Tutoriat zur Vorlesung Funktionelle Lateralisation und strukturelle Asymmetrie im HS 2010

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1 Tutoriat zur Vorlesung Funktionelle Lateralisation und strukturelle Asymmetrie im HS 2010 Gibt es die männliche, analytische und die weibliche, kreative Hemisphäre? Nein, entgegen der populären Annahme, gibt es keine wirkliche empirische anatomische oder funktionelle Evidenz für holistische Hemisphärenunterschiede im Hinblick auf Kreativität und analytischen Verstand. Gibt es Funktionen, die eine funktionelle zerebrale Lateralisierung aufzeigen? Nein, kognitive und sensorische Prozesse sind nie nur einer Hemisphäre zuzuordnen, auch wenn es wie bei der Sprachproduktion Funktionen gibt, die in einer Hemisphäre dominant verortet sind. Nennen Sie wichtige Eckpunkte und Personen des geschichtlichen Hintergrundes Gall Vermutung: Sprache ist im inferioren Bereich des linken Frontallappen lokalisiert 1844 Wigan Veröffentlichung des Buches Duality oft the mind Beide Hemisphären mit eigenem unabhängigen Willen und Denksystemen Broca Sprachproduktion ist links dominant 1870 Fritsch/Hitzig Reizung motorischer Areale führt zu kontralateraler Bewegung 1908 Liepmann Apraxie nach Läsion des corpus callosum Benennen und beschreiben Sie die klassischen Diskonnektionssyndrome Conduction Aphasia (Leitungsaphasie) Carl Wernicke stellte erstmals die Hypothese auf, dass Leitungsaphasie aufgrund einer Konnektionsstörung zwischen dem Wernicke und dem Broca Areal entsteht. Die visuelle Agnosie ist ein weiteres Diskonnektionssyndrom, welches Wernicke als erster beschrieb. Betroffene Personen leiden unter einer Sehstörung, denn sie können keine Gesichter und Gegenstände erkennen. Die Läsion befindet sich im visuellen Cortex. Das Phänomen der Apraxie wurde erstmals von Hugo Liepmann publiziert. Es handelt sich hierbei um eine Bewegungsstörung, genauer gesagt, das Unvermögen, komplexe Handlungen auszuführen, ohne dass elementare Funktionen des

2 Bewegungsapparates beeinträchtigt sind. Liepmann vermutete als Ursache eine Diskonnektion zwischen visuellen, auditiven und somatosensorischen Gebieten der Grosshirnrinde. Der Franzose Jules Déjérine war der erste, der das Syndrom der Reinen Alexie beschrieb, welches eine Unfähigkeit zu lesen und teils auch zu schreiben beschreibt. Die Ursache ist eine läsionsbedingte Diskonnektion zwischen dem sekundären visuellen Cortex und dem Gyrus angularis. Was versteht man unter dem Wada Test? Der Wada Test dient der Sprachlateralisierung und wird auch Natrium Amytal Test genannt. Mittels einer Injektion von Natrium Amytal in die linke oder rechte Halsvene wird für eine kurze Zeitspanne eine Hemisphäre betäubt. Dies ermöglicht somit die Durchführung von Untersuchungen, wie z.b. Sprachtests und andere kognitive Funktionen, an der zweiten, isoliert arbeitenden Hemisphäre. Häufig wurde dieser Test vor neurochirurgischen Eingriffen durchgeführt um die Operation zu planen und Schädigungen von sprachrelevanten Arealen möglichst auszuschliessen. Natürlich ist der Wada Test ein äusserst ungenaues Instrument sowie ein riskantes Verfahren und wird heute mehr und mehr durch bildgebende Diagnostik ergänzt. Erläutern Sie die Beziehung zwischen der Sprachlateralisation und der Händigkeit nach dem Wada Test. Bei den meisten Rechtshändern (ca. 96%) liegt die Dominanz für die Sprach und Sprechfunktionen grösstenteils in der linken Hemisphäre, wobei die Lateralisation der Sprachmechanismen bei Linkshändern stärker variiert und sogar gleichmässig auf beide Hemisphären verteilt sein kann. Fest steht mittlerweile ist, dass die Händigkeit und funktionelle Sprachlateralisation unabhängig voneinander sind. Beschreiben Sie das Modell des dichotischen Hörens. Beim dichotischen Hörtest (Kimura, 1961) werden Sprachreize jeweils systematisch monund binaural dargeboten. Die Versuchsperson hört demzufolge auf dem rechten und auf dem linken Ohr gleichzeitig unterschiedliche Reize (zum Beispiel die Silben /ba/ und /da/). Kimura stellte fest, dass vor allem die Reize, welche dem rechten Ohr präsentiert wurden (Rechtsohrvorteil = REA), anschliessend genannt werden konnten, was auf eine Sprachdominanz in der linken Hemisphäre hindeutet, da die Hörbahn von der Cochlea bis zum Kortex vor allem kontralateral projeziert. Mit anderen Worten, die Reize werden von beiden Ohren an beide Hemisphären weitergeleitet werden, die kontralaterale Verbindung aber dominiert hierbei. Umgekehrt funktioniert dies auch bei spektral komplexen Mustern wie Instrumentaltönen, die dem linken Ohr präsentiert präferiert von der rechten Hemisphäre verarbeitet werden.

