Vorlesung: Kognitive Neuropsychologie

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1 Vorlesung: Kognitive Neuropsychologie Do: 10-12; Geb. A1-3 HS Geschichte der kognitiven Neurowissenschaft (1) Funktionelle Neuroanatomie (3) Methoden der kognitiven Neurowissenschaft I (4) Methoden der kognitiven Neurowissenschaft II (4) Objekterkennung (5 & 6) Aufmerksamkeit und Selektion Kognitive Kontrolle Entwicklung und Plastizität Emotion (13) Gedächtnis und Lernen (8) Sprache (9) 1

2 2

3 Inhibitorische Kontrolle: The Recent Negative Probe Technik 3

4 Inhaltsspezifische Kontrollprozesse? Object task Letter task Mecklinger et al., in prep. 4

5 Verhaltensdaten: Inhibitionskosten Object task Letter task RT (ms) 1000 % cor RT (ms) * * * * % cor interference control Mecklinger et al., in prep. 5

6 FMRI Ergebnisse: Inhaltsspezifische Effekte Object task Letter task 6 Mecklinger et al., 2004

7 FMRI Ergebnisse: Bedingungseffekte Letter task Letter task Object task Object task 7

8 a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z ä ö ü ß 8

9 Entwicklung und Plastizität: Gazzaniaga et al (15); Pinel (2007) (9, 10) 9

10 Neuronale Entwicklung Auswirkung von Erfahrung auf die neuronale Entwicklung Neuroplastische Reaktionen des adulten ZNS Neuroplastizität nach Schädigung des ZNS 10

11 Fünf Phasen der neuronalen Entwicklung Induktion der Neuralplatte Neuronale Proliferation Migration und Aggregation Axonwachstum und Synapsenbildung Neuronentod und Neuanordnung der Synapsen 11

12 1) Induktion der Neuralplatte Abbildung 9.1: Hier ist dargestellt, wie sich die Neuralplatte während der dritten und vierten Woche der menschlichen Embryonalentwicklung zum Neuralrohr ausbildet (adaptiert nach Cowan, 1979). 12

13 2) Neuronale Proliferation (ab 30 Tage) Abbildung 9.2: Die zwei Arten der neuronalen Migration: die radiale Migration und die tangentiale Migration. 13

14 3) Migration und Aggregation: Vermittelt durch neuronale Zelladhäsionsmoleküle (NCAMs) Abbildung 9.3: Zwei Methoden, über die Zellen im sich entwickelnden Neuralrohr migrieren: somale Translokation und glia-vermittelte Migration. 14

15 4) Axonales Wachstum und Synapsenbildung 15

16 Die Chemoaffinitäts-Hypothese kann nicht erklären warum altes Zielgewebe an neuen Positionen falsch innerviert wird. Abbildung 9.5: Sperrys klassische Untersuchung zu Augenrotation und Regeneration. 16

17 Die Wegweiserneuronen-Hypothese? Fasciculation 17

18 Hypothese der topographischen Gradienten Abbildung 9.6: Die Regeneration des Sehnervs des Frosches, nachdem entweder Teile der Retina oder des Tectum opticum zerstört wurden. Diese Befunde unterstützen die topographische Gradientenhypothese. 18

19 Neuronentod Neurotrophine Der Nervenwachstumsfaktor Apoptose / Nekrose Synapsenneuanordnung 19

20 Apoptose 20

21 Synapsenneuanordnung nach Neuronentod Abbildung 9.8: Die Auswirkung von Neuronentod und Synapsenneuanordnung auf die Selektivität der synaptischen Übertragung. Die synaptischen Kontakte jedes Axons werden auf eine kleinere Anzahl von Zellen konzentriert. 21

22 Postnatale Gehirnentwicklung bei Kindern: Abbau überschüssiger Kontaktstellen aufgrund von Lernerfahrungen use it or loose it 22

23 Synaptogenese im auditorischen und präfrontalen Cortex (postmortem) 23

24 Erfahrung und frühe Entwicklung Useitorlooseit Visuelle Deprivation 24

25 Die Auswirkung von Erfahrung: Monokulare Deprivation Abbildung 9.9: Die Auswirkung einiger weniger Tage früher monokularer Deprivation auf die Struktur der Axone, die vom Corpus geniculatum laterale in die Schicht IV des primären visuellen Cortex projizieren. Axone, die Information vom deprivierten Auge übertragen, zeigten eine wesentlich geringere Verzweigung (adaptiert von Antonini und Stryker, 1993). 25

26 Monokulare Deprivation II 26

27 27

28 Auswirkung von Erfahrung auf topographische Karten des sensorischen Kortex Retinotope Organisation der Hörrinde Augenprismen bei Schleiereulen Unterbrechung der Spontanaktivität des Nervus opticus bei neugeborenen Frettchen mit noch geschlossenen Augen. 28

