besides some dentato-thalamic fibres, fibres terminate from the interstitial nucleus of Cajal too. Stimulations in the region V.0.i result in movements of the neck muscles and sternocleidomastoideus. The stimulation of the same nucleus of cats elicits rotation of the head and of the eyes to the same side. After coagulation of V.0.i in human the torticollis spasticus is much reduced. The projection of V.0.i lies in the region of area 8 of the frontal cortex in the oculomotor fields. Above V . O . ~V.0.a , and V.0.i a centro-lateral nucleus (2.0)and oral dorsal nucleus (D.0) extend. The projection of these nuclei is the cortex in the large premotor region of the frontal lobes. The rostral pole of the thalamus is occupied by the nucleus latero-polaris (L.po) which is often called VA. This nucleus receives pallidum fibres as well as the V.0.a. Stimulation of VA result in recruiting responses bilateral in the frontal region with a short latency of 10 msec. The VA is merely partially dependent from the cerebral cortex. It has semi-spec$c projections. The stimulation effects of L.po in human seems to be a contraversive turning of the eyes or of the head with raising of the arm and vocalization like during the stimulation of the supplementary motor area of Penfield. Thus the cortical projection of L.po goes probably to this medial frontal cortex. Each ventral and dorsal nucleus is laterally surrounded by a special nucleus of the thalamic reticulate region. These nuclei receive the same afferents as the neighbouring ventral nuclei. They also have the same cortical projections, which, however, are not so circumscribed and more spread out, so that the retrograde degeneration is not SO severe-but attenuated after small cortical lesions. Also these reticulate nuclei of the thalamus have semi-specific projections. The cerebral cortex does not consist merely of a pool of specific projection systems like a mosaic in functional respect. These projection systems can be activated synLitcratur S. 28-32

28

R. H A S S L E R

chronously and together by another diencephalic system which is called diffuse or unspecific projection system. Because Hess saw during low-frequency stimulations of some medial thalamic structures quite natural sleep-effects, he called this region the hypogenic zone and built up the conception of a ‘vegetative innervation’ of the cerebral cortex. Higher frequency stimulations result in animals as well as in human in a behavioural arousal. These nuclei are the intralaminar, the parafascicular and the centre mkdian. The projections of these nuclei do not go to the cerebral cortex but to the pallidum or indirectly to the pallidum through the caudatum or putamen. The stimulation of the pallidum and of the caudatum in animals result as well in unspecific responses of the cerebral cortex. The fibre connections of the extrapyramidal system return partially to thalamic nuclei through the bundles of HZ and Hg. The pallido-thalamic fibres are concentrated below the VA nucleus before terminating i n some specific thalamic nuclei. A destruction of these pallido-thalamic fibres below VA suppress the recruiting responses over all the cerebral cortex which is not possible from any other place in the diencephalon. With low-frequency stimulations of VA the recruiting responses can also be elicited but with a shorter latency of 10 msec. By stimulation of the pallidum the same behavioural arousal could be obtained in human as from the unspecific thalamic nuclei, even during general anesthesia. These findings suggest, that the pallidum and caudate nucleus are parts of the unspecific projection systems to the cerebral cortex. Bilateral coagulations of the pallidum in extrapyramidal motor disorders result in a comatose or amential state. The unspecific projection system is dichotomised i n the diencephalon in a receptive part in the thalamus and in a effectory part i n the pallidum. The activities of the specific and unspecific systems together are the equivalents of perceptions and conscious psychical processes. LITERATUR AJMONE-MARSAN, C., (1958); Recruiting response in cortical and subcortical structures. Arch. itul. Biol., 96, 1-16. AKERT,K., UND ANDERSON,B., (1951); Experimenteller Beitrag zur Physiologie deu Nucleus caudatus. Acta physiol. scanrl., 22, 281-298. H., NEGISHI,K., UND YAMADA, K., (1956); Studies on thalamo-cortical connection in cat AKIMOTO, by means of retrograde degeneration method. Folia psychiut. neurol. jup., 10, 39-82. H., YAMAGUCHI, N., OKABE, K., NAKAGAWA, T., NAKAMURA, I., ABE,K., TORII,H., U N D AKIMOTO, MASAHASHI, K., (I 956); On the sleep induced through electrical stimulation on dog thalamus. Folia pAychiut. neurol. jap., 10, 117-146. ARONSON, L. R., U N D PAPEZ,J. W., (1934); The thalamic nuclei of Pithecus (Macacus) rhesus. 11. Dorsal thalamus. Arch. Neurol.. 32. 2 7 4 4 . M.. (1916); Hemiplegie hei intakter Pyramidenhahn. J. Psychol. Neurol. (Lpz.), 22, BIELSCHOWSKY, 225-265. BIEMOND, A,, ( I 930); Experimentell-anatomische Untersuchungen iiber die corticofugalen optischen Verbindungen bei Kaninchen und Affen. 2. Neurol., 129, 65-127. BROUWER, B., (1928); Uher die zentrifugale Beeinflussung von zentripetalen Systemen im Zentralnervensystem. Dtscli. Z. Nervenheilk., 105, 9-21. BROUWER, B.,’( 1936);’Chiasma, Tractus:opticus,*Sehstrahlungund:Sehrinde. Hdb. Neural., 6,449-532. W. P. C., (1926); The projection of the retina in the primary optic BROUWER, B., U ND ZEEMAN, neuron in monkeys. Brain, 49, 1-35. BURDACH, C. F., (1819-1826); Voni Buue unrf Leben des Geliirns. 3Bd. Lpz. (1951); Some properties of isolated cerebral cortex in the unanaesthetized cat. BURNS,B. DELISLE, J. Physiol., 112, 156-175.

PROJEKTIONSSYSTEME DES Z W I S C H E N H I R N S

29

BURNS,B. DELISLE,(1958); The Mammalian Cerebral Cortex. London. Edward Arnold. (1909-191 I); Histologie du SystBme nerveux de I‘Homme et des Vertibris. Masson, CAJAL,S. R A M ~Y N Paris. CHOW,KAOLIANC,(1950); A retrograde cell degeneration study of the cortical projection field of the pulvinar in the monkey. J . comp. Neurol., 93, 313-340. CHOW,KAOLIANC,(I 952); Regional degeneration of the thalamic reticular nucleus following cortical ablations in monkeys. J. comp. Neurol., 97, 37-60. CHOW,KAOLIANC,DEMENT,W. C., UND MITCHELL, S. A., (1959); Effects of lesions of the rostra1 thalamus on brain waves and behavior in cats. Electroencephalog. Clin. Neurophysiol., 11, 107-121. CHOW, KAOLIANC,UND HUTT,P. J., (1953); The “association cortex” of Maraca mulatta: a review of recent contributions to its anatomy and functions. Brain, 76, 625-677. CHOW,KAOLIANGUND PRIBRAM, K. H., (1956); Cortical projection of the thalamic ventrolateral nuclear group in monkeys. J. comp. Neurol., 104, 57-75. CLARK,W. E. LE GROS,(1932); The structure and connections of the thalamus. Brain, 55, 406470. CLARK, W. E. LE GROS,(1936a); An experimental study of thalamic connections in the rat. J. Anat., 70, 447460. CLARK,W. E. LE GROS,(1936b); The termination of the ascending tracts in the thalamus of the macaque monkey. J . Anat., 71, 7-40. CLARK,W. E. LE GROS,(1942); The visual centres of the brain and their connections. Physiol. Rev., 22, 205-232. CLARK,W. E. LE GROS,AND BOCCON,R. N., (1935); The thalamic connections of the parietal and frontal lobes of the brain in the monkey. Phil. Trans. Roy. SOC.London, Ser. B., 224, 313-359. W. E. LE GROS,AND NORTHFIELD, D. W. C., (1937); The cortical projection of the pulvinar CLARK, in the macaque monkey. Brain, 60, 126. G. G., (1934); The projection of the retina in the lateral CLARK,W. E. LE GROS,AND PENMAN, geniculate body. Proc. Roy. SOC.(London), 114, 291. CROUCH, R . L., (1934); The nuclear configuration of the thalamus of Macacus rhesus. J. comp. Neurol., 59, 451485. R. L., (1940); The efferent fibres of the thalamus of Macacus rhesus 11. The anterior nuclei, CROUCH, medial nuclei, pulvinar and additional studies on the ventral nuclei. J. comp. Neurol., 72, 37-177. CROUCH, R . L., AND THOMPSON, K., (1938a); The efferent fibers of the thalamus of Macacus rhesus V. Lateral and ventral nuclei. J . comp. Neurol., 69, 255-271. CROUCH,R. L., AND THOMPSON, K., (1938b); Terminations of the brachium conjunctivum in the thalamus of the macaque monkey. J. comp. Neurol., 69, 449-452. J., (1896-1901); Anatomie des Centres nerveux. Tom. 1 et 2. Paris. DPJERINE, DEKABAN, A., (1953); Human Thalamus I. Division of the human adult thalamus into nuclei by use of the cyto-myelo-architectonic method. J . comp. Neurol., 99, 639-684. DEKABAN, A., (1954); Human thalamus. IT. Development of the human thalamic nuclei. J. comp. Neurol., 100, 63-98. DEMPSEY, E. W., AND MORISON,R. S., (1942); The production of rhythmically recurrent cortical potentials after localized thalamic stimulation. Amer. J . Physiol., 135, 293-300. DEMPSEY, E. W., AND MORISON,R . S., (1943); The electrical activity of a thalamo-cortical relay system. Amer. J. Physiol., 138, 289-296. J., (1950); On the configuration and the connections of the medio-ventral DROOCLEEVER FORTUYN, area and the midline cells in the thalamus of the rabbit. Folia psychiat. need., 53, 213-254. J., A N D STEFAN, R., (1951); On the anatomical relations of the intralaminar DROOCLEEVER FORTUYN, and midline cells of the thalamus. Electroenceph. d i n . neurophysiol., 3 , 393400. DE BARENNE, J. G., (1934); The disturbances after laminar thermocoagulation of the motor DUSSER cerebral cortex. Brain, 57, 51 7-526. DE BARENNE, J. G., AND MCCULLOCH, W. S., (1938a); Sensorimotor cortex, nucleus caudatus DUSSER and thalamus opticus. J . Neurophysiol., 1, 364-377. J. G., AND MCCULLOCH, W. S., (1938b); The direct functional interrelation Of DUSSERDE BARENNE, sensory cortex and optic thalamus. J. Neurophysiol, 1, 176-186. DUSSERDE BARENNE, J. G., AND MCCULLOCH, W. S., (1941); Functional interdependence of sensory cortex and thalamus. J. Neurophysrol., 4, 304-310. DE BARENNE, J. G., AND ZIMMERMANN, H. M., (193.5); Changes in the cerebral cortex produced DUSSER by thermocoagulation. Arch. Neurol., 33, 123-1 3 1,

