GEHIRN MESOANATOMIE - Schaltkreise -

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1 GEHIRN MESOANATOMIE - Schaltkreise - S. Freud 140 SCHALTKREISE - Zwischen mindestens zwei Arealen, Kernen V.a Nucleus accumbens (NAc) mit VTA und auch Amygdala für die Psychotherapie relevant (VTA = ventrales tegmentales Areal; Hirnstamm) Achtung: NAc ist auch bei Depression gestört! - Wechselseitige Erregung, wechselseitige Hemmung und Erregung/Hemmungs-Struktur - Größter identifizierter Schaltkreis im Gehirn ist jener der unwillkürlichen Bewegungsorganisation vom Kortex ausgehend über das Putamen, das Pallidum, über den Thalamus zurück zum Kortex; bei Störungen: z.b. M. Parkinson 141 1

2 SCHALTKREISE DER AUTOMATISIERTEN BEWEGUNGSPROGRAMME UND DER PSYCHOSE antagonistische Konvergenz - CORTEXout hoch: Psychose via direkten Loop (Gas), indirekter Loop als Bremse; da D2 Rez. und D1 Rez. unbalanciert (D2 > D1 Psychose) Path. Synergie! CAVEAT: D1 / D2 Gleichgewicht! 2 Indirekter - Loop BREMSE Hemg PUTout (+): PALLEXout(-) PALLINout (+) THALout (-) COR-In (-) é ê ê é ê ê é é (ñ ) é 1 Direkter + Loop GAS Hemg PUTout (+): PALLINout(-) THALout (+) COR-In (+) Erl.: Pallidum externum Substanzia nigra Subthalamischer Nucleus Pallidum internum Thalamus é é ê ê ê é é STRUKTUR DER SCHALTKREISE BEI ZWANG (Schiepek 2011) 143 2

3 MESOLIMBISCHES BELOHNUNGSSYSTEM Koob & LeMoal 2005 BELOHNUNGSSYSTEM Q: Pharmazeutische Zeitung 145 3

4 NUCLEUS ACCUMBENS UND DEPRESSION! Reward circuit and Depression, Ross & Nestler 2013 KOMPLEXE FUNKTION DES DOPAMIN- SYSTEMS - Vorhersage- Irrtums- Signal- FunkJon von DA - I UNERWARTETE BELOHNUNG Dopamin- Neuron im VTA feuert bei Belohnung, auch ohne Erwartung II III BELOHNUNGSERWARTUNG Dopamin- Neuron feuert bei Erwartung der Belohnung mehr als bei Belohnung AUSBLEIBENDE BELOHNUNG Dopamin- Neuron ist gehemmt, wenn Belohnung ausbleibt WO KOMMT DIE KOGNITION IN DEN HIRNSTAMM? Schultz

5 DAS SÜCHTIGE GEHIRN ALS KOMPLEXES NETZWERK AUFMERK- SAMKEIT Prefrontaler Kortex BEWERTUNG anteriorer cingulärer Kortex ZWANGHAFTES DROGENSUCHEN Striatum FILTERFUNKTION Thalamus Sinnes- Systeme BELOHNUNGS- BEZOGENE STIMULI Orbitofrontaler Kortex IMPULS- HEMMUNG Motor. Systeme AUTOMATISIERTES VERHALTEN Amygdala Hippokampus IMPULSIVES VERHALTEN Nucleus Accumbens ventrales Tegmentum GEDÄCHTNIS BELOHNUNG BELOHNUNG 148 Eliminativer Materialismus: Welcher Hirnteil erlebt? DER INFORMIERTE PATIENT MIT RÜCKFALL: Nicht ich, sondern mein Nucleus Accumbens brauchte Alkohol... 5

6 LOKALE NERVENNETZWERKE (hier: v.a. präfrontaler Kortex)

7 Gehirn-lokales Netzwerk (Cortex) Verschaltung erregender Zellen u. hemmender Zellen II ACT - INH A B OSCILLATOR Activity tim e GRUNDLAGEN DES EEGs Pyramidenzellen als modulierte Dipole AP GLU ILN GLU GABA NE ACH FP Neuronal activity : are spikes of pyramidal cells, of afferent / efferent fibers or both or of field potentials (lower trace, right) appropriate indicators? Afferent fibers: Glu = glutamate, NE = norepinephrine, ACH = acetylcholine, ILN 153 = interlaminar nucleus (thalamus) 7