3 Was ist ein Split Brain Patient, wann und warum wurde diese Methode eingesetzt und inwiefern führt sie zu Veränderungen? Bei Split Brain Patienten wurden in den 60er Jahren durch die operative Durchtrennung des Corpus callosum die beiden Hemisphären voneinander getrennt. Das Corpus callosum ist mit 200 Millionen Nervenfasern die prominenteste Kommissur, die die beiden Hemisphären verbindet. Der Grund für diesen Eingriff war die Motivation, die Ausbreitung fokaler epileptischer Anfälle über das Corpus Callosum (Balken) zu verhindern. Nach vorgängigen Versuchen mit Katzen und Affen wurde diese Methode erstmals im Jahre 1940 am Menschen durchgeführt. Zur allgemeinen Überraschung weisen Split Brain Patienten keine Veränderungen der Persönlichkeit oder Intelligenz auf. Sie haben aber jeweils zwei voneinander unabhängige Hemisphären, welche offensichtlich nicht die gleichen Fähigkeiten besitzen; so war bei diesen Patienten meist nur die linke Hemisphäre sprachfähig. In manchen Fällen kann es sogar zu regelrechten Konflikten zum Beispiel bei der Objektbenennung und beschreibung zwischen den beiden Hemisphären kommen, so dass sich Patienten zum Beispiel hinsichtlich visueller, taktiler Wahrnehmung und Sprache unterscheiden. Diese Unterschiede sind jedoch meist erst durch spezielle Testmethoden erkennbar. Erklären Sie den Zusammenhang zwischen der Evolution und der Lateralisierung des Gehirns. Das Gehirn wurde im Laufe der humanen Phylogenese (Stammesentwicklung) grösser. Vor allen Dingen ist die überproportionale Vergrösserung des Telenzephalons (Endhirns) dafür verantwortlich. Durch einen asymmetrischen Aufbau lässt sich mehr Raum für die Grosshirnrinde gewinnen. Was ist der Yakovlevian Anticlockwise Torque? Der Yakovlevian Anticlockwise Torque ist eine Ausdehnung des linken Occipitallappens über die Mittellinie. Die Strukturen um die Sylvische Fissur werden nach vorwärts gedreht. Durch diesen Kniff gelang es, noch mehr Gehirnvolumen im Schädel unterzubringen. Erläutern Sie die Asymmetrie des Planum temporale. Das Planum Temporale ist der bilaterale hintere Anteil des supratemporalen Planums und somit auditorischer Assoziationskortex. In den 1960er und 1970er Jahren endeckte man, dass dieser Teil der Grosshirnrinde in einigen wenigen zur Untersuchung verfügbaren Spenderhirnen eine linkswärtige Asymmetrie aufwies. Eine Fülle von nachfolgenden Untersuchungen erhärtete diese Befunde. Bei den meisten Personen, unabhängig von Geschlecht und Händigkeit weist das Planum temporale eine linkswärtige Asymmetrie hinsichtlich Volumen und Oberfläche auf. Aufgrund dieser Resultate kam man zu dem voreiligen Schluss, dass das Planum temporale das Sprachzentrum in der linken Hemisphäre des Gehirns sein muss. Heute weiss man, dass das Planum temporale ein spektro temporaler Prozessor ( computional hub ) ist, also ein Teil des Kortex, der akustische Signale (Sprache,