30

R. H A S S L E R

FLECHSIC, P.,(1 876): Die Leitungsbahnen in? Gehirn und Ruckenmark des Menschen auf Grund entwicklungsgeschichtlicher Untersuchungen. Leipzig. FOREL,A,, (1877); Untersuchungen iiber die Haubenregion und ihre oberen Verkniipfungen im Gehirn des Menschen und einiger Siiugetiere, mit Beitragen zu den Methoden der Gehirnuntersuchung. Arch. Psychiat., 7, 393495. FRENCH, J. D., ( I 952): Brain lesions associated with prolonged unconsciousness. Arch. Neurol., 68, 727-740. F. K. VON,A N D MAGOUN, H. W., (1952); An activating system in brain FRENCH,J. D., AMERONCEN, stem of monkey. Arch. Neurol. 68, 577-590. FRENCH,J. D., AND HERNANDEZ-P~oN, R., (1955); Projections from cortex to ccphalic brain stem, (reticular formation) in monkey. J . Neurophysiol., 18, 74-95. FRENCH, J. D., VERZEANO, M., AND MACOUN,H. W., (1953); An extralemniscal sensory system in the brain. Arch. Neurol., 69, 505-518. J. A,, (1962); Uber EEG-Veranderungen nach stereotaktischer Ausschaltung subGANCLBERGER, corticaler Strukturen bei 800 Parkinson-Kranken. Arch. Psychiat., 203, 5 19-544. J., AJMONE-MARSAN, C., AND DILWORTH, M., (1954); Pathways of non-specific thalamoHANBERY, cortical projection system. Electroenceph. clin. neurophysiol., 6, 103-1 18. HASSLER,R., (1948a); Morphologische Grundlagen der Grosshirnlokalisation. Nervenarzt, 19, 518-528. HASSLER, R., (1948b); Forels Haubenfaszikel als vestibulare Empfindungsbahn mit Bemerkungen iiber einige andere sekundare Bahnen des Vestibularis und Trigeminus. Arch. Psychiat., 180, 23-53. HASSLER, R., (1948~):Uber dieThalamus-Stirnhirnverbindungenbeim Menschen. Nervenarzt,l9,9-l2. HASSLER, R., (1949a); uber die Rinden und Stammhirnanteile des menschlichen Thalamus. Psychiat. Neurol., 1, 181-187. HASSLER, R., (1949b); Uber die afferenten Bahnen und Thalamuskerne des motorischen Systems des Grosshirns. Arch. Psychiat., 182, 759-81 8. HASSLER, R., (1950): Anatomie des Thalamus. Arch. Psychiat., 184, 249-256. HASSLER, R., (1955); The anatomy of the relationship of the brain stcm to the cercbral cortex. Electroenceph. clin. neurophysiol., 7, 666-667. HASSLER, R., (1956a); Arousal effects in the human by stimulations in the thalamus and pallidum (film). Commun. Congr. Intern. Physiol. Bruxelles, p. 405406. HASSLER, R., (1956b); Die extrapyramidalen Rindensysteme und die zentrale Regelung der Motorik. Dtsch. Z . Nervenheilk., 175, 233-258. HASSLER, R., (1956~);Die zentralen Apparaten der Wendebewegungen I. Ipsiversive Wendungen durch Reizung einer direkten vestibulo-thalamischen Bahn im Hirnstamm der Katze. Arch. Psychiat., 194, 456480. HASSLER, R., (I 956d); Die zentralen Apparate der Wendebewegungen 11. Die neuronalen Appara der vestibularen Korrekturwendungen und der Adversibewegungen. Arch. Psychiat., 194, 481-51 6 . HASSLER, R., (1959); Anatomie des Thalamus. Anatomy ofthe Thalamus. G. Schaltenbrand and P. Bailey, Editors. Einfiihrung in die sterotaktischen Operationen. Stuttgart. Thieme (p. 230-290). HASSLER, R., (1960); Thalamo-corticale Systeme der Korperhaltung und der Augenbewegungen. D.B. Tower and J. P. Schad6, Editors. Structure and Function of the Cerebral Cortex. Amsterdam, Elsevier. (p. 124-1 30). HASSLER, R., ( I 961); Motorische und sensible Effekte umschriebener Reizungen und Ausschaltungen im menschlichen Zwischenhirn. Dtsch. Z . Nervenheilk., 183, 148-171. HASSLER, R., U ND HESS,W. R., (1954): Experimentelle und anatomische Befunde iiber die Drehbewegungen und ihre nervosen Apparate. Arch. Psychiat., 192, 488-526. HASSLER,R., U N D RIECHERT, T., (1954); Indikationen und Lokalisationsmethode der gezielten Hirnoperationen. Nervenarzt, 25, 441 4 4 7 . S. E., (1923); 40-jahriger Kampf um das Sehzentrum und seine Bedeutung fur die HirnHENSCHEN, forschung. Z . Neurol., 87, 505-535. W. R., AND AKERT,K., (1953); Cortical and subcortical recordings in natural HESS,R. Jr., KOELLA, and artificially induced sleep in cats. Electroenceph. clin. neurophysiol., 5, 75-90. HESS,W. R., (1928); Hirnreizversuche iiber den Mechanismus des Schlafes. Arch. Psychiat., 86, 287-292. HESS,W. R., (1948); Korrespondierende Symptome aus Stirnhirn, innerer Kapsel und vorderem Thalamus. Helv. physiol. pharmacol. Acta, 6, 73 1-744. HESS,W. R., (1 954); Das Zwischenhirn. Syndrome, Lokalisationen und Funktionen. Basel. Schwabe.

