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Entwicklung des ZNS, Neurocraniums und Viscerocraniums

Die Entwicklung von ZNS, Neuro- und Viscerocranium umfassen mehrere komplexe Prozesse, die gleichzeitig ablaufen, um eine korrekte Organentwicklung zu erreichen. Die ZNS-Entwicklung beginnt mit der Neurulation, aus der Neuralrohr- und Neuralleistenzellen enstehen. Diese bilden das spätere zentrale und periphere Nervensystem. Am Ende des cranialen Ende des Neuralrohrs entstehen 3 primäre Hirnbläschen, Prosencephalon, Mesencephalon und Rhombencephalon, welche sich zu den cranialen Anteilen des ZNS und dem Liquorsystem entwickeln. Das Neurocranium bezeichnet alle knöchernen Anteile des Schädeldachs und der Schädelbasis. Das Schädeldach entsteht aus 5 Knochenkernen, welche aufeinander zuwachsen und dabei Fontanellen und Suturen bilden. Ab der 4. Woche beginnt sich auch das Gesicht zu entwickeln. Durch die Bildung von frontonasalen, medialen, lateralen und mandibulären Wülsten können ab der 14. Woche erkennbare Gesichtszüge beobachtet werden. Diese komplexen Entwicklungsprozesse können gestört sein und zu einer Vielzahl von Pathologien führen, welche früh erkannt und wenn möglich zeitgerecht behandelt werden sollten, um eine weitere Entwicklung des Neugeborenen zu ermöglichen.

Aktualisiert: Sep 12, 2022

Entwicklung des ZNS: Neurulation und Neuralleistenmigration

Die Entwicklung des Gehirns ist ein spezifischer Teil der Gastrulation, der als Neurulation bezeichnet wird und die Zellen des Nervensystems bildet.

Neurulation

Tag 16 nach der Befruchtung → Embryonalzellen gehören zu 1 von 3 Keimzellschichten:

  • Ektoderm
    • Differenziert in das Neuroektoderm, wodurch die Neuralplatte entsteht
    • Die Zellreplikation in der Neuralplatte führt zu 2 Leisten (Neuralleisten).
    • Die Vertiefung zwischen den Kämmen wird als Neuralfalte bezeichnet.
  • Mesoderm
    • Differenziert und transformiert in eine Röhrenstruktur, die als Chorda dorsalis bezeichnet wird.
    • Die Chorda dorsalis signalisiert der Neuralfalte, sich auf beiden Seiten der Neuralfurche zu vergrößern, wodurch das Neuralrohr entsteht.
  • Endoderm
Neurulation korrigiert

Neurulation: die Differenzierung und das Wachstum der Neuralplatte in das Neuralrohr während des ersten Trimesters der Schwangerschaft

Bild von Lecturio.

Neuralleistenzellmigration

Neuroektodermzellen wandern in Wellen von den Neuralleisten aus, um Strukturen des peripheren Nervensystems zu bilden:

  • Die 1. Migrationswelle schafft:
    • Sympathische Ganglien
    • Parasympathische Ganglien
    • Chromaffine Zellen (sympathische Ganglien, die in das Nebennierenmark eingewandert sind)
  • Die 2. Migrationswelle schafft:
    • Hintere Wurzelganglien
    • Schwann-Zellen
    • Satellitenzellen
  • Die 3. Migrationswelle schafft:
    • Melanozyten
  • Auch Neuralleistenzellen im Kopf-Hals-Bereich bilden unterschiedliche Strukturen:
    • Bilden sekundäre Ganglien der Hirnnerven V, VII, IX und X
    • Wandern in die Kiemenbögen von Kopf, Hals und Gesicht, um Mesenchym zu bilden, das zu Knochen und Bindegewebe beiträgt

Eselsbrücke

  • Um sich schnell zu erinnern, wo sich Oligodendrozyten und Schwann-Zellen befinden, denke daran: COPS: CNS = OLigodendrozyten; PNS = Schwannzellen.

Neuralrohr

Primärvesikel

Das Neuralrohr entwickelt am kranialen Ende 3 Ausbuchtungen (primäre Hirnbläschen):

  1. Prosencephalon (Vorderhirn) spaltet sich, was zu Folgendem führt:
    • Telencephalon, wird zur Großhirnrinde; dieser Teil des Neuralkanals wird zu den Seitenventrikeln und dem 3. Ventrikel.
    • Diencephalon, wird zu Thalamus, Hypothalamus, und Glandula pinealis
  2. Mesencephalon (Mittelhirn): enthält auch das cerebrale Aquädukt
  3. Rhombencephalon (Hinterhirn) teilt sich in:
    • Metencephalon, wird zu Pons und Kleinhirn
    • Myelencephalon, wird zu Medulla oblongata
    • Der Rest des Neuralkanals um das Metencephalon und Myelencephalon bildet den 4. Ventrikel.