29 Neuronale Reorganisation in sensorischen Systemen 29

30 Neuronale Reorganisation in sensorischen Systemen 30

31 Neuronale Reorganisation in sensorischen Systemen Nach Läsion eines Teils der Retina besetzen Neurone des vis Kortex die ursprünglich RF im verletzten Areal hatten neue RF rund um die Läsion (bereits nach Minuten). 31

32 Neuronale Reorganisation in sensorischen Systemen Durchtrennung der sensorischen Neurone eines Arms: Kortikale Gesichtsrepräsentation breitet sich in das vormalige Armsareal des somatosensorischen Kortex aus. 32

33 Neuronale Reorganisation in sensorischen Systemen: Phantom Limb Sensation 33

34 Neuronale Reorganisation in sensorischen Systemen: Fingerrepräsentation bei Musikern 34

35 Neuronale Reorganisation in sensorischen Systemen: Handrepräsentation durch Training 35

36 Neurogenese im adulten Gehirn Zunahme von Neuronen in singrelevanten Gehirnstruturen bei Singvögeln vor der Paarungssaison. Neurogenese im Bulbus olfaktorius und im Hippocampus erwachsener Tiere. Adulte neuronale Stammzellen im Ependym wanderen zum Bulbus olfaktorius. 60% mehr Hc Neurone bei Ratten in stimulierender Umgebung. (?) 36

37 Neurogenese im adulten Gehirn Inferior parietale Region bei Bilingualität / Erfahrung oder Prädisposition 37

38 Mechanismen der Auswirkung von Erfahrung auf neuronale Entwicklung 1) Neuronale Aktivität -> Zelladhäsionsmoleküle 2) Neuronale Aktivität -> Neurotrophine 3) Erfahrung -> frühe Neurotransmittersysteme 38

39 Drei neuroplastische Reaktionen des NS Degeneration Regeneration Reorganisation 39

40 Neuronale Degeneration nach Axotomie Abbildung 10.15: Neuronale und transneuronale Degeneration nach einer Axotomie. 40

41 Neuronale Degeneration: Sprouting Abbildung 10.17: Kollaterale Aussprossung nach einer neuronalen Degeneration. 41

42 Drei Formen der neuronale Regeneration im PNS (nach Axotomie) Abbildung 10.16: Drei Arten der axonalen Regeneration bei peripheren Nerven von Säugetieren. 42

43 Warum keine Regeneration im ZNS? Schwannzellen produzieren neurotrophe Faktoren und Zelladhäsionsmoleküle. Nicht aber Oligodendroglia. 43

44 Neuronale Reorganisation Sensorische / motorische Systeme 44

45 Neuronale Reorganisation des mot. Kortex Abbildung 10.18: Reorganisation des motorischen Cortex bei der Ratte, im Anschluss an eine Durchtrennung der motorischen Neurone, die die Bewegungen der Vibrissae (Tasthaare) kontrollieren. Der motorische Cortex wurde vor der Durchtrennung und dann wieder einige Wochen danach mittels Hirnstimulation kartiert45 (adaptiert nach Sanes, Suner & Donoghue, 1990).

46 Das Zwei-Stadien-Modell der neuronalen Reorganisation Abbildung 10.19: Das Zwei-Phasen-Modell der neuronalen Reorganisation: (1) Verstärkung bereits bestehender Verbindungen über den Wegfall von Hemmung und (2) Bildung von neuen Verbindungen46 über kollaterale Aussprossungen.

47 Reorganisation nach Hirnschädigungen Abbildung 10.20: Prozentsatz der Patienten, die im Anschluss an eine Gehirnverletzung Besserung zeigen. Teuber (1975) beurteilte die Defizite von hirngeschädigten Soldaten in der Woche nach ihrer Verletzung und nochmals 20 Jahre später. 47

48 Adulte Neurogenese im Hippocampus Abbildung 10.21: Gesteigerte Neurogenese im Gyrus dentatus nach einer Schädigung. Die linke Abbildung zeigt (1) eine elektrolytische Läsion des Gyrus dentatus (geschädigte Neurone sind türkis gefärbt) und (2) die resultierende Zunahme in der Bildung neuer Zellen (rot gefärbt), von denen sich viele zu reifen Neuronen entwickeln (dunkelblau gefärbt). Die rechte Abbildung zeigt den vergleichbaren Kontrollbereich in der ungeschädigten Hemisphäre, der die übliche Anzahl neuer Zellen (rot gefärbt) aufweist (Fotos von Carl Ernst und Brian Christie). 48

49 Förderung der funktionellen Reorganisation Rehabilitationstraining Gentechnik Exp. gesetzte Ischämien Schlaganfall Neurotransplantation Neurotrophin produzierende Stammzellen Neurotrophin produzierende Viren Gewebstransplantation Implantation von Schwannzellen 49

50 Neurotransplantation I 50

51 Neurotransplantation II 51

52 Entwicklung und Plastizität 52