PROJEKTIONSSYSTEME DES ZWISCHENHIRNS

31

HESS, W. R., BURGI,S., UND BUCHER,V., (1946); Motorische Funktion des Tektal- und Tegmentalgebietes. Mschr. Psychiat., 112, 1-52. JASPER,H. H., (1954); Functional properties of the thalamic reticular system. Brain Mechanisms and Conciousness, Oxford (p. 374-394). JASPER,H. H., AND AJMONE,M. C., (1952); Thalamocortical integrating mechanisms. Res. Publ. Ass. new. ment. Dis., 30, 493-512. JASPER,H. H., AJMONE,M. C., AND HANBERY, J., (1953); Pathways and functional properties of the nonspecific thalarnocortical projection system. Program Meeting, Am. Neur. Assn., 4-5. JASPER, H. H., AND BUREN,J. VAN,(1953); Interrelationship between cortex and subcortical structures: clinical electroencephalographic studies. Electroenceph. clin. neurophysiol., 4, 168-1 88. JASPER,H. H., NAQUET,R., AND KING, E. E., (1955); Thalamocortical recruiting responses in sensory receiving areas in the cat. Electroenceph. elin. neurophysiol., 7, 99-1 14. JuNG, B., AND HASSLER,R., (1959); The extrapyramidal motor system. Handbook Physio1.-Neurophysiol., 11, 863-927. KLEIST,K., (1929); Schlafstorungen und Schlafsucht bei Herderkrankungen des Gehirns. Arch. Psychiat., 86, KLEIST,K., (1934); Gehirpathologie. Leipzig. DE NO, R., (1938); The cerebral cortex: architecture and intracortical connections. Physiology LORENTE of the Nervous System. Fulton, Editor. MCLARDY, T., (19.50); Thalarnic projection to frontal cortex in man. J. Neurol. Neurosurg. Psychiat., 13, 198. MCLARDY,T., AND MEYER,A., (1949); Anatomical correlates of improvement after leucotomy. J . ment. Sci., 94, 182-196. MELZACK, R., AND HAUGEN, F. P., (1957); Responses evolved at the cortex by tooth stimulation. Amer. J. Physiol., 190, 570-574. MELZACK, R., STOTLER, W. A. AND LIVINSTON, W. K., (1958); Effects of discrete brain stem lesions in cats on perception of noxious stimulations. J . Neurophysiol., 21, 353-367. MEYER,A., AND BECK,E., (1 954); Prefrontal leucotomy and related operations. Anatoniical Aspects of Success and Failure. Edinburgh and London. MEYER,A., BECK,E., AND MCLARDY,T., (1947); Prefrontal leucotomy : a neuroanatomical report. Brain, 70, 18-49. MTCKLE,W. A., AND ADES,H. W., (1952); A composite sensory projection area in the cerebral cortex of the cat. Amer. J . Physiol., 170, MORISON, R. S., AND DEMPSEY, E. W., (1942); A study of thalamocortical relations. Amer. J.Physiol., 135. MORISON,R. S., AND DEMPSEY, E. W., (1943); Mechanism of thalamocortical augmentation and repetition. Anier. J. Physiol., 138, 297-308. MOUNTCASTLE, V. B., COVIAN, M. R., AND HARRISON, C. R., (1952); The central representation of some forms of deep sensibility. Res. Publ. Ass. nerv. ment. Dis., 30, 339-370. MOUNTCASTLE, V. B., AND HENNEMAN, E., (1952); The representation of tactile sensibility in the thalamus of the monkey. J . romp. Neurol., 97, 409440. NISSL,F., (1889); Die Kerne des Thalamus beim Kaninchen. Neurol. Zbl., 8, 549. NISSL,F., (1913); Die Grosshirnanteile des Kaninchens. Arch. Psychiat., 52, 867-953. PENFIELD, W., AND JASPER,H., (1954); Epilepsy and the functional Anatomy of the Human Brain. Boston. Little Brown. PENFIELD, w . , AND RASMUSSEN, TH.,(1950); The cerebralcortex of man. A clinicalstudy O f l o C a h 7 t i O n of function. New York. MacMillan. PENFIELD, W., AND WELCH,K., (1951); The supplementary motor area of the cerebral cortex. Arch. Newol., 66, 289-317. POLYAK, ST., (1932); The main afferent Fiber Systems of the cerebral Cortex in Primates. Berkeley. University of California Press. POLYAK, ST., (1957); The Vertebrate Visual System. Chicago. University of Chicago Press. ROSE,J. E., (1952); The cortical connections of the reticular complex of the thalamus. Res. Publ. Ass. new. ment. Dis., 30, 454479. C. N., (1948); The orbitofrontal cortex and its connections with ROSE,J. E., AND WOOLSEY, the mediodorsal nucleus in rabbit, sheep and cat. Res. Publ. Ass. nerv. ment. Dis., 27, 210-232. ROSE,J. E., AND WOOLSEY, C. N., (1958); Cortical connections and functional organization of the

32

R. H A S S L E R

thalamic auditory system of the cat. Harlow and C. N. Woolsey, Editors. Biological and Biochemical Buses of Behavior. Madison (p. 127-150). M., (I 954); Relations between caudate and diffusely projecting SHIMAMOTO, T., AND VERZEANO, thalamic nuclei. J . Neurophysiol., 17, 278-288. SHOLL,D. A., (1956); The Organization of the Cerebral cortex. London/New York. Methuen. SPEHLMANN, R., CREUTZFELDT, 0. D., U N D JUNG,R., (1960); Neuronale Hemmung im motorischen Cortex nach elektrischer Reizung des Caudatum. Arch. Psychiat., 201, 332-354. SPIELMEYER, W., (1906); Hemiplegie bei intakter Pyramidenbahn (intrakortikale Hemiplegie). Munch. med. Wschr., 53, 1404-1407. STARZL, T. E., AND MAGOUN, H. W., (1951); Organization of the diffuse thalamic projection system. J. Neurophysiol., 14, 133-146. STARZL,T. E., TAYLOR,C. W., AND MAGOUN,H. W., (1951a); Collateral afferent excitation of reticular formation of brain stem. J. Neurophysiol., 14, 479-496. T. E., TAYLOR, C. W., AND MAGOUN,H. W., (1951b); Ascending conduction in the reticular STARZL, activating system with special reference to the diencephalon. J. Neurophysiol., 14, 461-477. STARZL,T. E., AND WHITLOCK,D. G . , (1952); Diffuse thalamic projection system in monkey. J . Neurophysiol., 15, 449468. TEUBER, H . L., (1961); Neuere Beobachtungen uber Sehstrahlung und Sehrinde. Neurophysiologie und Psychophysik cles visuellen Systems. R. Jung und H. Kornhuber, Editors. Berlin. Springer. (p. 256-274). W. S., AND BENDER, M. B., (1949); Change in visual searching performance TEUBER, H. L., BATTERSBY, following cerebral lesions. Amer. J . Physiol., 159. TEURER, H. L., BATTERSBY, W. S., AND BENDER, M. B., (1960); Visual Field Defects after Penetrating Missile Wounds of the Brain. Cambridge. Harvard University Press. UMBACH, W., (1959); Zur Elektrophysiologie des Caudatum der Katze. Arch. Psychiat., 199, 553-573. VOGT, C., (1909); La myeloarchitecture du thalamus du cercopithkque. J . Psychol. Nerrrol., 12, 285-324. VOGT,C., UND VOGT,O., (1919); Allgemeinere Ergebnisse unserer Hirnforschung. J. Psychol. Neurol., 25, 273462. VOGT, C., U N D VOGT,O., (1920); Zur Lehre der Erkrankungen des striaren Systems. J . Psychol. Neurol., 25, 631-846. VON GUDDEN,B., ( I 870); Experimentale Untersuchungen uber das peripherische und zentrale Nervensystem. Arch. Psychiat. Nervenkr., 2, 693-723. VON GUDDEN,B., ( I 889); Gesammelte und hinterlassene Ahhandlungen. Wiesbaden. Grasley. VONMONAKOW, C., (I 895); Experimentelle und pathologisch-anatomische Untersuchungen uber die Haubenregion, den Sehhiigel und die Regio subthalamica nebst Beitragen zur Kenntnis fruh erworbener Gross- und Kleinhirndefekte. Arch. Psychiat., 27, 1-386. VONEIDA, T. J., (1962); An experimental study of the course and destination of fibers arising in the head of the caudate nucleus in the cat and monkey. J . Comp. Neurol. WALKER, A. E., (1938a); The thalamus of the chimpansee. I. Terminations of the somatic afferent systems. Conjin. Neurol., 1, 99-127. WALKER, A. E., (1938b); The thalamus of the chimpansee. IV. Thalamic projections to the cerebral cortex. J . Anat., 73, 37-93. WALKER, A. E., (1939); The course and terminations of the secondary pathways of the trigeminal nerve in primates. J . Comp. Neurol., 71, 59-89. A. E., (1940); The medial thalamic nucleus: A comparative anatomical physiological study WALKER, of the nucleus medialis dorsalis thalami. J . Comp. Neurol., 73, 87-105. A. E., AND BOTTERELL, E. N., (1937); The syndrome of the superior cerebellar peduncle in WALKER, the monkey. Brain, 60, 329. WALLENBERG, A., (1928); Das sensible System. Dtsch. Z . Nervenheilk., 101, 11 1-155. WALLENBERG, A., (1949); Anatomische Beitriige zu Problemen der Empfindung, Wahrnehmung und Aufmerksamkeit. Z . Psychiat., 117, 380-389. WHITTERIDGE, D., AND DANIEL,P. M . , (1961); The representation of the visual field on the calcarine cortex. Neurophysiologie und Psychophysik des visitellen Systems. R. Jung und H. Kornhuber, Editors. Berlin. Springer. (p. 222-227).