8 Spiking model from an der Heiden 2006 I(t) Pyramidal cell D3 Dopaminergic fibers SENSORY (Thalamic) INPUT Inhibitory interneuron with GABA E From burst pattern to irregular pattern by reduction of GABA receptors Changes of oscillatory properjes: the crucial role of inhibijon (comp. Liljenstroem 2010) a ) normal condijon strong excitajon and strong inhibijon b ) Moderate reducjon of excitatory and inhibitory synapjc transmission. c ) Moderate reducjon of excitatory and large reducjon of inhibitory synapjc transmission. 8

9 NUCLEUS ACCUMBENS UND SUCHT Alkohol-Infusion / MRT -> Aktivierung des Nucleus accumbens / ventrales striatum Bolilea et al. 2003: ALKOHOLWIRKUNG und DOPAMINMODULATOREN Alkohol + Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über + zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. + Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Dopamin Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. - _ GABA Endorphin Noradrenalin Glutamat Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Amphetamine Alkohol Benzodiazepine Nikotin Dopamin Alkohol wirkt auf viele Transmissionssysteme, verändert ihre Funktionalität => Mutliple Therapie- Optionen? Ein Transmissionssystem wird von mehreren Substanzen moduliert 157 9

10 % of Basal Release Effects of Drugs on Dopamine Levels Accumbens AMPHETAMINE DA DOPAC HVA hr Time After Amphetamine % of Basal Release Accumbens COCAINE DA DOPAC HVA hr Time After Cocaine % of Basal Release NICOTINE Accumbens Caudate % of Basal Release Accumbens MORPHINE Dose (mg/kg) hr Time After Nicotine hr Time After Morphine 158 Source: Di Chiara and Imperato NETZWERK NEUROCHEMISCHER ZENTREN IM HIRNSTAMM VTA = Dopamin NR = Serotonin PPT = Actylcholin LC = Noradrenalin lokales GABA u. Endorphin u. Glutamat-Input 10

11 NERVENZELLEN 160 NERVENZELLE - In verschiedenen Gehirnregionen finden sich verschiedene Zellarten (Cortex: v.a. erregende Pyramidenzellen, auch hemmende Korbzellen) - Die Nervenzellen (Neurone) sind über elektrische Potenzialänderungen aktiv. Sie werden durch Mikroelektroden, die die Spannungsdifferenz zwischen Zelläußerem und Zellinneren messen registriert. In Ruhe: - 70mV - Es gibt rasche, impulshafte Änderungen (Aktionspotenziale, Spikes) und graduierte Potenzialänderungen. - Molekulare Basis der elektrischen Aktivität der Zellen ist die Konzentrationsdifferenz zwischen Zelläußerem (Natrium, Chlorid und Calcium dominant) und Zellinnerem (Kalium dominant). - Aktivierung von Rezeptoren kann Ionenkanäle öffnen und zu einem Spanungsausgleich führen

12 Pyramidenzelle des Kortex 162 VIELGESTALTIGKEIT DER NERVENZELLEN an verschiedenen Gehirnorten unterschiedliche Zelltypen, Auch abhängig von den Färbetechniken

13 Cell morphology Connectivity Histochemistry Electrophysiology large Basket-cell type and Chandelier cells cells with narrow dendritic and axonal arbors; Double b o u q u e t c e l l s, a l s o Martinotti cells NETZWERK IM PRÄFRONTALEN KORTEX (peri)somatargeting (PTC/ STC) dendrite targeting cells (DTC) interneuron targeting cells (ITC) parvalbumincontaining c. (PV) calbindincontaining c. (CB) calretinincontaining c. (CR) fast-spiking cells (FS) s p i k e - f r e q u e n c y adaptation i r r e g u l a r s p i k i n g patterns (often: bursting pattern,bs)/ non-pyramidal cells (NP) soma-targeting not specific burst-spiking (BS) activity Basket cells soma-targeting vasoactive intestinal peptide (VIP) Neurogliaform cells dendritetargeting not specific regular spiking cells (RS) late spiking cells (LS) ZELLEN IM PRÄFRONTALEN CORTEX LS cell FS cell RS /BSNP cell PC Basket cell Double bouquet cell Neuroglioform cell PC Chandelier cell Martinott cell 13

14 Ionenkanäle ELEKTRISCHES POTENZIAL DER ZELLE DURCH IONENDIFFERENZ AUSSEN Natrium Calcium Chlorid MEMBRAN INNEN Kalium 166 burst firing sodium channel - 30mV - 60mV down-state up-state potassium channel 14

15 What are the neurons talking of? A burst firing (20 Hz, 50ms ISI) B phasic firing (11 Hz, 100 ms ISI) tonic firing (4 Hz, 250 ms ISI) C 1s Time burst firing - 50mV - 80mV down-state up-state down-state 15