Bewußtsein, Schlaf und Erkrankungen des Nervensystems

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1 Bewußtsein, Schlaf und Erkrankungen des Nervensystems Inhalt: 1. Bewußtsein und Koma 2. Schlaf 3. Exkurs: Imaging Techniken 4. Systemische Erkrankungen Literatur: Dudel et al., Neurowissenschaft (Springer) Reichert, Neurobiologie (Thieme) Kandel et al., Principles of Neural Science (McGraw Hill) Kahle, Taschenatlas der Anatomie, Band 3: Nervensystem und Sinnesorgane (Thieme) Greenstein and Greenstein, Color Atlas of Neuroscience (Thieme) Sacks, Der Mann, der seine Frau mit einem Hut verwechselte (rororo)

2 Bewußtsein: : Zustand des sich gewahr seins Zwei Eigenschaften: Subjektivität: : die eigene Erfahrung erscheint realer als die Erfahrung anderer Einheit: : die Erfahrung kommt als einheitliches Ganzes Möglicherweise ist Bewußtsein dem Entscheidungsprozeß nachgeschaltet: Hirnaktivität konnte im präfrontalen Kortex bis zu 10s vor der Bewußtwerdung eines Entscheidungsprozesses festgestellt werden (Soon CS, Brass M, Heinze HJ, Haynes JD (2008) Unconscious determinants of free decisions in the human brain. Nat. Neurosci. 11: )

3 Schädigungen mit einem teilweisen Verlust des Bewußtseins: Astereognosis: Unfähigkeit, die Form von Objekten durch Berühren herauszufinden; ; in der Regel von einer linksseitigen Lähmung begleitet Unilaterales Neglect: Defizit in der Selbstwahrnehmung der linken KörperhK rperhälfte sowie in der Wahrnehmung der linken Seite der Außenwelt

4 Schädigungen mit einem vollständigen Verlust des Bewußtseins: Koma ( fester Schlaf ) Keine zielgerichtete Reaktion auf eine Stimulation Persistent vegetative state : : fester Schlaf-Wach Rhythmus Patienten erscheinen wach, lächeln, etc. die Handlungen haben aber keinen kognitiven Inhalt Hirntod: : alle Hirnfunktionen haben aufgehört (es kann aber auf der Rückenmarksebene immer noch zu Reaktionen kommen)

5 Zwei Ursachen für Koma: Beidseitige Schädigung der Großhirnrinde z.b. nach einem diffusen metabolischen Block (Hypoxie/Anoxie( Sauerstoffmangel/Fehlen von Sauerstoff; Ischämie mangelnde Blutzufuhr) große Pyramidalneurone sind besonders empfindlich (Hippocampus( Hippocampus: : CA3 Neurone; Schicht V in der Hirnrinde) Schädigung im Hirnstamm: mediale Formatio reticularis,, die mit ihren Fasern das aufsteigende retikuläre aktivierende System (ARAS) ( ascending arousal system ) bildet.

6 Aufsteigendes retikuläres aktivierende System (ARAS) Zentrales Aufmerksamkeitssystem Bewußtsein ist nur vorhanden, wenn ARAS den Kortex hinreichend wachschüttelt Integrierendes System zur Koordination der Hirnaktivität Besteht aus relativ wenig Neuronen die in bestimmten Kernen konzentriert sind und lange und diffuse Projektionen ausbilden Eine einzelne Nervenzelle des ARAS kann bis zu 100,000 postsynaptische Neurone modulieren

7 Charakterisiert durch bestimmte Neurotransmitter einzelne unterscheidbare und spezialisierte Systeme ( Chemoarchitektonik ) - cholinerges - katecholaminerges (Dopamin,, Adrenalin, Noradrenalin) - serotonerges System

8 Cholinerges System Ausgangspunkt: Kerne im basalen Telencephalon (N. basalis) ) und im Hirnstamm Hirnstammkerne innervieren den Thalamus Kerne des basalen Telencephalons innervieren große Kortexbereiche und Bereiche des limbischen Systems (z.b. Hippocampus). Funktion bei der Kontrolle der generellen Hirnaktivität (Aufmerksamkeitssystem) und beim Wach/Schlafrhythmus

9 Noradrenerges System Die meisten noradrenergen Neurone befinden sich im Locus coeruleus (kleiner Kern im Pons, der aus etwa 12,000 Neuronen besteht. Axone des L.c. sind stark verzweigt und projezieren in nahezu alle Hirnregionen Präsynaptische Endigungen sind nicht gezielt sondern setzen Noradrenalin diffus in großen Gebieten frei. Mögliche Funktion bei der Kontrolle der generellen Aktivität des Gehirns kann als Sympathicus des CNS betrachtet werden

10 Serotonerges System Die meisten serotonergen Neurone liegen in den neun Raphekernen des Hirnstamms. Serotonerge Neurone projezieren in nahezu jede Hirnregion und in das Rückenmark. Funktion bei der Modellierung des Aufmerksamkeitszustandes, des emotionellen Zustands und der Schlafzyklen. Modulation der aufsteigenden Schmerzübertragung durch die Neurone, e, die in das Rückenmark pojezieren.

