Der Nervenarzt

, Volume 81, Issue 12, pp 1444–1449

Strukturelle und funktionelle Bildgebung zur Pathophysiologie der Apraxie

Authors

    • Kognitive Neurologie, Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3)Forschungszentrum Jülich
    • Klinik und Poliklinik für NeurologieUniklinik Köln
  • G.R. Fink
    • Kognitive Neurologie, Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3)Forschungszentrum Jülich
    • Klinik und Poliklinik für NeurologieUniklinik Köln
Leitthema

DOI: 10.1007/s00115-010-3105-6

Cite this article as:
Weiss, P. & Fink, G. Nervenarzt (2010) 81: 1444. doi:10.1007/s00115-010-3105-6
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Zusammenfassung

Um therapeutische Strategien für die beeinträchtigenden apraktischen Defizite nach linkshemisphärischem Schlaganfall (d. h. Störung der Imitation, der Pantomime und des Objektgebrauchs) entwickeln zu können, ist ein besseres pathophysiologisches Verständnis der neuralen Mechanismen, die der Apraxie zugrunde liegen, essenziell. Hierzu haben die funktionelle und strukturelle Bildgebung in der letzten Zeit einen relevanten Beitrag geleistet: Während apraktische Defizite des Objektgebrauchs auf der Dysfunktion eines ausgedehnten linkshemisphärischen frontoparietalen Netzwerkes beruhen, kommt es bei einer Funktionsstörung des linken inferioren frontalen Kortex zu Pantomimedefiziten. Weitere apraxierelevante motorisch-kognitive Funktionen wie die Imitation von Gesten, die Integration von zeitlicher und räumlicher Bewegungsinformation und die willkürliche Planung von Bewegungen beruhen auf der Integrität des linken parietalen Kortex. Moderne Methoden der funktionellen und strukturellen Bildgebung, wie Dynamic Causal Modelling (DCM) und Diffusion Tensor Imaging (DTI) werden es erlauben, die Pathophysiologie der Apraxie auf der Netzwerkebene genauer zu charakterisieren.

Schlüsselwörter

ApraxiePathologieLäsionsanalysenFunktionelle BildgebungStatistical parametric mapping

Structural and functional neuroimaging of the pathophysiology of apraxia

Summary

A better understanding of the neural bases of apraxia is an important prerequisite to develop new therapeutic strategies for the disabling apraxic deficits after left-hemisphere stroke, like disturbed imitation of gestures, deficient pantomime, and object use deficits. Recently, functional and structural imaging methods allowed deeper insights into the pathophysiology of apraxia: While apraxic object use deficits result from the dysfunction of an extended fronto-parietal network within the left hemisphere, pantomime deficits are caused by impaired functioning of the left inferior frontal cortex. Further apraxia-related, motor cognitive processes (i.e., gesture imitation, integration of temporal and spatial movement information, and intentional movement planning) depend on the integrity of the left parietal cortex. Newly developed functional and structural imaging methods, like dynamic causal modelling (DCM) and diffusion tensor imaging (DTI), promise to further elucidate the pathophysiology of apraxia at the network level.

Keywords

ApraxiaClinical pathologyLesion analysisFunctional imagingStatistical parametric mapping

Bis zur Hälfte aller Patienten mit einem linkshemisphärischen Schlaganfall leidet an motorischen Symptomen der oberen Gliedmaße, die über das Ausmaß der eigentlichen Lähmungen hinausgehen [1]. Diese Störungen der höheren Motorik, die nicht (alleine) auf elementare Defizite des sensomotorischen Systems (d. h. Parese oder sensible Deafferentierung) oder auf eine Störung der Kommunikation (Aphasie) zurückgeführt werden können, nennt man Apraxien.

In der neurologischen Untersuchung äußern sich Apraxien der oberen Gliedmaße als Beeinträchtigungen der Imitation von abstrakten und symbolischen Gesten. Des Weiteren treten Fehler bei der pantomimischen Darstellung des Gebrauchs von Gegenständen oder Werkzeugen auf. Für die Patienten unmittelbar alltagsrelevant sind Fehler des tatsächlichen zweckmäßigen Gebrauchs von Gegenständen und Werkzeugen, insbesondere wenn der Gebrauch mehrerer Gegenstände oder komplexe sequenziell zusammengesetzte Handlungen erforderlich sind. Folgerichtig haben Patienten mit einer Apraxie ein geringeres Rehabilitationspotenzial.

