Gehirnorganisation: Struktur und Funktion

Transkript

1 Gehirnorganisation: Struktur und Funktion Evangelische Akademie Villigst Simon Eickhoff

2 Institut für Neurowissenschaften und Medizin INM-1: Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns GWAS Genetik Mikroskopischer Aufbau der Großhirnrinde Verteilung von Molekülen der Signalübertragung Darstellung von Faserbahnen In-vivo Bildgebung des Gehirns Kognitive Neuropsychologie Funktionelle fmrt Bildgebung Neurobiologie inter-individueller Varianz

3 Institut für Neurowissenschaften und Medizin INM-1: Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns GWAS Genetik Strukturelle Organisation des Gehirns Mikroskopischer Aufbau der Großhirnrinde Wie ist die Großhirnrinde? Verteilung vonaufgebaut Molekülen der Signalübertragung Darstellung von Faserbahnen In-vivo Bildgebung des Gehirns Kognitive Neuropsychologie Funktionelle fmrt Bildgebung Neurobiologie inter-individueller Varianz

4 Histologie: Zelluläre Struktur der Großhirnrinde

5 Histologie: Zelluläre Struktur der Großhirnrinde

6 Rezeptorarchitektonik Kartierung von Bindungsstellen für Moleküle der Signalübertragung M 1 M 2 kainate GABA A ifs/prcs 44d 44v sd ifj2 op7 ifj1 ifs/prcs 44d 44v sd ifj2 op7 ifs/prcs ifj1 44v 44d ifj2 op7 op8 ifj1 44v 44d ifs/prcs ifj2 op7 ifj1 op8 op8 op fmol/mg protein fmol/mg protein fmol/mg protein fmol/mg protein Amunts, Lenzen, Palomero-Gallagher, Zilles, PLoS Biology, 2010 Zilles, Amunts, Curr Opin Neurol,

7 Rezeptorarchitektonik Kartierung von Bindungsstellen für Moleküle der Signalübertragung

8 Immer noch die Referenz: Brodmann

9 Strukturelle Organisation des Gehirns Ein neuer Atlas der menschlichen Großhirnrinde

10 Histologie: Zelluläre Struktur der Großhirnrinde Kartierung kortikaler Regionen auf Basis der Form und Anordnung von Nervenzellen Wahrscheinlichkeitskarten histologisch definierter Areale frontal pole Eickhoff et al., Neuroimage, 2005 Zilles and Amunts, Nature Reviews Neuroscience, GLI- profiles 2010

11 Der JuBrain histological atlas

12 Histologie: Zelluläre Struktur der Großhirnrinde Kombination von strukturellen Karten mit funktionellen Informationen erlaubt Einblicke in die Organisation des menschlichen Gehirns Fp2 Fp2 Fp1 Fp1 Wahrscheinlichkeitskarte maximum probability map Verbundene Regionen Fp1: Kognition, Arbeitsgedächtnis, Sinneswahrnehmung Fp2: Emotionen und soziale Verarbeitungsprozesse

13 Strukturelle Organisation des Gehirns

14 Strukturelle Organisation des Gehirns...ist nur ein Aspekt der Gehirnorganisation Struktur Segregation Analyse der der regionalen Heterogenität und und Spezialisierung Aus Aus welchen Teilnehmern formen sich sich Netzwerke? Welche Areale sind sind an an bestimmten Aufgaben beteiligt? Integration Analyse der der Interaktionzwischen einzelnen Regionen Kartierung der der (Faser-) Verbindungen zwischen Arealen Kontext-abhängige ngige Modulation des des Informationsflusses Konnektivität

15 Verbindungen im Gehirn Ansätze zur Kartierung von Faserbahnen

16 Polarized Light Imaging (PLI) Dammers et al., Neuroimage (2009) Palm et al., Frontiers Hum Neurosci (2010) Axer et al., Neuroimage (2011), Axer et al., Frontiers in Neuroinformatics (2011)

17 Fr2 Fr1 Fr3 FL Cg1 Cg2 ci Par1 Par1 Par1 BF IG Par1 LS Par2 toc Acb aco En Tu Cl Pir tol AIV AID

18 Diffusionsbildgebung mittels MRT: Darstellung von Faserbahnen im lebenden Gehirn Axon Axon Axon Axon X Z Y Wasser in einer strukturierten Umgebung (z.b. Faserbündel) Brown sche Eigenbewegung Diffusions-Ellipsoid

19 Diffusionsbildgebung mittels MRT: Darstellung von Faserbahnen im lebenden Gehirn

20 Diffusionsbildgebung mittels MRT: Darstellung von Faserbahnen im lebenden Gehirn

21 Kartierung von Faserbahnen im menschlichen Gehirn Polarized Light Imaging Hohe (mikroskopische) Auflösung Präzise Verfolgung von Fasern Nur post-mortem möglich Sehr aufwendiges Verfahren Diffusionsbildgebung im MRT Fasern im lebenden Gehirn Erlaubt Untersuchung großer Fallzahlen Niedrige Auflösung Unsicherheit über echten Faserverlauf