11 Schlaf Zwei Charakteristika: - Zentraler Oszillator - Modulation Zentraler Oszillator: Niedere Vertebraten: Epiphyse (Zirbeldrüse) lichtsensitives Organ Höhere Vertebraten: suprachiasmatischer Nucleus (im Hypothalamus; ; enthält etwa 10,000 Neurone; Funktionsmechanismus ist unklar)

12 Modulation - Bei niederen Vertebraten durch lichtsensitives Organ selbst (Epiphyse physe fungiert als photoneuroendokrines Organ) - Bei höheren Vertebraten: visueller Eingang über retinohypothalamischen Trakt und modulatorischen Eingang durch Hirnstamm; SCN innerviert Epiphyse die als dunkel-aktive Hormondrüse fungiert (Melatonin( Melatonin,, internes Signal für Dunkelheit) Auge retinohypothalamischer Trakt SCN Epiphyse Aktivierende Systeme Hirnstamm Melatonin

13 Was detektiert das Licht? - Das Auge ist notwendig für die Modulation - Blinde Mäuse (d.h. Mäuse ohne Stäbchen und Zapfen) sind immer noch in der Lage zur Modulation (Freedman et al. Regulation of mammalian circadian behavior by non-rod rod, non-cone cone, ocular photoreceptors, Science 284:502 : (1999)) 504(1999)) - Photorezeptoren haben andere spektrale Charakteristika ( ( max of 480 nm rods: : 498, cone: : 508 nm) - Melanopsin exprimierende retinale Ganglien- zellen - Melanopsin KO-Mäuse verlieren Fähigkeit zur Modulation

14 Melatonin (N-acetly acetly-5-methoxytryptamine) Aus Tryptophan synthetisiert Synthese und Sekretion zeigen zirkadianen Rhythmus (70% der Sekretion erfolgt nachts) Sekretion erfolgt passiv und folgt der Synthese In Ratten kann die Melatoninsekretion durch Denervation der Epiphyse oder durch andauernde Beleuchtung unterbunden werden (zirkadianer Rhythmus anderer Aktivitäten bleibt aber erhalten) In Ratten stimuliert Melatonin Wachheit, wenn es tagsüber verabreicht wird. In Vögeln wirkt es hypnotisch Melatoningabe scheint bei alten Leuten das Einschlafen zu fördern und beim jet lag zu helfen

15 Schlafphasen Schlaf ist aktiv induziert und in verschiedenen Phasen organisiert rt Zyklische Abfolge aktiver Zustände: non-rem REM-Schlaf: : tiefere Schlafphasen REM-Schlaf Schlaf: : schnelle Augenbewegungen ( rapid eye movement ), Traumaktivität, leicht reversibel Non-REM Schlaf: niedrige neuronale Aktiviät niedrige Stoffwechselrate und Hirntemperatur keine aktive Hemmung der Skelettmuskulatur REM Schlaf: neuronale Aktivität entspricht dem Wachzustand Stoffwechselrate und Hirntemperatur steigen an aktive Hemmung der Skelettmuskulatur paradoxer Schlaf

16 Funktion von Schlaf Noch nicht endgültig geklärt: Ratten, die Wochen am Schlafen gehindert wurden, sterben Kleinere Tiere schlafen generell länger als größere (Fledermäuse 18 hrs, Elefanten, 4-54 hrs) Zwei Haupthypothesen: 1. Der Wachzustand verursacht ein Defizit der neuronalen Energieresourcen,, das im Schlaf wieder aufgefüllt werden muß 2. Schlaf hat eine Schlüsselrolle bei der neuronalen Plastizität Vol 430, July 1st, 2004

17 Regulation von Schlaf und Wachheit Aktivierende Systeme des Hirnstamms Anteriorer Hypothalamus (GABA-erge inhibitorische Neurone) Posteriorer Hypothalamus Histaminerge Neurone Wach- zustand

18 Regulation von Schlaf und Wachheit Medulla Aktivierende Systeme des Hirnstamms Trennung bewirkt, daß das Vorderhirn der Tiere die meiste Zeit wach ist Anteriorer Hypothalamus (GABA-erge inhibitorische Neurone) Aktivierung durch Wärme fördert Schlaf Trennung fördert Schlaf Posteriorer Hypothalamus Histaminerge Neurone Wach- zustand