Kreislauf des Liquor cerebrospinalis

  • Ependymzellen:
    • Auskleiden des Zentralkanals und des Kerns des Neuralrohrs
    • Im Seiten-, 3. und 4. Ventrikel werden Ependymzellen zum Plexus choroideus.
  • Plexus choroideus: filtert Blut und gibt Liquor in das ventrikuläre System ab
Tabelle: Stadien der Embryonalentwicklung
Neuralrohr Primäres Vesikelstadium Sekundäres Vesikelstadium Erwachsene Strukturen Ventrikel
Anteriores Neuralrohr Prosencephalon Telencephalon Großhirn Seitenventrikel
Anteriores Neuralrohr Prosencephalon Diencephalon Diencephalon 3. Ventrikel
Anteriores Neuralrohr Mesencephalon Mesencephalon Mittelhirn Cerebraler Aquädukt
Anteriores Neuralrohr Rhombencephalon Metencephalon Pons, Kleinhirn 4. Ventrikel
Anteriores Neuralrohr Rhombencephalon Myelenzephalon Medulla oblongata 4. Ventrikel

Flexion des Neuralrohrs

Das Neuralrohr entwickelt eine Reihe von Beugungen in der Sagittalebene:

  • Im 3-Vesikel-Stadium:
    • Beugung der Halswirbelsäule (Zervikale Flexur): zwischen Rückenmark und Rhombencephalon
    • Beugung des Schädels (Cephale Flexur): zwischen Prosencephalon und Mesencephalon
  • Im weiteren Verlauf des Neuralrohrs: Pontine Beugung (zwischen Myelenzephalon und Metencephalon)

Entwicklung des Rückenmarks und des Hirnstamms

Wirbelsäule

Während der Kopfbereich des Neuralrohrs zum Gehirn wird, wird der Rest zum Rückenmark.

  • Proliferation von Neuroepithelzellen
    • Durch Druck nach außen entstehen Intermediär- und Marginalzonen.
    • Marginalzone: kommt in Kontakt mit sklerotomalem Mesenchym, das die Hirnhäute bildet
    • Intermediär- und Marginalzonen füllen den Raum innerhalb des Neuralkanals.
    • Die Zellen in den Intermediär- und Marginalzonen differenzieren sich zu Neuronen.
  • Das neuroepitheliale Gewebe der Wirbelsäule hat eine regionale Spezialisierung:
    • Flügelplatte (sensorisch) :
      • Axone erstrecken sich bis zum Gehirn.
      • Neurone in Spinalganglien (ursprünglich aus Neuralleistenzellen) erstrecken sich bis zur Haut und zurück zur Flügelplatte.
    • Basalplatte (motorisch) : Neurone innervieren das Myotom
    • Sulcus limitans: trennt Flügelplatte von der Basalplatte
  • Ober- und Unterseite des Neuralrohrs werden durch die Dach- und Bodenplatte verschlossen.
  • Zentraler Kanal im Kern des Neuralrohrs: von Ependymzellen ausgekleidet
  • Das Rückenmark füllt die knöcherne Wirbelsäule während der Entwicklung des Fötus.
    • Woche 8: Das Rückenmark erstreckt sich über die gesamte Länge der Wirbelsäule.
    • Unteres Ende erreicht:
      • L3-Niveau bei der Geburt
      • L1-Niveau im Erwachsenenalter
    • Spinale Nervenwurzeln, die unterhalb von L1L3 austreten, bilden die Cauda equina.
    • Conus medullaris: spitz zulaufendes Ende des Rückenmarks
    • Filum terminale: verbindet Conus medullaris mit dem Os coccygeum

Hirnstamm

Der Hirnstamm ähnelt in seiner embryologischen Organisation dem Rückenmark. Aus der Basalplatte entstehen motorische Kerne, während aus der Flügelplatte sensorische Kerne entstehen.

  • Kaudaler Hirnstamm
    • Sinneskerne liegen dorsal.
    • Motorische Kerne liegen ventral.
  • Kranialer Hirnstamm
    • Dachplatte ist mehr geöffnet („offenes Buch“-Optik).
    • Die Basalplatte liegt weiter medial.
    • Die Flügelplatte befindet sich seitlicher.
    • Einige sensorische Neurone wandern nach anterior, um später in der Entwicklung den Nucleus olivaris (Olivenkern) zu bilden.
  • Pons
    • Die Flügelplatte wandert, um einen Punkt vor der Basalplatte einzunehmen, und beteiligt sich an der Entstehung der pontinen Kerne.
    • Die Basalplatte ist jetzt weiter posterior, bringt aber immer noch alle motorischen Kerne hervor.
    • Das Kleinhirn entwickelt sich direkt hinter dem Pons aus Neuroepithelzellen.