22 Regionale Struktur und strukturelle Konnektivität Segregation Segregation Integration Integration Mikrostruktur des Kortex Strukturelle Konnektivität Mikroskopischer Aufbau der Großhirnrinde Verteilung von Molekülen der Signalübertragung Darstellung von Faserbahnen In-vivo Bildgebung des Gehirns Bottom-up (Ingenieurs-) Ansatz Wenn die Bausteine bekannt sind folgt die Funktion

23 The Blue Brain Project

24 The Blue Brain Project Genetik Zellaufbau Stoffwechsel Rezeptoreigenschafte n Synapsenfunktion Interaktionsregeln Zell- Modell Schaltkreis-Modell Regionale Modelle

25 Regionale Struktur und strukturelle Konnektivität Segregation Mikrostruktur des Kortex Integration Strukturelle Konnektivität Bottom-up (Ingenieurs-) Ansatz Wenn die Bausteine bekannt sind folgt die Funktion Widerspricht emergent properties komplexer Systeme? Und was heißt eigentlich Funktion?

26 Was meinen wir mit Funktion im Gehirn? Funktionsweise der Schaltkreise im Gehirn

27 Was meinen wir mit Funktion im Gehirn? Funktionsweise der Schaltkreise Funktionelle Lokalisation

28 Was meinen wir mit Funktion im Gehirn? Funktionsweise der Schaltkreise Funktionelle Lokalisation Gehirnfunktionen

29 Was meinen wir mit Funktion im Gehirn? Funktionsweise der Schaltkreise Funktionelle Lokalisation Gehirnfunktionen Gehirn Geist Ich -Seele

30 Was Kognitive meinen Neurowissenschaften wir mit Funktion im Gehirn? Funktionsweise der Schaltkreise Funktionelle Lokalisation Gehirnfunktionen Gehirn Geist Ich -Seele

31 Kognitive Neurowissenschaften GWAS Genetik Neuropsychologie Funktionelle fmrt Bildgebung Neurobiologie inter-individueller Varianz

32 Neuropsychologie Übersicht (Persönlichkeits-) Fragebögen Papierbasierte Leistungstests Motorische Tests Verhaltensstudien

33 Neuropsychologie - Verhaltensstudien Standarisierte Computertests Messwerte beschreiben Verarbeitung im Gehirn Fehlerrate: Schwierigkeit Reaktionszeit: Arbeitsbelastung Erfassung der (Teil-) ) Leistungsfähigkeiten in experimentellen Paradigmen Komplexer / spezifischer als klassische Tests

34 Beispiel: Selbst initiierte Bewegungen Frei: Seite und Zeitpunkt intern Wahl: Seite intern, Zeitpunkt extern Reaktion: Seite und Zeitpunkt extern

35 Depression Gedrückte Stimmung Verlust von Freude und Interessen Grübeln und Schuldgefühle Erschöpfung und Energielosigkeit Psychomotorische Verlangsamung Konzentrations-und Gedächtnisprobleme Schlafunregelmäßigkeiten Appetitveränderungen Schmerzen

36 Neuropsychologie: Psychomotorik bei Depression Patienten Kontrollen p-wert Selbst initiierte Bewegungen Langsamer Median RT (ms) (ICR: ) (ICR: 907.0) 0.016* Varianz über Trials (SD in ms) (ICR: ) (ICR: 916.0) 0.008* Auswahl Viel langsamer Median RT (ms) (ICR: 176.5) (ICR: 92.5) 0.000** Varianz über Trials (SD in ms) (ICR: 45.0) (ICR: 37.0) 0.023* Reaktive Bewegungen Etwas langsamer (aber nicht mehr Fehler) Median RT (ms) (ICR: 183.5) (ICR: 82.0) 0.048* Varianz über Trials (SD in ms) (ICR: 44.0) 71.0 (ICR: 36.5) 0.006* Fehler(%) 2.0 (ICR: 6.6) 1.2 (ICR: 1.9) Unterschiede in der RT (ms) Reaktiv"- Wahl" (ICR: 110.5) 46.5 (ICR: 54.0) 0.001**

37 Neuropsychologie: Psychomotorik bei Depression Papierbasierte Tests von Konzentration und Gedächtnis Pfadfindertest A (Konzentration / Schnelligkeit) Pfadfindertest B (Konzentration / Task-Switching) HAWIE-R Zahlentest vorwärts (Kurzzeitgedächtnis) HAWIE-R Zahlentest rückwärts (Arbeitsgedächtnis) Schlechtere Leistung in allen Tests Depressive Patienten scheinen durchweg motorisch und kognitiv verlangsamt bzw. defizitär

38 clusteringneu Neuropsychologie: Psychomotorik bei Depression Signifikant beeinträchtigt in allen neuropsychologischen Tests Signifikant langsamer in allen drei Bedingungen Signifikant beeinträchtigt in allen neuropsychologischen Tests Keine motorische Verlangsamung