33

Wirkungen Umschriebener Reizungen im Menschlichen Zwischenhirn auf das EMG* J. A. G A N G L B E R G E R

Neurochirurgische Klinik der Universitat Freiburgl Breisgau (Deutschland)

Die stereotaktischen Eingriffe an subcorticalen Strukturen zur Behandlung extrapyramidal-motorischer Bewegungsstorungen machen erstmalig elektrophysiologische Untersuchungen am Menschen moglich, die vorher dem Tierversuch vorbehalten waren, ohne dass dabei die Berufsethik in Frage gestellt wird. Denn neben der Rontgenkontrolle der Elektrodenlage mussen routinemassig elektrische Reizungen ini Zielpunkt zur physiologischen Sicherung des Zielsubstrates durchgefuhrt werden, da dieses im Encephalogramm nicht direkt sichtbar ist, soiidern mit Hjlfe von Bezugssystemen und Modellhirn indirekt rechnerisch bestimmt werden muss. Die intraoperative Elektromyographie dient dabei der besseren Objektivierung der klinisch beobachteten Reizeffekte und deren neurophysiologischen Untermauerung. u b e r die elektroencephalographischen Reizantworten berichtet in diesem Rahmen Umbach auf Grund langjahriger Untersuchungen. Diese Mitteilung, der 100 ausfuhrlich untersuchte Falle zugrundeliegen, beschrankt sich auf die Ergebnisse der intraoperativen elektromyographischen Ableitungen, die wir seit 1961 durchfuhren. Im Laufe unserer Untersuchungen hat sich auch die praktische Bedeutung der intraoperativen Elektromyograpliie als zusatzliche Kontrolle in den Fallen mit erschwerter Zielpunkt-Berechnung erwiesen, woruber in Bad Ischl berichtet wurde. Intraoperative EMGs wurden von verschiedener Seite abgeleitet, Latenzmessungen zwischen intracerebralem Reizort und verschiedenen Muskeln wurden von Albe-Fessard und Arfel (1961), Guiot et al. (1962), Sem-Jacobsen und Thulin (1962), sowie in der Klinik von Struppler und Struppler (1962) an einer kleineren Zahl von Fallen durchgefuhrt. Nach vorubergehender Anwendung von Oberflachenelektroden gingen wir bald auf die coaxialen Nadelelektroden zuruck, die wir auch sonst verwenden. Der Vorteil des weiteren Abgriffs der Oberflachenelektroden wiegt ihre verschiedenen Nachteile nicht auf. Bei den iibergrossen Massenpotentialen, wie sie haufig bei grosserer Reizstarke beobachtet werden, kommt es zur uberladung der Eingangsgitter. In der Zeit, in der sich die uberladenen Gitter rler Eingangsrohren iiber den Gitterableitwiderstand entladen, ist der Verstarker blockiert. Das iibergrosse Massenpotential fallt exponentiell

*

Mit Unterstiitzung der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Lireratur S. 41/45

34

J. A. G A N G L B E R G E R

ab, ist also artifiziell verzerrt und verlangert. Potentiale einer pathologischen Ruheaktivitat (Tremor-Bursts) oder einer Halte- oder Willkiirinnervation werden in dieser Zeit vom Verstarker nicht berucksichtigt. Dies hat andere zur Annahme verfuhrt, dass nach einer solchen ubergrossen Massenantwort keine weitere Aktivitat im VorderhornApparat mehr zur Verfugung stehe, einer solchen Entladung also eirie echte Entladungsstille folge. Simultane Oberflachen- und Nadelelektrodenableitungen vom selben Muskel zeigen den Verstarkerartefakt auf. Zur Registrierung verwenden wir den 3-Kanal-DISA-Elektromyographen, zur Reizung den DISA-Multistim und das neurochirurgische Reizgerat von Tonnies. Der DISA-Multistim erlaubt Einzel-, Doppel- und Kettenreize verschiedener Starke, Dauer, Frequenz und verschiedenen Abstandes, sowie Kippauslosung und die direkte Reizmarkierung iiber den Endverstarker, was umso wichtiger ist, je weiter die Registrierung vom Reizort entfernt erfolgt. Der Monitor und der Lautsprecher des Elektromyographen erlauben eine genugende momentane Kontrolle bei der Ableitung. Der Reiz wird iiber erdfreie Spezialtransformatoren an die bipolare Reizelektrode mit 1.1 bzw. 1.5 mm 0 und 3 bis 7 mm (meist 5) Polabstand weitergegeben. Es kann geschlossen werden, dass die resultierenden Stromschleifen einen Gewebsbezirk von mehreren Millimeter Durchmesser erfassen. Bei den Latenzmessungen zeigte sich, dass das Minimum des Strahlkipps 2 nisec, besser 1 msec/mm betragen muss. Denn trotz Verwendung von Lupe und Haaff’schen Reduktionszirkel liegen die Werte bei 5 msec/mm bis zu 30 unter den tatsachlichen. Abgeleitet wurde bei Reizung in verschiedenen thalamischen Kernen (so im Nc. , ventro-oralis anterior thalami = V.o.a, im Nc. ventro-oralis posterior = V . O . ~im Nc. ventro-oralis internus = V.o.i, im Nc. ventro-caudalis parvocellularis = V.c.pc, im Nc. intralamellaris == iLa, und im Nc. subependymalis = S.ep nach Hassler, 1949, 1959, 1961) und bei Reizung des Pallidum internurn. In dieser Mitteilung werden aber nur die Ergebnisse der Reizung im V.o.a, V.0.p und Pallidum internum beriicksichtigt, weil sich hier eine weitgehende Ubereinstimmung herauskristallisiert. Gereizt wurde im Zielpunkt (k0), sowie in den Positionen +4 oder +5, bzw. -4 oder -5 mm iiber den Zielpunkt hinaus oder vor dem Zielpunkt in Richtung der Elektrodenachse. Dass die stereotaktischen Eingriffe in der Klinik rnit dem Cerat und der Technik von Riechert und Mundinger (1955) und der Methodik von Hassler und Riechert (1953, 1960, 1961) durchgefuhrt werden, darf als bekannt vorausgesetzt werden. Obwohl wir von verschiedensten Muskeln abgeleitet haben, bevorzugen wir beim Parkinson-Syndrom (mit Zielpunkt im V.o.a, V.0.p oder Pallidum internurn) die Kombination von Masseter, Biceps und Triceps. Nach vorausgegangener spezieller Reizung rnit dem DISA-Multistim mit verschiedenen Reizkonstellationen wird die Standardreizung rnit dem Tonnies-Gerat rnit I msec-Rechteckimpulsen in Reizfolgen von I , 4, 8 (25) und 50/sec rnit jeweils steigenden Reizstarken durchgefuhrt. Es kann vorausgeschickt werden, dass die mehrfach von Hassler und Riechert (1961), sowie Hassler et al. (1960) beschriebenen klinischen Reizeffekte nahezu voll durch die elektromyographischen Befunde bestatigt werden, und dadurch in ihrem Aussagewert erhoht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Reizbeantwortung wie immer bei transsynaptischer

REIZUNGEN IM ZWISCHENHIRN

35

Reizung von verschiedenen Faktoren abhangig ist und eine grosse Variabilitat aufweist. Es wird bestatigt, dass die Ausgangslage von Bedeutung ist (Wilder’s Gesetz). So ist bei entspannter Ruhelage die Reizschwelle deutlich hoher als bei Willkiir- oder Halteinnervation. Ja sogar die Bereitschaft zur Willkurinnervation auf Kommando senkt die Schwelle schon deutlich, wie spater an Kurvenbeispielen demonstriert werden kann. Die Variabilitat der einzelnen Reizantworten ist aber auch bei anscheinend gleichem Ausgangswert eine erhebliche, trotz konstanter Reizart und -starke. Die Amplitudenmodulation der Reizantworten zeigt dabei meist ein Verhalten, wie es im Falle der EEG-Ableitung fur die ‘augmenting response’ charakteristisch ist : nach einem langen einleitenden Amplituden-Crescendo ist ein deutliches ‘waxing and waning of amplitudes’ feststellbar. Klinisch ist diese Variabilitat der Reizantworten ini standigen Wechsel des Bewegungsablaufes der resultierenden Muskelzuckungen infolge wechselnder Muskelkombinationen zu sehen. Der einzelne Reiz in Reizfolgen von 1, 4 oder 8/sec kann, aber muss nicht beantwortet werden, wenn schwache oder niittlere Reize angewandt werden. Ini Falle der Beantwortung besteht diese bei schwachen Reizen aus einem bi- oder triphasischen Muskelaktionspotential. Bei mittleren Reizen konnen Einzel- oder Komplexantworten ausgelost werden, durch starke Reize fast durchwegs komplexe Antworten mit zwei oder drei deutlich erkennbaren sukzessiven Muskelaktionspotentialen. Bei Doppelreizfolgen kann die Antwort ob mittlerer Reizstarke einfach oder doppelt sein, bei starken Reizen kommen nur Doppel- oder Komplexantworten vor. In Analogie zu der Reizung peripherer Nerven im Experiment entspricht diese Aufsditterung der Antworten der gleichzeitigen Erregung verschieden schnell leitender Fasersysteme. Die Oberflachenelektrode ist zur Erfassung solcher komplexer Reizantworten vollig ungeeignet, da sie diese meist in ein iibergrosses Summationspotential zusammenschmilzt, wahrend die Summation durch die coaxiale Nadelelektrode wesentlich geringer ist. Bei schwachen Doppelreizen kann der erste noch subliniinal sein oder absichtlich so gehalten werden, aber genugend Bahnung machen, dass der zweite beantwortet wird. 1st das einleitende Amplituden-Crescendo bei der ‘augmenting’-artigen Reizantwort etwas deutlicher, dann zeigt sich im Stadium des ‘waxing and waning’ der 1955 von uns erstmals bei der sogenannten ‘spontanen’ Photo-M yoklonus-Respons beschriebene ‘Bahnungseffekt’ : Wird in diesem Stadium der Reiz nur kurz (1 bis 2 sec) unterbrochen, d a m erfolgt die Antwort gleich wieder mit ‘waxing and waning’. Bei langerer Reizunterbrechung muss eine neuerliche Rekrutierung erfolgen, erkenntlich am initialen Amplituden-Crescendo. Bei schwachen und mittleren Reizen wechselt die Erregbarkeit sehr, wobei bei langsamen Reizfolgen gelegentlich eine Abhangigkeit vom Tremor-Zyklus (Struppler und Struppler, 1962) besteht, viel haufiger ist aber der Wechsel der Erregbarkeit ein viel langsamerer, in der Grossenordnung um eine Sekunde ! Diese Erregbarkeitsanderung zeigt ahnlich wie der Tremor ein reziprokes Verhalten der Antagonisten. 1st eine massige pathologische Ruheaktivitat vorhanden, so gelingt es mit 4 oder 8/sec-Reizfolgen schwacher Starke oft, diese in Reizabhangigkeit zu bringen (klinisch : Liferatur S.44/45