In dieser Übersicht werden jüngste Arbeiten zusammengefasst, die neue Erkenntnisse zur Pathophysiologie von Apraxien mithilfe der strukturellen und funktionellen Bildgebung beschreiben. Zudem werden offene Fragestellungen der motorischen Kognition angeschnitten, die in zukünftigen Bildgebungsstudien untersucht werden sollten.

Apraktische Störungen der Imitation von Gesten

Apraktische Patienten zeigen oft Störungen bei der Imitation abstrakter und/oder symbolischer Gesten. Diese Imitationsdefizite haben deswegen hohe klinische Relevanz, da sie ein wesentliches Hindernis für das motorische (Imitations-)Lernen in der Physiotherapie nach Schlaganfall darstellen. Außerdem nehmen Störungen der Gestik den Schlaganfallpatienten mit Aphasie (und diese ist ja in der Mehrzahl der Fälle mit der Apraxie vergeschwistert) eine wichtige Kompensationsmöglichkeit bei der Kommunikation, da Gesten als sprachbegleitende oder -ersetzende Möglichkeit sich auszudrücken entfallen [2].

Interessanterweise kann man bei apraktischen Patienten klinische Dissoziationen zwischen der Imitation abstrakter und symbolischer Bewegungen finden: Während einige apraktische Patienten bei unauffälliger Imitation symbolischer Gesten Störungen der Imitation abstrakter Gesten zeigen [3], sind andere apraktische Patienten nur bei der Imitation symbolischer Gesten beeinträchtigt, imitieren abstrakte Gesten dagegen fehlerfrei [4]. In einer funktionellen Bildgebungsstudie mittels Positronenemissionstomographie (PET) konnte die Pathophysiologie dieser Dissoziationen apraktischer Imitationsdefizite aufgeklärt werden [5]. Es zeigte sich, dass der rechte parietookzipitale Kortex bei der Imitation abstrakter Gesten aktiviert wurde. Dahingegen aktivierte die Imitation symbolischer Gesten vor allem den linken inferioren temporalen Kortex (Abb. 1). Das heißt, die Bildgebungsbefunde sprechen für eine zumindest teilweise Dissoziation der neuralen Mechanismen, die der Imitation von abstrakten und symbolischen Gesten zugrunde liegen.

Diese Bildgebungsergebnisse unterstützen das Zweiwegemodell der Bewegungsimitation [6], welches postuliert, dass abstrakte (unbekannte) Gesten über den sog. „direkten“ Weg ohne weitere Verarbeitungsschritte in Bewegungen transformiert werden, während symbolische (bekannte) Gesten über den „indirekten“ Weg, der auf das semantische Handlungsgedächtnis zurückgreift, verarbeitet werden. Diese Differenzierung wird durch die Ergebnisse der angeführten PET-Studie unterstützt, da der direkte Weg Areale des dorsalen okzipitoparietalen Verarbeitungspfades aktiviert, während der indirekte Weg Regionen des ventralen okzipitotemporalen Verarbeitungspfades aktiviert. Wichtiger noch: Die Ergebnisse der angeführten Arbeit helfen auch, die beobachteten klinischen Dissoziationen apraktischer Patienten bei der Imitation von abstrakten und symbolischen Gesten zu erklären, da sie zeigen, dass läsionsabhängig einer der beiden Verarbeitungswege für die Imitation abstrakter oder symbolischer Gesten betroffen sein kann.