39 Segregation Mikrostruktur des Kortex Integration Strukturelle Konnektivität Gehirnfunktionen Funktionelle Lokalisation

40 Funktionelle Bildgebung

41 Funktionelle Bildgebung Grundlage: BOLD Effekt (Blood Oxygen Level Dependent) Vorgehen: Bildsubtraktion Bei Gehirnaktivität ändert sich der Blutfluss Sauerstoffreiches / -armes Blut haben andere magnetische Eigenschaften Änderung des regionalen MRT-Signals Signal wird zwischen Aufgabe und Ruhe verglichen Änderung zeigt Aktivität einer Region

42 Funktionelle Bildgebung und Lokalisation Bewegung der rechten Hand Bewegung der linken Hand

43 Funktionelle Bildgebung und Lokalisation Bewegung beider Hände Nur rechts bzw. links Verstärkte Aktivität bei beidhändiger Koordination

44 Funktionelle Bildgebung und Lokalisation

45 Funktionelle Bildgebung und Lokalisation JuBrain histological atlas 57% in primären motorischen Arealen 21% im prä-motorischen Areal 22% in somatosensorischen Arealen

46 Funktionelle Bildgebung: Neue Perspektiven

47 Funktionelle Bildgebung bei dieser Patientin R L Akustische Stimulation mittels über Kopfhörer präsentierten Worten 3 verschiedene Sprecher: -> Kinder, Freundinnen, fremde Person (Doktorandin) 2 Inhalte: -> Direkte Ansprache mit Nennung des eigenen Namen -> Zusammenhanglose Einzelworte

48 Gibt es differenzierte Reaktionen? R L -> Linker Mandelkern

49 Der Mandelkern Emotionsverarbeitung

50 Audio-visuelle Emotionsverarbeitung 1000 ms 500 ms

51 Audio-visuelle Emotionsverarbeitung Was macht die Amygdala? Zeigt (soziale) Relevanz Und auch Entwarnung

52 Entwarnendes Signal bei sozial-emotionaler Verarbeitung Modulation der Antwort durch Identität des Sprechers und Inhalt

53 Inter-individuelle Varianz Kör pe r bes chw erd en ität Aggressivitä Bean spru chun g Körperbeschwerden tät i v i s res Dep Offenhei Deprestsiv ität

54 Neuropsychologie Funktion Funktionelle Bildgebung Inter-individuelle Varianz Funktionelle Konnektivität Mikrostruktur des Kortex Segregation Strukturelle Konnektivität Integration

55 Das JuBrain Team Hartmut Mohlberg Axel Schleicher Sebastian Bludau Sabine Bradler Uli Bürgel Julian Caspers Svenja Caspers Christian Grefkes Fatma Gerboga Stefan Geyer Anton Hensen Olga Kedo Florian Kurth Anja Ludwig Aleksandar Malikovic Patricia Morosan Milenko Kujovic Nicola Palomero Claudia Rottschy Filip Scheperjans Katrin Amunts Karl Zilles AG Modellierung kortikaler Netzwerke Simone Behrwind Sarah Halfter Robert Hardwick Tanja Kellermann Florian Kurth Christian Roski Melanie Sternkopf Danilo Bzdok Edna Cieslik Mareike Clos Felix Hoffstaedter Oliver Jakobs Tanja Kellermann Robert Langner Veronika Müller Claudia Rottschy

56 Institut für Neurowissenschaften und Medizin Forschungszentrum Jülich Patientenversorgung Kooperation mit den Unikliniken Düsseldorf, Aachen und Köln Psychiatrie, Neurologie, Kinder- und Jugendpsychiatrie Grundlagenforschung Wie ist das gesunde Gehirn organisiert? Wie denken, fühlen, handeln wir? klinische Forschung Wie kommen Einschränkungen zu Stande? Können wir neue Therapien entwickeln? Methodenentwicklung Neue und verbesserte Möglichkeiten der Datenerhebung, -auswertung, -modellierung

57 Funktionelle Bildgebung und Neuropsychologie Versuchsablauf Pfeil nach rechts: Tastendruck rechts Pfeil nach links: Tastendruck links 24 Pfeile im Abstand von je 1 Sekunde Aber: Pfeile nicht gleichmäßig häufig! Lernt das Gehirn diese Wahrscheinlichkeiten?

58 Funktionelle Bildgebung und Neuropsychologie Reaktionszeit auf nach links oder rechts zeigende Pfeile Optimierung der Reaktionszeit durch unbewusstes Lernen Schnelle Anpassung der Prädiktion an neue Gegebenheiten

59 Funktionelle Bildgebung und Neuropsychologie Unbewusstes Lernen der Stimulus-Wahrscheinlichkeiten Anpassen der Erwartung an die veränderten Gegebenheiten Regionen die konsistent an beiden Prozessen zur Optimierung der Reaktion beteiligt sind

60 Funktionelle Bildgebung Der Blick ins Gehirn WAS Darstellung von Prozessen WO Lokalisation von Leistungen WIE Beschreibung von Abläufen