36

J. A. G A N G L B E R G E R

Rhythmisierung oder Synchronisierung des Tremors). Manchmal kommt es dabei anfanglich zu einer Hemmung der pathologischen Ruheaktivitat, ohne dass die Reize schon von Antworten gefolgt sein mussen (Tremorblockade). Bei starkerer pathologischer Grundaktivitat (Tremor-Bursts) gelingt es mit solchen Reizen oft die Grundaktivitat anzutreiben, manchmal aber wird der klinische Eindruck der Synchronisierung durch die starkeren interponierten reizabhangigen Muskelzuckungen hervorgerufen. Ein leichtes Antreiben des Tremor-Rhythmus ist auch dabei oft zu sehen, wobei die erst seit den Untersuchungen von Jung beachtete ziemliche Unregelmassigkeit des Parkinson-Tremors etwas abnimmt, sodass man berechtigt ist, von einer Rhythmisierungstendenz zu sprechen. Gelegentlich kann durch 4 oder 8/sec-Reize eine echte Tremor-Aktivierung erfolgen, wobei dann die Bursts verbreitert und rnit erhohter Amplitude hervortreten, aus denen die einzelnen Antworten herausragen. Die Bursts sind aber auch dann nicht streng rnit dem Reiz synchronisiert. Hohere Reizfolgen (25 und 50/sec) konnen entweder nach anfanglicher TremorHemmung aktivierend wirken, wobei die Tremor-Frequenz meist beschleunigt wird, seltener kommt es zu tetanischer Beantwortung. Diese Iasst drei Grade erkennen. Im leichtesten Falle tritt die tetanische Antwort erst bei hoherer Reizstarke auf und lasst eine waxing and waning-artige Amplitudenmodulation erkennen. Tritt sie schon bei mittlerer Reizstarke auf, dann ist eine deutliche Amplitudenmodulation durch den Tremor-Zyklus erkennbar. Im Falle des auch klinisch sichtbaren Tetanus bei niedriger Reizstarke ist eine solche Modulation wesentlich geringer. Eine solche Reizantwort spricht fur kapselnahen Elektrodensitz, wie die Erfahrung lehrte. Die Koagulation darf d a m nur niit besonderer Vorsicht ausgefuhrt werden, uni unerwiinschte Nebeneffekte durch Mitlasion vorderer Kapselanteile zu vermeiden. Das EMG hat sich daher als ein feiner Indikator zur Zielsubstratsicherung in den seltenen Fallen mit erschwerter Berechnung des Zielpunkts erwiesen (Ganglberger, 1962). In vielen Fallen zeigt sich, dass die Armbeuger eine niedrigere Schwelle haben als die Strecker. Die Latenzzeiten der vom V.0.a oder V.0.p des Thalamus oder der vom inneren Pallidumglied ausgelosten Muskelaktionspotentiale sind uberraschend kurz. Wir fanden folgende Grenzwerte : Masseter Biceps Triceps Flex. dig. Ext. dig. com.

5.6- 8.3 msec 9.2-1 1.8 msec 9.6-12.5 msec 14.5-20.5 msec 13.5-17.5 msec.

Bei diesen uberraschend kurzen Latenzen drangt sich trotz des bekannten Zielsubstrates die Frage auf, welche Systeme wir bei Sitz der Elektrodenspitze im inneren Pallidumglied oder im V.0.a bzw. V.0.p des Thalamus tatsachlich reizen. Zu berucksichtigen ist dabei, dass zwei Grundarten des Reizeffektes unterschieden werden mussen : Erstens, Auslosung oder Anderung pathologischer Ruheaktivitat ohne direkt reizabhangige Muskelantworten, zweitens, verbunden rnit reizabhangigen Muskel-

R E I Z U N G E N IM Z W I S C H E N H I R N

37

Masseter

Fig. 1. Fortlaufende Registrierung, 1 msec Rechteckimpuls (Tonnies). Reihenfolge des Muskelabgriffs jeweils: Masseter, Biceps, Triceps. Die drei oberen Filmausschnitle zeigen das 'waxing and waning' der Amplituden bei 4 bzw. b/sec Reizung. Die beiden unteren zeigen Tremor-Aktivierung durch 8/sec Reize. (Zuunterst : Zeitmass 1 sec fur die beiden verwendeten Registriergeschwindigkeiten.) Literatur S.44/45

00

m

REIZUNGEN I M ZWISCHENHIRN

39

P 0

LMasseter

iceps

Fig. 4. Unterschrift auf S. 41.

REIZUNGEN IM ZWISCHENHIRN

41

antworten. Die erste Grundart kommt in der Regel bei schwacher, die zweite bei etwas hoherer Reizstarke zur Beobachtung und wurde ausfiihrlicher besprochen. Zur Diskussion miissen daher bei unseren Ergebnissen drei Moglichkeiten gestellt werden : (I) Der anatomischen Struktur entsprechend werden nur afferente Systeme der motorischen Rinde (Hassler, 1949) gereizt. (2) Neben aufsteigenden Bahnen werden auch direkt absteigende Bahnen der inneren Kapsel mitgereizt. (3) Es werden nur absteigende Bahnen der inneren Kapsel gereizt. Die Mijglichkeit ( I ) ist beim ersten Grundtyp des Reizeffektes in Betracht zu ziehen, also bei schwachen Reizen, wo trotz Auslosung oder eindeutiger Anderung pathologischer Ruheaktivitat keine direkten Antworten aufdeckbar sind. Fur die Moglichkeit (2) spricht rein technisch der grosse Polabstand der bipolaren Reizelektrode mit den daraus resultierenden weiten Stromschleifen. Gegen die Moglichkeit (3) spricht in erster Linie die Tatsache, dass sich der Charakter der Reizantworten vollkommen andert, wenn infolge erschwerter Berechnung die Elektrode zu nahe an der inneren Kapsel liegt. Wir glauben daher annehmen zu konnen, dass der Moglichkeit (2) die grosste Wahrscheinlichkeit zukommt, namlich, dass neben aufsteigenden Neuronensystemen, die im Zielsubstrat entspringen oder dieses passieren, auch benachbarte absteigende Bahnen mitgereizt werden. Von Seiten des Reizeffektes her liesse sich denken, dass die iiber den Cortex laufende (und schon dadurch verzogerte) Erregung eine Anderung der Tonisierung des Vorderhornapparates hervorruft, welche sich beziiglich der Beantwortung der direkt absteigenden Erregung erst bei den nachsten Reizen bemerkbar macht. So ware auch der langsamere Erregbarkeitswechsel (unabhangig vom Tremor-Zyklus) und die gelegentliche, schon von anderen geniachte Beobachtung, dass z.B. nur jeder zweite Reiz beantwortet wird, erklarbar. Weitere Untersuchungen mit direkter Reizung der Pyramidenbahn und anderer Bahnen in der inneren Kapsel lassen eine Klarung der noch offenen Fragen erwarten. Die Figuren, die nur kurze Ausschnitte der registrierten Kurven bringen konnen, sollen einige der besprochenen Ergebnisse veranschaulichen. Fig. 4. Unterbrochene Registrierung, 0.5 msec Rechteckimpuls (DISA), Einzel- oder Doppelreiz. Abgriff wie in Figs. 2 und 3. Die ersten drei Filmausschnitte von links zeigen die Antworten bei 4/sec Reizung, die beiden letzten rechts bei I/sec. Bahnung der Reizantworten durch Bereitschaft zur Willkiiripnervation auf Kommando: Ganz links, Pfeil iiber der Zeitmarke (1 sec): Vorbereitung auf folgendes Kommando. Pfeil darunter : Kommando: ‘Faust schliessen!’. Bereits bei der Vorbereitung auf das spatere Kommando treten die Antworten verstarkt hervor, obwohl klinisch keine Anderung erkennbar ist. Mit der Ausfiihrung des Kommandos erfolgt eine weitere wesentliche Verstarkung der Antworten, diese werden auch im Masseter verstarkt. Im Filmabschnitt 2 und 3 bedeutet das jeweils rechts markierte Lichtsignal ‘Zahne zusammenbeissen’ auf Kommando. Die beiden letzten Filmabschnitte mit 8/sec Reizung lassen sowohl das ‘Einfangen’ bzw. Antreiben der vorhandenen Ruhe-Aktivitat erkennen, als auch den langsamen Crescendo Auf bau der Amplituden, wahrend das spatere ‘waxing and waning’ nur im Masseter leicht erkennbar ist. (Die doppelte Zeitachse erschwert die Erkennung dieser Phanomene, erleichtert aber die Differenzierung von Reizabhangigen Antworten von spontanen Potentialen). Literafur S. 44/45