Entwicklung der Großhirnrinde

Der Kortex entwickelt sich aus dem Telencephalon.

  • Der Neuralkanal auf dieser Ebene entwickelt sich zum linken und rechten Ventrikel.
  • Interventrikuläres Foramen: verbindet die Seitenventrikel mit dem 3. Ventrikel
  • Die Entwicklung der Gehirnlappen erfolgt von den Ventrikeln nach außen:
    • Neuronenvorläuferzellen in der Nähe der Ventrikel replizieren schnell.
    • Gliazellen verlängern radiale Ausläufer, um einen Weg für die Neuronen bereitzustellen.
    • Neuroepithelzellen wandern nach lateral, passieren die subventrikuläre Zone → Intermediärzone → Kortikalis → Randzone
    • Unterschiedliche Arten von Neuronen stoppen an unterschiedlichen Punkten, wodurch spezialisierte Schichten entstehen.
  • 6 Monate: Formation von deutlichen Lappen
  • Corpus callosum:
    • Wird definierter, wenn Neuronen von einem Kortex zum anderen wandern
    • Nervenstruktur, die es einer Seite des Gehirns ermöglicht, mit der anderen Seite zu kommunizieren
  • Gyri und Sulci sind bis kurz vor der Geburt nicht erkennbar.
  • 9 Monate: Das Gehirn sieht aus wie eine kleinere Version des erwachsenen Gehirns.

Entwicklung des Neurocraniums

Das Neurocranium besteht aus Calvaria (Schädeldach) und Basis cranii (Schädelbasis).

  • Teile des knöchernen Schädels entstehen durch chondrale Ossifikation = Chondrocranium.
  • Teile des knöchernen Schädels entstehen durch desmale Ossifikation = Desmocranium.

Die Calvaria entwickelt sich aus 5 Knochenkernen:

  • Os frontale (2 Knochenkerne)
  • Ossa parietalia (jeweils ein Knochenkern)
  • Os occipitale
  • Teil des ersten Kiemenbogens (bildet die spätere Squama des Os temporale)

Fontanellen und Suturen

Beim Zusammentreffen zweier Knochen ensteht eine Sutur, bei mehr als zwei Knochen eine Fontanelle.

Auf dem Schädeldach sind sechs Fontanellen zu finden, darunter zwei unpaare Hauptfontanellen und vier kleinere, paarige Fontanellen. Die beiden Hauptfontanellen sind:

  • Fonticulus anterior (Große Fontanelle): rautenförmige Fontanelle an der Stirn, welche im 2. Lebensjahr verknöchert. Die Seiten der Raute werden von den zwei Ossa parietalia und dem zu Beginn paarigen Os frontale gebildet.
  • Fonticulus posterior (Kleine Fontanelle): dreieckige Fontanelle am Hinterhaupt, welche im 3. Monat verschlossen wird. Die drei Seiten werden von den hinteren Anteilen der Ossa parietalia und dem Os occipitale gebildet.

Die kleineren Fontanellen sind:

  • Fonticulus anterolateralis (vordere Seitenfontanelle): paarig, Begrenzung durch das Os parietale, Os frontale, Os temporale und die Ala major des Os spheonoidale und Verknöcherung im 6. Monat
  • Fonticulus posterolateralis (hintere Seitenfontanelle): paarig, Begrenzung durch das Os parietale, Os temporale und Os occipitale begrenzt und Verknöcherung im 18. Monat

Das Vorhandensein der Fontanellen erlaubt dem Schädel, sich bei der Geburt zu verformen und dem Geburtskanal anzupassen. 

Suturen erlauben es dem Schädel ebenfalls, sich bei der Geburt zu verformen. Die drei wichtigsten sind die: 

  • Sutura sagittalis (Pfeilnaht): Verbindung von Fonticulus anterior mit dem Fonticulus posterior und Verknöcherung im 20. bis 30. Lebensjahr
  • Sutura coronalis (Kranznaht): Verbindung von Fonticulus anterior nach links und rechts mit dem Fonticulus anterolateralis und Verknöcherung im 30. bis 40. Lebensjahr
  • Sutura lambdoidea (Lambdanaht): Verbindung von Fonticulus posterior nach links und rechts mit dem Fonticulus posterolateralis und Verknöcherung im 40. bis 50. Lebensjahr

Entwicklung des Viscerocraniums und des Gesichts

Entwicklung des Viscerocraniums

Der Großteil der Knochen des Viscerocraniums entsteht durch desmale Ossifikation.