19 Regulation der REM Schlafphasen durch nucleus reticularis pontis oralis - Stimulation induziert REM Schlaf - Bilaterale Zerstörung eliminiert REM Schlaf - Input durch cholinerge Neuronen ACh Agonist Carbachol bewirkt verlängerte REM Schlafphasen

20 Regulation der Skelettmuskulator während des REM Schlafes Motoneurone werden aktiv inhibiert durch Systeme in Pons und Medulla Starter: Aktivierung GABA-erger Neurone aus dem Pons Inhibition noradrenerger und serotonerger Neurone Aktivierung cholinerger Neurone im Pons Aktivierung glutamaterger Neurone im Pons Aktivierung glycinerger Neurone in der Medulla Inhibition von Alpha-Motoneuronen im ventralen Horn

21 Krankheiten des Schlafs: Narkolepsie Symptome: plötzlicher Verlust des Muskeltonus (Kataplexie) im Wachzustand; zwanghafte Schlafanfälle von minutenlanger Dauer Untersuchung von Hunden mit rezessiver Narkolepsie: während der Kataplexie feuern Neurone im nucleus reticularis pontis oralis,, die sonst nur beim REM-Schlaf feuern Hunde mit Narkolepsie wandern während des REM-Schlafes herum Narkoleptische Hunde haben Mutation in Hypocretin (Orexin)) Rezeptor; Orexin wird vom Hypothalamus produziert

22 Schizophrenie Dopamin-System ist zumindest teilweise beteiligt: Pharmakologische Behandlungen, die die dopaminerge synaptische Transmission verringern (z.b. die antipsychotische Droge Haloperidol) verbessern den Zustand schizophrener Patienten Drogen, die die Dopamin-Konzentration erhöhen (L-DOPA und Kokain) verursachen schizophrenie-ähnliche Symptome postmortem Analyse hat eine erhöhte Konzentration dopaminerger Rezeptoren im limbischen System gezeigt Neue Generation antipsychotischer Drogen hat gezeigt, daß hochaffine Bindung an spezifische Serotonin-Rezeptoren (Serotonin 2A Rezeptor) erfolgt Dopamin/Serotonin Hypothese der Psychosen: : Aktive Drogen sind hochaffine Antagonisten des Serotonin 2A Rezeptors und haben niedrigere Affinität für Dopamin D2 Rezeptor (Review article: : Dean (2003) The cortical serotonin2a receptor and the pathology of schoziphrenia: : a likely accomplice.. J. Neurochem.. 85: 1-13) 1 13)

23 Neurobiologie affektiver Erkrankungen Depression: : Antriebs-,, Denk- und Willenshemmung potentiell lebensbedrohend: 15% aller Depressiven sterben am Suizid Manie: : Gegenteil der Depression Zustand mit Antriebssteigerung und gehobener Stimmungslage Evidenz für die Beteiligung des Serotonin-Wiederaufnahmesystems Antidepressiv wirkende Medikamente (Prozac( Prozac, Seroxat, Zoloft) ) inhibieren Wiederaufnahme von Serotonin und erhöhen die Verfügbarkeit von Serotonin

24 EXKURS: Imaging Techniken 3D Imaging begann in den 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts mit der Röntgencomputertomographie und der Kernspintomographie Produzieren detailierte Bilder in lebenden Organismen, sind aber statisch Technik Röntgencomputertomographie ( CT CT-scanning ) Kernspintomographie ( magnetic resonance imaging MRI) Eigenschaften Verwendet rotierende Röntgenquelle Statische Bilder, geringer Kontrast Verwendet verschiedene magnetische Eigenschaften von Gewebe Guter Kontrast auch in Weichgewebe (Auflösung: etwa 1mm)

25 Entwicklung von Methoden, die es erlauben Hirnaktivität und Unterschiede in der Aktivität festzustellen Technik Funktionelle Kernspin- tomographie ( functional MRI fmri) positron emission tomography (PET) Eigenschaften Indirekte Bestimmung der Hirnaktivität, z.b. BOLD ( blood oxygen level detection ) Zeitliche Auflösung im Sekundenbereich Detektion von Spurenmengen radioaktiver Isotope, die interessierende Moleküle markieren (z.b. 18F-desoxyglucose) Verwendung kurzlebiger Isotope, die lokal produziert werden müssen BOLD: Bestimmung des Verhältnisses von Oxyhämoglobin zu Desoxyhämoglobin (paramagnetisch) erhöhter hter Blutzufluß in aktiven Hirnregionen