42

J. A. G A N G L B E R G E R

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Reizantworten auf elektrische Reizung im Pallidum internum oder im Nc. ventro-oralis anterior bzw. posterior thalami (V.0.a bzw. V.0.p) trotz grosser Variabilitat bei Beantwortung des einzelnen Reizes ein sehr charakteristisches Verhalten zeigen. Bei entsprechenden Reizfolgen (4 und 8/sec) kommt es nach einem langen initialen Amplituden-Crescendo zu einem ‘waxing and waning’ der Amplituden, sodass eine Parallele zur ‘augmenting response’ des EEG bei Reizung spezifischer Thalamuskerne gegeben ist. (Bei der sogenannten ‘recruiting response’ ist dagegen das initiale Amplituden-Crescendo nur knapp 1 sec lang, das ‘recruiting’ ist dabei lediglich auf die langen Latenzen von 20-40 msec nach dem Einzelreiz in Folgen bezogen, wahrend bei der typischen ‘augmenting response’ die Latenzen nur 1-3 msec betragen.) Neben der theoretischen Bedeutung kommt der intraoperativen Elektromyographie auch eine praktische zu, da sich das EMG bei kapselnaher Elektrodenlage in den seltenen Fallen mit erschwerter Zielpunktberechnung als ein noch empfindlicherer Tndikator als die klinische Beobachtung des Reizeffektes erweist. Die schwebenden Fragen hoffen wir z.T. durch die Reizversuche verschiedener Bahnen innerhalb der inneren Kapsel mit Spezialelektroden, wie wir sie gegenwartig durchfuhren, zu klaren. SUMMARY EFFECTS O F DIENCEPHALIC STIMULATION I N M A N O N THE

EMG

Stereotaxic surgery in man made electrophysiological investigations possible which were restricted before to animal experiments. There exists no ethical problem since routine electrical stimulation of the target structures has to be carried out in order to confirm the correct electrode placement within the desired structure in the depth of the brain physiologically. Electromyographic records during stimulation of circumscribed diencephalic structures were taken by means of the 3-channel DISA-Electromyograph. Stimulation was performed by a DISA-Multistim or a neurosurgical Tonnies-Stimulator via groundfree transformers and a coaxial bipolar electrode with adjustable protruding core providing a pole distance of 3 to 7 (usually 7) mm and a diameter of 1.1 mm (core) respectively 1.5 mm (sheet). Both core and sheet are isolated except the tip for 2 respectively 0.5 mm. From these data conclusions can be drawn as to the diameter of the resulting current loops. After interrupted recording with high sweep velocity for the purpose of measuring latencies with single or paired rectangular pulses of 0.5 or 1 msecduration and different delays of the test shock, routine stimulation is continuously recorded with different frequencies (1, 4, 8, 25 and 50/sec) and strength of stimulus. This paper concerns only stimulation of pallidurn internum and of Nc. ventrooralis anterior respectively posterior thalami (V.0.a or V.0.p of Hassler, equal to basal portion of VL only). Two different basic effects of stimulation are observed: (a) evocation or alteration of pathological activity without any direct muscular responses, (b) combined with direct muscular responses. The first type is seen with weak stimuli, the second type with stronger ones.

REIZUNGEN IM ZWISCHENHIRN

43

With 8/sec more than with 4/sec stimulation an initial slow crescendo-build up of amplitudes is observed followed by some waxing and waning. There is a parallel to the so-called augmenting response in the EEG on stimulation of specific thalamic nuclei. With weak stimuli the response to single shocks within sequences is a facultative one. The response consists of a bi- or triphasic muscle action potential (MAP). Stronger stimuli may provoke single or complex responses. Strong stimuli usually elicit complex responses with two or three subsequent MAPS (different conduction rate of different fibres). The variability of responses is greatest with weak stimuli. On 4-8/sec stimulation there appears to be in only some of the cases a dependency of the excitability of the motoneurons on the tremor cycle. Much more frequently a change of excitability in the order of about one second is seen, alternating reciprocally like tremor action. Pathological activity present at rest may be driven by weak stimuli of 4 or 8/sec after occasional initial arrest. Stronger stimuli may drive the tremor rhythm or not, but there is never a perfect synchronization of tremor action with stimulus rate, although the irregularity of tremor is diminished (the so-called tremor rhythm is never truly rhythmical but only nearly rhythmic, as pointed out by the important work of Jung more than two decades ago). Higher stimulus rates (25 or 50/sec) produce mostly initial arrest of tremor followed by activation and acceleration of tremor. Near-capsular placement of electrode causes a definite change of the response character. The amplitude modulation of the response is much less pronounced. The lesser the amplitude modulation, the closer the motor pathways of the internal capsule, as experience showed. In the extreme vicinity of the capsula interna already very weak stimuli of 50/sec produce a typical tetanic reaction, which may be observed clinically too with a little more stimulus strength. In such cases (with a difficult determination of target structures) the EMG has proved to be more sensitive than clinical observation of stimulus effects showed alone. It has established its practical value in stereotaxic brain surgery in man, for undesired side-effects may be avoided if the warning of the EMG is obeyed. Clinically capsular responses are characterized by uniform violent muscular jerks in eccordance with the nearly missing amplitude modulation in the EMG, whereas responses from pallidum internum or oral ventral thalamic nuclei show a great variability in direction and amplitude of movement just as in the EMG. The threshold of the arm flexors is usually lower than the threshold of the arm extensors and vice versa on the lower extremities. The latencies are surprisingly short, so that the question arises which neuron systems are stimulated in fact by the electrode placed into the pallidum internum or V.0.a respectively V.0.p. Three possibilities have to be considered in the discussion : ( I ) According to the anatomical structure afferent neuron systems of the motor cortex (Hassler, 1949) are stimulated only. L iteratur S. 44/45