  •  Os frontale (desmale Ossifikation) zu Beginn paarig angelegt und verschmilzt erst im 2. Lebensjahr zu einem Knochen → Verknöcherung der Naht erst im 3. bis 8. Lebensjahr
  • Knochen der Nasenhöhle (mit Ausnahme der Concha nasalis inferior) durch desmale Ossifikation
  • Mandibula entsteht aus dem ventralen Teil des ventral im ersten Kiemenbogen gelegenen Meckel-Knorpels (Mandibulare); dorsal gelegen ist das Quadratum (welches sich zum Amboss umwandelt).
  • Maxilla entwickelt sich direkt aus dem Bindegewebe mit sechs Knochenkernen. 
  • Ossa zygomatica und Ossa palatina direkt aus Bindegewebe

Entwicklung des Gesichts

  • Ende der 4. Woche: 1. Gesichtsstrukturen sind erkennbar.
    • Zentral: Stomodeum (früher Mund)
    • Inferior: Unterkieferwulst
    • Lateral: 2 Oberkieferwülste
    • Superior: frontonasale Wulst (Stirnwulst) mit nasalen Plakoden
  • 5. Woche: Nasenplakoden vertiefen sich in Nasengruben, umgeben von Nasenvorsprüngen.
  • 6. und 7. Woche:
    • Unterkieferwülste verschmelzen → Kiefer wird gebildet.
    • Die Augen sind an der lateralen Seite des Gesichts sichtbar (da sich die frontonasale Wulst verengt, bewegen sich die Augen nach medial).
    • Formation einer Nasolacrimalen Grube: Verbindung zwischen frontonasaler Wulst und Oberkieferwulst → zukünftiger Ductus nasolacrimalis
    • Mediale Nasenwulst:
      • Fusion in der Mittellinie → inferiore Dehnung
      • Fusion mit der Oberkieferwulst → formen obere Lippe
    • Mediale und laterale Nasenwulst: Fusion mit der Oberkieferwulst → formen Wangen und obere Lippe
    • Frontonasale Wulst → wird zu Stirn, Nase und Philtrum
  • Oberkieferwulst → Wange
  • Unterkieferwulst → Unterkiefer und Bereich vor dem Ohr

Klinische Relevanz

Die folgenden Pathologien können als Folge von Fehlern in der Entwicklung von Gehirn, Rückenmark, Neurocranium und Gesicht auftreten:

  • Hydrozephalus: Blockade des Ventrikelsystems, die Schwellungen und Druck auf das Gehirn verursacht. Bei Erwachsenen ist der Schädel bereits entwickelt, sodass angesammelte Flüssigkeit auf das Gehirn drückt. Bei Neugeborenen nimmt der Kopfumfang stattdessen zu, da die Knochen noch nicht vollständig verknöchert sind. Kann angeboren sein und durch eine zerebrale Aquäduktstenose verursacht werden.
  • Fehlbildungen der hinteren Schädelgrube (Arnold-Chiari-Malformationen (CM)): Die Chiari-I-Fehlbildung ist eine angeborene Erkrankung, die mit ektopen Kleinhirntonsillen unterhalb des Foramen magnum einhergeht. Die Kinder sind in der Regel asymptomatisch. Die Chiari-II-Fehlbildung wird durch Herniation der Kleinhirntonsillen sowie des Vermis durch das Foramen magnum verursacht. Chiari II führt zu einem nicht-kommunizierenden Hydrozephalus.
  • Kraniosynostose: vorzeitige Verknöcherung von Schädelnähten. Damit wird das normale Wachstum des Schädels gestört und es kommt zu einer Kompensation, indem andere Bereiche verstärkt wachsen. Der Scaphocephalus (Kahnschädel) ist die häufigste Form der Kraniosynostosen. Es ist die Sutura sagittalis betroffen, wodurch ein Breitenwachstum des Schädels verhindert wird und dieser eine nach oben längliche Form annimmt, um dem Gehirn ausreichend Platz zu ermöglichen. Beim Turricephalus (Turmschädel) ist die Kranznaht von der vorzeitigen Verknöcherung betroffen. Dadurch wird das Längenwachstum gehindert und der Schädel wächst in die Höhe.
  • Frontonasale Dysplasie (Lippen-, Kiefer- und Gaumenspalte): Überaktivität des Sonic-Hedgehog-Proteins führt zu einer Ansammlung von übermäßigem Gewebe im Bereich der frontonasalen Wulst, was zu einer breiten Nase und weit auseinanderstehenden Augen (Hypertelorismus) führt. Diese Störung kann auch eine Nasenspalte und Spaltung von Kiefer und/oder Lippe in der Mittellinie verursachen, da die medialen Nasenwülste nicht verschmelzen.
  • Holoprosenzephalie: eine Störung, die durch eine verminderte Aktivität des Sonic-Hedgehog-Gens verursacht wird und zu einer Verengung des Gesichts führt. Schwerere Fälle umfassen eine fehlende Trennung der rechten und linken Großhirnrinde sowie Zyklopie.
  • Neuralrohrdefekte: Eine der häufigsten angeborenen ZNS-Fehlbildungen. Die Defekte entwickeln sich zwischen der 3. und 4. Schwangerschaftswoche und werden oft durch einen Folsäuremangel verursacht. Der Mangel führt beim Embryo zu einem unsachgemäßen Verschluss der Neuralplatte, hauptsächlich an den kaudalen oder kranialen Enden, was zu einer Anenzephalie führt.