4 Musik, Umweltgeräusche) verarbeitet und auch dabei funktionelle Hemisphärenunterschiede aufweist (links schnelle (z.b. phonetische) und rechts langsame (prosodische, melodische) akustische Modulationen). Was lässt sich, nach der Anpassung der Gesamtgrösse des Gehirns, bezüglich der Geschlechtsunterschiede im Planum temporale feststellen? Durch die Normalisierung verschwinden diese Geschlechtsunterschiede, welche auf einer Fehlinterpretation durch die Missachtung des globalen zerebralen Volumens als primär erklärender Faktor beruhten. Inwiefern ist eine Asymmetrie des Planum temporale bei Absoluthörern vorhanden? Durch strukturelle MRT Studien konnte herausgefunden werden, dass Musiker mit einem absoluten Gehör eine verstärkte Asymmetrie des Planum temporale aufweisen. Zwar ist bei den meisten Menschen das Planum temporale linkswärtig asymmetrisch, doch bei Menschen mit einem absoluten Gehör ist dieser Unterschied nochmals deutlich grösser, was deutlich zeigt, dass es sich bei dem Planum temporale nicht primär um ein Sprachzentrum handelt. Beschreiben Sie die zellarchitektonischen Unterschiede zwischen linken und rechten auditorischen Rindengebieten. Die neuronalen Kolumnen in der linken Hemisphäre stehen weiter auseinander, während sie im rechten auditorischen Kortex enger nebeneinander stehen. Dadurch ist im linken Hörkortex eine schnellere und effizientere Verarbeitung ohne Zeitverlust durch vertikalen Informationsaustausch gewährleistet. Im Gegensatz zu makroskopischen Asymmetrien, die sich auch bei Menschenaffen finden, scheint diese zellarchitektonische Asymmetrie nur beim Menschen aufzutreten und somit doch eine Ausnahmestellung des menschlichen Gehirns bspw. für die Verarbeitung und Produktion von Sprache und Musik anzudeuten. Was ist die Sylvische Fissur und welche Asymmetrie weist sie beim Menschen auf? Die Sylvische Fissur, auch Sulcus lateralis genannt, ist eine bilaterale Grosshirnfurche zwischen Frontal, Parietal und Temporallappen. Wie auch das Planum temporale weist auch die Sylvische Fissur eine linkswärtige Asymmetrie auf (links länger als rechts). Um die Sylvische Fissur herum finden sich die sprachrelevanten Kortexareale ( perisylvische Region ). Ist das Kortikale Volumen ein geeignetes Mass zur Bestimmung von Asymmetrie? Nein, da das kortikale Volumen ein Produkt aus Kortexoberfläche und Kortexdicke darstellt. Da diese beiden Messgrössen sich aber oft auch diametral entgegen gesetzt verhalten (Planum temporale hat zum Beispiel grössere linkswärtige Oberflächenasymmetrie, aber auch eine rechtswärtige Asymmetrie der Kortexdicke), ist das Volumen ein ungenaues

5 Zerrbild. Ein dünnerer Kortex kann ein Hinweis auf eine stärkere Präsenz weisser Substanz und damit ein Hinweis auf hohe Konnektivität einer Region sein. Gibt es eine Asymmetrie der grossen intra hemisphärischen Fasertrakte? Ja, nach dem gegenwärtigen Wissensstand weisen die grossen perisylvischen Fasertrakte (fasciculus longitudinalis superior, fasciculus arcuatus, capsula extrema) eine linkswärtige Asymmetrie im Hinblick auf die Stärke der Myelinisierung auf. Wie viele Sprachen kann ein Mensch lernen und welche Asymmetrie kann dies zur Folge haben? Ein Mensch kann grundsätzlich nicht mehr als sieben oder acht Sprachen beherrschen. Ein Ausnahmebeispiel war der deutsche Legationsrat Emil Krebs ( ), der über 60 Sprachen fliessend in Wort und Schrift beherrschte. Sein nach seinem Tod untersuchtes Gehirn zeigte dabei zellarchitektonische Auffälligkeiten. Sowohl in der Broca Area wie auch im rechtshemisphärischen Broca Homolog zeigte, sich dass sich die einzelnen Kortexschichten deutlicher voneinander abhoben als bei normalen Gehirnen. Hierbei erwies besonders das Broca Homolog als auffällig. Die funktionellen Implikationen, die diese Struktur für die Sprachkompetenz von Emil Krebs hatte, sind aber bis heute ungeklärt. Erklären Sie den Zusammenhang zwischen der Händigkeit und der Asymmetrie. Ist dieser reliabel? Der Motorkortex der linken Hemisphäre kontrolliert die rechte Hand. Die Sprachdominanz der linken Hemisphäre ist ebenfalls unumstritten. Ein Zusammenhang zwischen Händigkeit und Sprachlateralisation existiert aber offenbar nicht, da auch die meisten linkshändigen Personen eine Dominanz der Sprach und Sprechfunktionen in der linken Hemisphäre aufweisen. Zudem hat man aber auch eine stabile Linksasymmetrie der perisylvischen Fasertrakte unabhängig von der Händigkeit nachgewiesen. Beschreiben Sie die Geschlechtsunterschiede bei funktioneller Hemisphärenasymmetrie. Die Geschlechtsunterschiede bei kognitiven und motorischen Funktionen, z.b. mentale Rotation oder verbale Kompetenz sind sehr gering und folglich statistisch nicht bedeutsam. Was ist die Rolle des Corpus callosum? Gibt es bei dieser Struktur anatomische Geschlechtsunterschiede? Der Corpus callosum (CC, Balken) liegt in der zentralen Lage zwischen den beiden Hemisphären, welche er über 200 Millionen Fasern verbindet. Die Hauptfunktion ist der Informationsaustausch zwischen den Hemisphären. Ein unmittelbarer Geschlechtsunterschied liegt hier, entgegen früherer Annahmen, jedoch nicht vor. Vielmehr verhält sich die Dicke des Balkens als direkte Funktion der Hirngrösse. Unabhängig vom Geschlecht findet sich in kleinen Gehirnen ein dickeres CC, während in grösseren Gehirnen der Balken eine weniger starke Ausprägung aufweist. Grössere Gehirne