44

J. A. G A N G L B E R G E R

(2) Ascending and descending neuron systems (afferent and efferent systems of the motor cortex) are stimulated simultaneously. (3) Descending motor pathways of the internal capsule are stimulated only. Possibility ( I ) , stimulation of afferent systems of motor cortex only, is favoured by the first basic type of stimulation effect, in response to weak stimuli, without any detectable direct muscular responses of constant latency, in spite of evocation or definitive change of pathological activity (e.g. tremor). Against (3) speaks the fact of the distinctly different type of response in case of close vicinity to the internal capsule and the absolutely different response to direct circumscribed uni- and bipolar stimulation of different capsular pathways with special electrodes, which we are doing now. Possibility (2) is favoured in our opinion by the fairly big pole distance of our usual bipolar stimulating electrode and the consequently resulting quite large current loops. In that event one could imagine that the excitation ascending to the cortex and then descending to the anterior horn apparatus produces some tonic changes influencing thereby the excitability to direct descending impulses. But this remains still in doubt, although we expect to answer some of the pending questions from the results obtained from direct bi- and unipolar stimulation of different pathways of the internal capsule with special electrodes. LITERATUR ALBE-FESSARD, D., UND ARFEL,G., zitiert nach GUIOTet al. GANGLBERGER, J. A,, (1955); Characteristics of a specific form of photo-myoclonic-response (PMR). Elec t roenceph . clin . Neurophysiol., 7,659. GANGLBERGER, J. A., (1959); Charakteristika und Bedeutung der ‘spontanen’ Photo-MyoklonusRespons (PMR). Wien. Z . Nervenheilk., XVI (3), 212-242. GANGLBERGER, J. A,, (1962); Intraoperative Elektromyographie als eine zusatzliche Kontrolle hei der stereotaktischen Operation. Neurochirurgentagung Bad Ischl, Sept. 1962. GUIOT,G., ALBE-FESSARD, D., ARFEL,G., HERTZOG,E., VOURC’H,G., HARDY,J., DEROME, P., U N D ALBONARD, P., (1962); Interpretation des effets de la stimulation du thalamus de I’homrne par chocs isolCs. C. R . Acad. Sci. (Paris), 254, 3581-3583. Seance du 14 Mai 1962. HASSLER, R., (1949); uber die afferenten Bahnen und Thalamuskerne des motorischen Systems des Grosshirns. I und 11. Arch. Psychiat. Nervenkr., 182,757-785, 786-818. HASSLER, R.,(1 959); Anatomie des Thalamus. Einfiihrung in die stereotaktischen Operationen mit einem Atlas des menschlichen Gehirns. G . SCHALTENBRAND und P. BAILEY,Editors. Stuttgart. G. Thieme (Bd. I, 230-290). HASSLER, R., (1961); Motorische und sensible Effekte umschriebener Reizungen und Ausschaltungen im menschlichen Zwischenhirn. Dtsch. Z . Nervenheilk., 183, 148-171. HASSLER, R., UND RIECHERT, T., (1953); Die Methodik der gezielten Hirnoperationen. Dtsch. Neurologenkongress Hamburg, Sept. 1952. Zhl. ges. Neurol. Psychiat., 122,26. HASSLER, R., UND RIECHFRT, T., (1961); Wirkungen der Reizungen und Koagulationen in den Stammganglien bei stereotaktischen Hirnoperationen. Nervenarzf, 32,97-109. HASSLER, R., RIECHERT, T., MUNDINGER, F., UMBACH, W., U N D GANGLBERGER, J. A., (1960); Physiological observations in stereotaxic operations in extrapyramidal motor disturbances. Brain, 83, 337-350. JUNG,R., (1941); Physiologische Untersuchungen uber den Parkinson-Tremor und andere Zitterformen beim Menschen. Z . ges. Neurol. Psychiat., 173,263-332. RIECHERT, T., UND MUNDINGER, F., (1 955); Beschreibung und Anwendung eines Zielgerates fur stereotaktische Hirnoperationen (11. Modell). Acta neurochir. ( Wien), Suppl. 111, 308-337. C . W., UND THULIN,C. A., (1962); personliche Mitteilung. SEM-JACOBSEN, STRUPPLER, A., UND STRUPPLER, E., (1 962); Veranderungen der Motoneuronenaktivitat auf elektri-

REIZUNGEN IM ZWISCHENHIRN

45

schen Reiz eines Thalamuskernes (V.0.a) wahrend stereotaktischer Parkinson-Operationen. Arch. Psychiat, Nervenkr., 203, 483499. UMBACH,W., (1961); Cortical responses to subcortical stimulations of the diffuse projecting system in 662 stereotaxic operations in man. V. Int. Congr. Electroenceph. clin. Neurophysiol., Rome, Sept. 1941. Excerpta med., Int. Congr. Series No. 31. UMBACH,W., (1961); Elektrophysiologische und klinische Registrierungen wahrend 1280 stereotaktischen Operationen am Menschen. 11. Int. Congr. Neurol. Surgery, Washington, D.C., Oct. 1961. Excerpta med., Int. Congv. Series No. 36.

46

Elektrophysiologische und Vegetative Ef fekte bei Stereotaktischer Reizung und Ausschaltung im Menschlichen Hirn W. U M B A C H Neurochirurgische Universitats-Klinik, FreiburglBreisgau (Deutschland)

Stereotaktische Eingriffe beim Menschen dienen ausschliesslich der Ausschaltung bestimmter intracerebraler Kern- und Fasersysteme mit dem Ziel, neurologische Fehlfunktionen zu bessern oder zu heilen. Uber die Technik (Riechert und Mundinger, 1955) und die Indikation (Hassler und Riechert, 1954) sol1hier nicht gesprochen werden, sie wurde fruher bereits veroffentlicht; uber EEG-verglejche (Ganglberger, 1961) vor und nach der Operation und das E M G (Ganglberger und Brunzema, 1962) wurde von Ganglberger berichtet. Wahrend der stereotaktischen Operation leiten wir seit iiber 10 Jahren die cortikalen und subcortikalen Hirnstrome vor, wahrend und nach dem Eingriff ab (Riechert und Umbach, 1955). Wir registrieren - neben den klinischen (Hassler und Riechert, 1961) - auch die elektrobiologischen Effekte verschiedener Reizparameter (Hassler et al., 1960; Umbach, 1957, 1961). Damit haben wir einmal eine zusatzliche Sicherung des richtigen Elektrodensitzes und gleichzeitig die Moglichkeit, die elektrophysiologische Grundsteuerung des Hirnes durch das EEG sowie die vegetativen Zustandsanderungen auf Reiz und nach der Ausschaltung umschriebener Hirnregionen polygraphisch zu verfolgen (Umbach, 196I). D a diese Untersuchungen am wachen Patienten und unter nahezu physiologischen Verhaltnissen vorgenommen werden, gewinnen wir einen Einblick in die menschliche Hirnphysiologie und in die zentrale Steuerung des vegetativen Gleichgewichts. Wahrend uber 1800 stereotaktischen Eingriffen wurden iiber 1200 EEG-Untersuchungen wahrend und noch mehr Kontrollen vor und nach dem stereotaktischen Eingriff durchgefiihrt.DieTiefenableitungendesHirnstrombildes erfolgen wir mit Mehrfachelektroden und iiber dem Cortex mit Skalp-Elektroden ;polygraphisch registrieren wir unter anderem Atmung, Herzaktion, Blutdruck, 02-Bilanz, Hautwiderstand und Temperaturanderungen. Das subcortikale EEG (193 Falle in Achtfachableitung, Elektrodenstarke 50-1 00 p, Abstande 2-6 mm) zeigt ganz allgemein (Umbach, 1961), dass unterhalb der Hirnrinde niedrigere Amplituden und vorwiegend raschere Entladungen von etwa 14-22Isec als auf dem Cortex vorherrschen. Dies gilt vor allem fur die Capsula interna und fur das Pallidum. Im Caudatum dagegen uberwiegen Ablaufe von 6-8/sec. Einen sehr hohen Energiewechsel und besonders rasche Potentiale findet man in den Kernstrukturen

STEREOTAKTISCHE REIZUNG U N D AUSSCHALTUNG

47

des rhinencephalen Systems (Ammonshorn, Amygdalum). Die weisse Hirnsubstanz hat ein flaches, polymorphes EEG. Ein gesetzmassig korreliertes Hirnstrombild oder eine alternierende Steuerung zwischen Cortex und subcortikalen Strukturen Iasst sich nicht nachweisen. Eine elektrobiologische Lokalisation der Elektroden allein an Hand spezifischer Wellenablaufe ist deshalb nicht moglich. Dagegen gibt uns die Reizphysiologie bestimmte Anhalte. Leiten wir bei Eingriffen gegen schwerste Schmerzzustande mit Mehrfach-Tiefenelektroden im spezifischen Schmerzkern (V.C.pc.) des Thalamus ab und setzen einen peripheren Reiz, etwa im schmerzhaften Amputationsstumpf, so finden sich evoked potentials mit einer Latenzzeit von 4-15 msec nur in einem eng umschriebenen Bezirk. Ein Beispiel fur diese scharfen, z.T. doppelgipfligen Primarpotentiale gibt die Fig. 1, Abschnitt a ; nur in Stimulation N.ventrocaud.pc. dex t. (2rnrn Abstand, stirnul. Punkte 50jd Nadelstich (Stumpf)

4 'kt

nJ I' W

th 417-1177hoher

"

a

bipolares Skalp E E C , postzentral

dext.

bipolares Skalp EEG

30 Skt

20 Skt

,"-I

5OP

Sek

Phantomschmerz im linken Arm

b

Fig. 1. Stereotaktische Ausschaltung im Nucleus ventrocaud. parvicell. rechts bei Phantomschmerz im linken Arm: (a) Tiefenableitung (Zeile 1-3); hautableitung postzentral rechts (Zeile 4); auf Nadelstich im Amputationsstumpf treten evoked potentials in Form eines Doppelspike nur am Zielpunkt, 2 und 4 mm hoher und uber dem Skalp nur unspezifische langsame Entladungen auf. (b) Elektrische Einzelreize im Zielpunkt fuhren zu doppelseitigen langsamen Entladungen (cortical responses) uber beiden postzentralen Hautableitungen, 8/sec-Reize zu recruiting-ahnlichen Entladungen uber der gleichen Schadelhalfte.