Läsionsabhängig kann der „direkte“ oder „indirekte“ Verarbeitungsweg betroffen sein

Letztere Annahme wird auch durch strukturelle Bildgebungsuntersuchungen bei Patienten mit selektiven Imitationsdefiziten bestärkt [7]. So lag in einer Läsionsanalyse der Läsionsschwerpunkt der Patienten mit isolierter Störung der Imitation symbolischer Gesten im (medialen) temporalen Kortex. Anteile des linken parietalen Kortex waren dagegen vor allem bei Patienten mit gestörter Imitation abstrakter Gesten betroffen. Dies ist in guter Überstimmung mit den Befunden zweier Bildgebungsstudien mit der PET [8] und mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) [9], die konsistente Aktivierungen des (inferioren) parietalen Kortex bei der Imitation abstrakter Finger- und Handgesten zeigten. Im Gegensatz dazu postulierte eine spätere strukturelle Läsionsstudie [10], dass für die korrekte Imitation abstrakter Fingergesten die Integrität des linken inferioren frontalen Kortex essenziell sei, während der parietale Kortex nur für die Imitation von abstrakten Handgesten wichtig sei. Da dies aber im Widerspruch zu den Ergebnissen der Untersuchungen mit der funktionellen Bildgebung steht [8, 9], bleibt abzuwarten, ob weitere Läsionsstudien die differenziellen Läsionsmuster bei Patienten mit apraktischen Imitationsdefiziten für Finger- vs. Handgesten bestätigen können.

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Abb. 1

Differenzielle neurale Mechanismen für die Imitation von abstrakten und symbolischen Gesten. a Die Imitation abstrakter Gesten aktiviert den rechten parietookzipitalen Kortex. b Schematische Darstellung des Zweiwegemodells der Gestenimitation. Abstrakte (unbekannte) Gesten werden über den sog. „direkten“ Weg (blauer Pfeil) in Bewegungen transformiert, während symbolische (bekannte) Gesten über den „indirekten“ Weg, der auf das semantische (Handlungs-)Gedächtnis zurückgreift, verarbeitet werden können (rote Pfeile).c Die Imitation symbolischer Gesten aktiviert vor allem den linken inferioren temporalen Kortex. (Mod. nach [5])

Apraktische Störungen der Pantomime des Objektgebrauchs

Neben der Untersuchung auf Störungen der Imitation von (Hand-)Gesten [11] ist die Untersuchung der Pantomime des Objektgebrauchs [12] ein sehr sensitiver Test zur Erfassung apraktischer Defizite bei Patienten mit (linkshemisphärischem) Schlaganfall. Die Einordnung der Pantomime in Bezug auf die kognitiven Funktionen der linken Hemisphäre (Motorik, Sprache) ist eher schwierig, da die Pantomime sowohl motorische als auch sprachliche Aspekte enthält [13]. Deswegen sind gerade hier Untersuchungen mit der strukturellen und funktionellen Bildgebung wichtig, um die Pathophysiologie dieser komplexen Fähigkeit besser zu verstehen [14]. Die Komplexität der Pantomime spiegelt sich auch in den Bildgebungsbefunden wider: Studien mit der PET [15] wie auch der fMRT [16] zeigen, dass die Pantomime des Objektgebrauchs ein ausgedehntes, linkshemisphärisches frontoparietales Netzwerk aktiviert (Abb. 2).

Bezüglich der differenziellen Funktion bzw. Bedeutung der aktivierten frontalen und parietalen Areale innerhalb dieses Netzwerkes kommen die Untersuchungen durchaus zu unterschiedlichen Ergebnissen. Weitergehende Analysen der funktionellen Daten belegen die Bedeutung des parietalen Kortex für die Pantomime des Objektgebrauchs, gerade wenn für die Benennung der Objektgebrauchshandlung [15] oder die tatsächliche Ausführung des Objektgebrauchs kontrolliert wird [16]. Dieser Befund wird auch durch Läsionsanalysen bestätigt, die eine Beteiligung des linken Gyrus angularis, als Teil des inferioren parietalen Kortex, bei der zeitlichen Strukturierung von Pantomimen nachgewiesen haben [17]. Andere strukturelle Bildgebungsuntersuchungen assoziieren dagegen Läsionen im Bereich des linken inferioren frontalen Kortex mit apraktischen Defiziten bei der Objektgebrauchspantomime [18].