6 tendieren unabhängig vom Geschlecht offenbar dazu Informationen intrahemisphärisch zu verarbeiten, da der Informationstransfer von einer Hemisphäre in die andere zuviel Zeit in Anspruch nehmen würde. Inwiefern zeigt sich ein Geschlechtsunterschied in der Konzentration (Dicke) der grauen Substanz? Die Konzentration der grauen Substanz ist bei Frauen vermeintlich grösser als bei Männern, dieser Unterschied ist aber wiederum nur eine Funktion der Hirngrösse. Ein dickerer Kortex ist aber nicht automatisch ein besserer Kortex. Man kann lediglich davon ausgehen, dass ein dickerer Kortex weniger interhemisphärische Konnektivität aufweist. Gibt es Hinweise aus Studien mit bildgebenden Verfahren auf funktionelle Geschlechtsunterschiede bei der Sprachverarbeitung? Im Jahr 1995 wurde zwar eine fmrt Studie einer US amerikanischen Forschergruppe veröffentlicht, welche aussagte, dass Männer für Reimaufgaben nur die linkshemisphärische Broca Area benützen, bei Frauen im Gegensatz hierzu in beiden Hemisphären das Broca Areal bzw. sein Homolog aktiviert wird. Jedoch war dieser Effekt durch eine relative kleine Stichprobengrösse zustande gekommen und somit nicht repräsentativ. Zudem zeigten sich nur in der Reim, aber nicht in anderen sprachlichen Aufgaben geschlechtsabhängige Unterschiede. Somit muss dieser Befund als nicht valide angesehen werden. Seither haben zahlreiche Studien mit vielen hundert ProbandInnen berichtet, dass ein solcher Geschlechtsunterschied in der Sprachorganisation nicht besteht. Erklären Sie den Unterschied zwischen der zerebralen Dominanz und der zerebralen Dichotomie. Kognitive Funktionen, wie z.b. die Sprache weisen eine zerebrale Dominanz auf, jedoch nie eine zerebrale Dichotomie. Folglich sind Kognitionen immer nur eine Funktion der Arbeit beider Hemisphären und lassen sich nicht nur einer Hemisphäre zuweisen. Nach welchen unterschiedlichen Prinzipien funktionieren die beiden Hemisphären? Gibt es eine Arbeitsteilung? Am ehesten noch spricht man der linken Hemisphäre (LH) eine lokale Kompetenz, der rechten Hemisphäre (RH) jedoch eine globale Aufgabenbearbeitung zu. Anschaulich könnte man sagen, dass die LH auf einem Foto einzelne Bäume, aber nicht den ganzen Wald erkennt, während es sich bei der rechten Hemisphäre genau umgekehrt verhält. Diese Vermutungen erhalten vor allen Dingen Bestätigung aus der Klinischen Neuropsychologie. Was besagt die Hypothese des Asymmetric sampling in time von David Poeppel? Dieses Modell bezieht sich auf die Kompetenz der linken und rechten auditorischen Rindengebiete bei der der elementaren Sprachverarbeitung. Während die LH eine Präferenz

7 für schnelle akustische Modulationen hat (z.b. Phoneme), verarbeitet die RH bevorzugt langsame Modulationen im Sprachsignal (z.b. Prosodie, Melodie). Kann man mit einer Hemisphäre leben? Ja, dies ist möglich. Komplette Hemisphärektomie (Entfernung einer Gehirnhälfte) wird bisweilen bei Kindern mit schweren fokalen Epilepsien angewendet, um die Ausbreitung dieser Anfälle zu unterbinden. Andere Ursachen für ein Leben mit einer Hirnhälfte können auch pränatale Schlaganfälle oder die Rasmussen Enzephalitis sein. Erstaunlicherweise gelingt den von einer Hemisphärektomie betroffenen Kindern eine relativ günstige Entwicklung.

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