+

der 3. Ableitung finden sich diese spezifische Potentiale, 2 4 mm hoher sind in der Tiefenableitung nur langsame Miterregungen zu beobachten. Damit wissen wir, dass die Elektrode im richtigen Abschnitt des Tiefenpunktes sitzt, die spatere Ausschaltung also den Schmerz mit grosster Wahrscheinlichkeit beseitigt. Bei umschriebener elektrischer Reizung im Tiefenpunkt konnen wir indessen - im Gegensatz zum Tierexperiment - nur selten scharfe Primarpotentiale iiber der Hirnoberflache nachweisen. Da wir uns streng auf den therapeutischen Eingriff beim Literatur S. 55

48

W. U M B A C H

Menschen beschranken, leiten wir nicht uber dem Cortex direkt, sondern nur von der Haut ab, die raschen Potentiale werden meist durch die bedeckenden Schichten ausgefiltert. Treten jedoch scharfe Potentiale uber dem Skalp auf, so andern sie bei Variation der Reizstarke und Reizfolge weder ihre Form noch ihre Latenz, ganz im Unterschied zu den Antworten im mitgereizten unspezifischen Aktivierungssystem. Im Abschnitt b der Fig. 1 treten auf Einzelreize mit verschiedener Starke langsame Nachschwankungen und bei 8lsec-Reizen recruiting-Potentiale verstarkt iiber der gleichseitigen Postzentralregion auf. Die unspezifischen Erregungsantworten fanden wir noch vie1 deutlicher bei Reiz in den Kernen des extrapyramidalen Systems, vor allem im vorderen Teil des Thalamus (V.0.a.). Berechnet auf eine Gesamtzahl von iiber 900 Ableitungen, fanden wir diese cortical responses bei Einzelreizen im Nucleus ventralis oralis in 68.8 % iiber dem Cortex. Bei Reiz im Pallidum dagegen kommt es nur in 5.5 zu derartigen Potentialen. Diese Reizantworten haben wir ausgemessen und statistisch berechnet, doch verzichte ich im Kurzreferat auf eine detaillierte Besprechung (Umbach, 1961). Als informatorisches Beispiel zeigt die Fig. 2 CortexabStimulation K0.a. r e vor Koagulatiw, nach Koagulation

8/sec 40 Cortex unipolar

Parkinson

Fig. 2. Reir im Nucleus ventr.ord1.ant.rechts bei Pdrkinson,Skalpableitungfrontal(rechts:Zeile 1 und links: Zeile 2) und praezentral (Zeile 3 und 4). Linke Halfte: 1 -1 8/sec-Reize vor, rechte Hllfte nach der Koagulation. Einzelreize vor der Ausschaltung erzeugen eine cortical response mit relativ scharfer und folgender langsamer Entladung auf der Reizseite (naheres siehe Text), nach der Ausschaltung nur noch eine langsame Antwort. 8/sec-Reize fuhren zu gleichseitigen recruiting-ahnlichen Potentialen, nach der Ausschaltung sind sic nicht mehr auszulosen.

STEREOTAKTISCHE R E I Z U N G UND AUSSCHALTUNG

49

leitungen frontal und praezentral mit I/sec- und 8/sec-Reizen, auf der linken Halfte vor und auf der rechten nach der Koagulation des oralen Ventralkernes. Reizpunkt und Reizstarke sind in jedem Falle gleich. Es kommt nach jedem Einzelreiz, unterschiedlich je nach Reizstarke, zu einem relativ scharfen Potential mit einem Spitzenwert von 15-25 msec auf der Reizseite und einer grossen (1 50-200 pV) biphasischen Entladung, Gesamtdauer etwa 300 msec; bei hoherer Reizstarke wird auch die Gegenseite miterregt, die Latenzen sind hier Ianger, die Reizantwort schwacher. Es handelt sich einmal um Erregungsfortleitungen iiber die Rinden-Projektionen des Kernes im sogenannten ‘augmenting system’ und eine Miterregung unspezifischer Projektionssysteme, dem sogenannten ‘recruiting system’. Kettenformige Reize von 4 und 8/sec zeigen ein Increment, d.h. eine Verstarkung der Reizantwort, ahnlich den recruiting potentials im Tierexperiment. Was berechtigt uns zur Annahme, dass die in Form und Latenz differenten Erregungsantworten verschieden projizierenden Fasersystemen zwischen Basalganglien und Cortex angehoren? Dies zeigt einmal die jeweils kiirzeste Latenz und die grosste Amplitude iiber der Praezentralregion bei Reizen im extrapyramidalen System und der Vergleich der Reizeffekte vor und nach der Koagulation.

KO.i. B/Stk/lO vor Koagulation

d 5OP 1 Sek

”

0.Choreo-Athetose

Fig. 3. Registrierung im Caudatum (bipolar, Abstand jeweils 2 mm) bei 8/sec-Reiz im Nucleus ventr. oral. intern. thalami rechts. Vor der Ausschaltung (oberer Abschnitt) recruiting-ahnliche Potentiale verschiedener Auspragung in den Caudatum-Anteilen, nach der Koagulation keine recruitings mehr.

Im rechten Abschnitt der Fig. 2 - d.h. nach Elektrokoagulation - erzeugen I/secReize im gleichen Punkt und mit gleicher Reizstarke keine doppelgipfligen, vor allem keine raschen Entladungen mehr, sondern nur noch eine langsame hypersynchrone Lireratur S. 55

50 W. U M B A C H

STEREOTAKTISCHE R E I Z U N G U N D A U S S C H A L T U N G

51

Reizantwort als Zeichen der diffusen Miterregung. Bei 8/sec-Reizen kommt es nichr mehr zu den halbseitigen Recruiting-Potentialen. Den unterbrochenen Ringschluss Thalamus-Cortex-Caudatum zeigt die Fig. 3: Reize des V.0.i. thalami losen im Caudatum recruiting aus (oberer Abschnitt), nach der Koagulation - unterer Abschnitt - ist keine recruiting-Antwort mehr zu erhalten. Die Synchronisierung des EEG, d.h. langsame grosse Wellen, zeigt eine klinische Aktivitatsminderung an, einer Abflachung und Beschleunigung des Grundrhythmus, der sogenannten Desynchronisation, entspricht eine klinische Aufmerksamkeitssteigerung. Dies liess sich im Tierexperiment zeigen. Es ist vielleicht von Interesse, dass die Verhaltnisse beim Menschen nicht so einfach sind. Trotz der haufig nachweisbaren Synchronisierung bei niederfrequenten Reizen (4-8/sec) war eine Verminderung der Aufmerksamkeit oder ein Einschlafen nur selten zu beobachten, am ehesten noch be; Reizen im Rhincncephalon und einige Male im Pallidum. Umgekehrt waren klinische Weckeffekte mit hoherfrequenten Reizen sehr haufig, Desynchronisationen als elektrophysiologisches Korrelat dagegen nur selten (Jung, 1954). Diese Beobachtung leitet iiber zu den klinischen Effekten (Hassler, 1961 ;Hassler et al., 1960). Zu ihrer Objektivierung dient uns die polygraphische Registrierung akuter Umstimmungen und bleibender Anderungen des vegetativen Gleichgewichts auf Reiz und auf Ausschaltung. Diese Kontrollen iiber die zentrale vegetative Steuerung des menschlichen Organismus sollen die tierexperimentellen Verhaltensforschungen von Hess (1957) und anderen erganzen und erweitern. Hierzu ein praktisches Beispiel (Fig. 4). Wir schalteten in 27 Fallen den Fornix - eine Effektorbahn im rhinencephalen System - aus, um die temporale Epilepsie zu bessern (Umbach und Riechert, 1959). Die temporalen Anfalle gehen bekanntlich mit vegetativen Storungen, Automatismen und Bewusstseinseinschrankungen einher. Wahrend der leichten hochfrequenten Reizung im Fornix entwickelt sich ein typischer rein subcortikaler Krampfablauf (Zeile 4-10). Die drei Ableitungen von der Haut (Zeile 1-3) zeigen bis auf Zwinkerartefakte einen normalen Wellenablauf. Wahrend des Reizes kommt es, wie in der letzten Zeile zu sehen, zu einer Tachypnoe fur die Dauer des Reizes. Wahrend des Anfallsablaufes besteht einc

Fig. 5. Reize mit verschiedener Frequenz und Dauer (siehe Zeile l), Atrnungsregistrierung(Zeile 2) und Blutdruckrnessung(Zeile 3) irn Nucleus ventr.oral.ant. bei Parkinson. 25 T SO/sec-Reizeerzeugen jeweils kurzdauernde Atmungsblockaden, RR-Abfall und leichte Tachycardie; ein langer 5O/secReiz erzeugt ein Uberdauern des Atmungsstops und gleichzeitig Mydriasis. Liferutur

S.55

52

W. U M B A C H

Reiz. 25/s 40 Skt -4

A trn ung

rnm Hg

140 1001

60 Zeif in sec , , I , , -

Stereo takf.Fornicofomie (Ternporalepilepsie, d, 36J.l Fig. 6 . Reiz im Fornix bei ternporaler Epilepsie. 25/sec-Reiz (Zeile 2) erzeugt eine tiefe Inspiration (Zeile 3), eine RR-Steigerung und eine Tachycardie (Zeile 4).

Injektion von 0.069 Sympatol i.v/min mm Hg

t df P

-c

4.57 29 0.01

160 IS0 -

130- i 120- ;

.I...--.-

110I""

1 . -

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.......

. -____. -._

%

~

InJektlOn von 0.025rng Adrenalin iv/min t df

P

--