Welche pathophysiologische Bedeutung der inferiore frontale Kortex bei Störungen der Objektgebrauchspantomime hat, bleibt somit zurzeit noch unklar. Zum einen wird von einigen Autoren der kommunikative Aspekt von Pantomimen hervorgehoben und somit die Beteiligung des inferioren frontalen Kortex an Pantomimen durch die Nähe zu sprachrelevanten Arealen (Broca-Areal, Brodmann-Areale 44 und 45) erklärt [19]. Zum anderen wird darauf verwiesen, dass Pantomimen – insbesondere im Vergleich zum tatsächlichen Gebrauch von Objekten – deutlich mehr Kapazitäten des Arbeitsgedächtnisses binden [20], sodass Läsionen im frontalen Kortex indirekt auch durch eine Beeinträchtigung von Arbeitsgedächtnisprozessen [21] zu Störungen von pantomimischen Handlungen führen könnten.

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Abb. 2

Linkshemisphärische Areale für die Pantomime des Objektgebrauchs. a Die Pantomime des Objektgebrauchs aktiviert in Studien mit der funktionellen Bildgebung ein linkshemisphärisches frontoparietales Netzwerk. b Läsionsanalysen mithilfe der strukturellen Bildgebung stellen innerhalb dieses Netzwerkes die Bedeutung des linken inferioren frontalen Kortex für die Pantomime des Objektgebrauchs heraus. (Mod. nach [15] [a] und [18] [b]; mit freundl. Genehmigung von Elsevier und Oxford University Press)

Apraktische Störungen beim Gebrauch von Objekten

Die Beeinträchtigung des Gebrauchs von Objekten stellt das alltagsrelevanteste Defizit von Patienten mit Apraxie dar. Neben der Schwierigkeit einzelne Objekte (Gegenstände bzw. Werkzeuge) zu gebrauchen [22], sind apraktische Patienten oft zusätzlich beeinträchtigt, wenn sie mehrere Objekte in einer zielgerichteten komplexen sequenziellen Handlung verwenden müssen [23]. Diese Objektgebrauchsstörungen schränken die Selbstständigkeit der Patienten nach einem linkshemisphärischen Schlaganfall deutlich ein, wobei die Beeinträchtigung der Alltagshandlungen („activities of daily living“, ADL) sogar stärker mit dem Ausmaß der Apraxie als mit dem der Aphasie korreliert [24]. Gerade die Defizite beim Gebrauch von Objekten tragen ganz maßgeblich dazu bei, dass das Vorhandensein einer Apraxie ein unabhängiger negativer Prädiktor für das Rehabilitationsergebnis nach einem linkshemisphärischen Schlaganfall ist [25].

Wegen dieser klinischen Relevanz der apraktischen Objektgebrauchsdefizite wurde schon früh mit der funktionellen Bildgebung versucht, das (linkshemisphärische) Netzwerk zu charakterisieren, das die Manipulation und den Gebrauch von Objekten unterstützt. Hierbei zeigte sich, dass in Homologie zu nichtmenschlichen Primaten ein frontoparietaler Regelkreis für die Erfassung der relevanten Objekteigenschaften (durch den intraparietalen Kortex) und deren Transformation in die entsprechenden Objektgebrauchshandlungen (im frontalen Kortex) zuständig ist [26]. Hierbei ist zu beachten, dass diese erste fMRT-Studie nur mit Miniaturobjekten aus Plastik durchgeführt wurde. Wenn hingegen alltagsübliche Gegenstände verwendet werden, werden weitere linkshemisphärische Areale beim Objektgebrauch aktiviert: insbesondere temporale Regionen und der dorsolaterale präfrontale Kortex (DLPFC) [27]. Dies ergibt sich unter anderem dadurch, dass für den korrekten Gebrauch von Objekten die Integration semantischer und motorischer Informationen zu diesen Objekten notwendig ist [28].