Quellen

  1. Sadler, T. W. (2014). Langman’ Medical Embryology.
  2. Lindsay M. Biga et al. Anatomy & Physiology. Zugriff am 21. Oktober 2020, von https://open.oregonstate.education/aandp/ 
  3. Fishman MA. Hydrocephalus. (1978). In: Neurological Pathophysiology, Eliasson SG, Prensky AL, Hardin WB (Eds), Oxford, New York.
  4. Arnold WH, Meiselbach V. (2009). 3-D reconstruction of a human fetus with combined holoprosencephaly and cyclopia. Head Face Med. doi: 10.1186/1746-160X-5-14.
  5. Shkoukani MA, Chen M, Vong A. (2013). Cleft lip – a comprehensive review. Front Pediatrics. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3873527/
  6. Moore: Embryologie – 6. Auflage (2013), Seiten 219 – 235
  7. Langman´s Medical Embryology – 12th Edition (2001), Seiten 275 – 283
  8. Waldeyer: Anatomie des Menschen – 19. Auflage (2012), Seiten 735 – 742
  9. Tammoscheit, U.G. Entstehungsmechanismen von Lippen-Kiefer-(Gaumen-) Spalten. Fortschritte der Kieferorthopädie 47, 339–345 (1986). https://doi.org/10.1007/BF02163117

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Comenius-Award 2019

Comenius-Award 2019

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Dr. Frank Stummer ist Gründer und CEO der Digital Forensics GmbH und seit vielen Jahren insbesondere im Bereich der forensischen Netzwerkverkehrsanalyse tätig. Er ist Mitgründer mehrerer Unternehmen im Hochtechnologiebereich, u.a. der ipoque GmbH und der Adyton Systems AG, die beide von einem Konzern akquiriert wurden, sowie der Rhebo GmbH, einem Unternehmen für IT-Sicherheit und Netzwerküberwachung im Bereich Industrie 4.0 und IoT. Zuvor arbeitete er als Unternehmensberater für internationale Großkonzerne. Frank Stummer studierte Betriebswirtschaft an der TU Bergakademie Freiberg und promovierte am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe.

Simon Veiser

Simon Veiser beschäftigt sich seit 2010 nicht nur theoretisch mit IT Service Management und ITIL, sondern auch als leidenschaftlicher Berater und Trainer. In unterschiedlichsten Projekten definierte, implementierte und optimierte er erfolgreiche IT Service Management Systeme. Dabei unterstützte er das organisatorische Change Management als zentralen Erfolgsfaktor in IT-Projekten. Simon Veiser ist ausgebildeter Trainer (CompTIA CTT+) und absolvierte die Zertifizierungen zum ITIL v3 Expert und ITIL 4 Managing Professional.

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In der Rubrik Kundenservice deutscher Online-Kurs-Plattformen belegt Lecturio zum zweiten Mal in Folge den 1. Platz.

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Alexander Plath ist seit über 30 Jahren im Verkauf und Vertrieb aktiv und hat in dieser Zeit alle Stationen vom Verkäufer bis zum Direktor Vertrieb Ausland und Mediensprecher eines multinationalen Unternehmens durchlaufen. Seit mehr als 20 Jahren coacht er Führungskräfte und Verkäufer*innen und ist ein gefragter Trainer und Referent im In- und Ausland, der vor allem mit hoher Praxisnähe, Humor und Begeisterung überzeugt.

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