Durch Läsionsanalysen im Rahmen struktureller Bildgebungsuntersuchungen konnte die differenzielle Funktion der verschiedenen Areale innerhalb des linkshemisphärischen Objektgebrauchsnetzwerkes näher bestimmt werden [29]. Die erhobenen Befunde legen nahe, dass dem frontalen Kortex die Aufgabe zukommt, die passende Greifbewegung zum jeweiligen Objekt bzw. (bei mehreren Objekten) das passende Objekt im jeweiligen Handlungskontext auszuwählen. Im Bereich des parietalen Kortex scheinen – wie beim nichtmenschlichen Primaten – die Areale im intraparietalen Sulkus [30] die sensorischen (insbesondere visuellen) Informationen für die Auswahl der korrekten, funktionell sinnvollen Greifbewegung zur Verfügung zu stellen, während die Areale im inferioren parietalen Kortex (Gyrus supramarginalis) eher die (allgemeinen) semantischen und motorischen Informationen über das jeweilige Objekt integrieren und gewissermaßen „online“ zur Verfügung stellen.

Bildgebungsuntersuchungen zu weiteren pathophysiologischen Aspekten der Apraxie

Während die Pathophysiologie der in der klinischen Untersuchung von Patienten mit linkshemisphärischem Schlaganfall häufig zu beobachtenden apraktischen Defizite, wie Störungen der Imitation, der Pantomime und des Objektgebrauchs, durch zahlreiche Studien mit der strukturellen und funktionellen Bildgebung inzwischen recht gut untersucht sind (s. oben), sind andere relevante Aspekte der Apraxie weiterhin nur unzureichend bekannt.

Bei der Apraxie kommt es häufig zur sog. „willkürlich-automatischen“ Dissoziation. Das heißt, dass Patienten nach einem linkshemisphärischem Schlaganfall apraktische Defizite zeigen, wenn Bewegungen willkürlich abgerufen werden (z. B. im Rahmen der klinischen Untersuchung: „Zeigen Sie mir bitte, wie man sich die Zähne putzt!“), die gleichen Bewegungen aber fehlerfrei ausgeführt werden können, wenn diese im passenden Handlungskontext automatisch abgerufen werden (z. B. morgens im Badezimmer) [31]. Somit scheinen bei der Apraxie oft willkürliche Bewegungen bzw. der willkürliche Zugriff auf Handlungsmuster differenziell betroffen zu sein. Entsprechend konnte mithilfe der fMRT gezeigt werden, dass der linke Gyrus supramarginalis als Teil des inferioren parietalen Kortex bei der willkürlichen Planung von Bewegungen aktiviert wird (im Gegensatz zur reaktiven Ausführung von Bewegungen) und zwar unabhängig von der die Bewegung ausführenden Hand [32]. Diese Ergebnisse der funktionellen Bildgebung legen nahe, dass die willkürlich-automatische Dissoziation insbesondere bei apraktischen Patienten mit (inferior) parietalen Läsionen zu beobachten ist.

Die (Zer-)Störung des „räumlich-zeitlichen (Bewegungs-)Entwurfs“ ist pathophysiologisch bedeutsam

Schon Liepmann vermutete aufgrund seiner anatomisch-klinischen Assoziationsstudien, dass ein pathophysiologisch bedeutsamer Aspekt der Apraxien die (Zer-)Störung des „räumlich-zeitlichen (Bewegungs-)Entwurfs“ durch Läsionen im parietalen Kortex ist [33]. In Übereinstimmung mit dieser Hypothese wurde durch fMRT-Studien nachgewiesen, dass im linken inferioren parietalen Kortex (Gyrus supramarginalis) spezifisch räumliche und zeitliche Bewegungsinformationen zusammengeführt werden [34]. Zusammengenommen mit den Befunden, dass räumliche Bewegungsinformation [35] eher im rechten und zeitliche Bewegungsinformation [17] eher im linken parietalen Kortex verarbeitet werden, erklären diese Bildgebungsbefunde das häufige Auftreten von Apraxie nach Schlaganfällen im Bereich des linken parietalen Kortex, da diese selektiv die Generierung des „räumlich-zeitlichen (Bewegungs-)Entwurfs“ durch die fehlerhafte Integration von räumlicher und zeitlicher Bewegungsinformation beeinträchtigen (Abb. 3).

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Abb. 3

Verarbeitung und Integration von räumlicher und zeitlicher Bewegungsinformation im parietalen Kortex. a Der linke parietale Kortex verarbeitet zeitliche Bewegungsinformation. b Die Integration von räumlicher und zeitlicher Bewegungsinformation zur Generierung eines „räumlich-zeitlichen (Bewegungs-)Entwurfs“ findet selektiv im linken parietalen Kortex statt. c Räumliche Bewegungsinformation wird im rechten parietalen Kortex verarbeitet. (Mod. nach [17] [a], [34] [b] und [35] [c]; mit freundl. Genehmigung von Elsevier und Wiley-Blackwell)

Ausblick

In der Regel zielten die bisherigen Bildgebungsuntersuchungen darauf ab, einzelne Aspekte der Pathophysiologie der Apraxie, die entweder kognitiv (Modellvorstellungen) oder klinisch (Dissoziationen) definiert werden, spezifischen Arealen zu zuordnen. Insbesondere durch die hohe räumliche Genauigkeit der aktuellen strukturellen und funktionellen bildgebenden Verfahren konnten somit Teilprozesse mit der Funktion bzw. Dysfunktion von umschriebenen linkshemisphärischen Arealen assoziiert werden. Zukünftige Untersuchungen sollten darauf ausgerichtet sein, die Teilprozesse in eine Netzwerkstruktur zu integrieren. Hierbei wird es weniger wichtig sein, die spezifische Funktion einzelner genau lokalisierter Areale zu charakterisieren, als vielmehr das Zusammenspiel von mehreren Arealen bei der Umsetzung motorisch kognitiver Prozesse – gerade auch in der zeitlichen Dimension – genauer zu beschreiben.

Die modernen Entwicklungen im Bereich der strukturellen und funktionellen Bildgebung bieten hierzu schon jetzt die Möglichkeiten: Durch das Diffusion Tensor Imaging (DTI) bleiben Läsionsanalysen in der strukturellen Bildgebung nicht länger auf die kortikale Oberfläche beschränkt, sondern können die Beeinträchtigung der für die Interaktion der maßgeblichen Areale so wichtigen Faserverbindungen genau erfassen [36]. Im Bereich der funktionellen Bildgebung ermöglicht das Dynamic Causal Modelling (DCM), motorische Netzwerke und deren Dysfunktion nach Schlaganfall näher zu charakterisieren. Hierdurch konnten schon wichtige Ergebnisse in Bezug auf die Pathophysiologie und Rehabilitation basaler motorischer Defizite (Paresen) gewonnen werden [37, 38]. Es wird spannend sein zu beobachten, wie diese neuen, vielversprechenden Methoden der strukturellen und funktionellen Bildgebung unser pathophysiologisches Verständnis der Apraxie als komplexe Störung der motorischen Kognition bereichern werden.

Fazit

  • Mithilfe der strukturellen und funktionellen Bildgebung konnte die Pathophysiologie der Apraxie als Störung der höheren motorischen Kognition (nach linkshemisphärischem Schlaganfall) in den letzten Jahren besser charakterisiert werden.

  • Für die klinisch bedeutsamen apraktischen Defizite (Störungen der Imitation, der Pantomime und des Objektgebrauchs) konnte gezeigt werden, dass bestimmte Areale innerhalb des motorischen Netzwerkes für komplexe Bewegungen differenziell an der Pathophysiologie dieser apraktischen Defizite beteiligt sind.

  • So beruht die Störung der Imitation von Gesten insbesondere auf der Dysfunktion des linken (inferioren) parietalen Kortex, während die Pantomime durch Läsionen im linken (inferioren) frontalen Kortex beeinträchtigt wird.

  • Die komplexe Funktion des Objektgebrauchs wird durch ein frontoparietales Netzwerk unterstützt, dessen Integritätsbeeinträchtigung durch eine Läsion zu bereits im Alltag offensichtlichen schweren Beeinträchtigungen komplexer Handlungen führt.

  • Schließlich konnte gezeigt werden, dass die willkürliche Planung von Bewegungen und die Integration von räumlicher und zeitlicher Bewegungsinformation in einen Bewegungsentwurf – beides Prozesse, die bei der Apraxie gestört sind – im linken (inferioren) parietalen Kortex stattfinden.

Interessenkonflikt

Der korrespondierende Autor gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

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