Neurale Grundlagen kognitiver Leistungen II

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Bernhard Adrian Vogel
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Neurale Grundlagen kognitiver Leistungen II Inhalt: 1. Lernen und Gedächtnis: Hirnregionen und wichtige Bahnen 2. Aufbau der Hippocampusformation 2.

1 Neurale Grundlagen kognitiver Leistungen II Inhalt: 1. Lernen und Gedächtnis: Hirnregionen und wichtige Bahnen 2. Aufbau der Hippocampusformation 2.1 Anatomie und Mikroanatomie der Hippocampusformation 2.2 Funktionsprinzipen 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)

Beteiligung des Frontallappens (BA46): kleine Verletzung

2 Arbeitsgedächtnis Arbeitsgedächtnis: untersucht in sog. delayed response task (verzögerte Vergleichsaufgabe) Beteiligung des Frontallappens (BA46): kleine Verletzung verursacht große Defizite Strukturelle Grundlage: andauernde Aktivität von Neuronen (<30s)

3 Arten des Langzeitgedächtnis Implizites (nicht( nicht-deklaratives) ) und explizites (deklaratives( deklaratives) ) Gedächtnis:

Hirnregionen, die am Erwerb deklarativen Gedächtnisses beteiligt sind Patienten mit charakteristischen Läsionen - chirurgische Eingriffe - neurodegenerative Erkrankungen H.M.

4 Hirnregionen, die am Erwerb deklarativen Gedächtnisses beteiligt sind Patienten mit charakteristischen Läsionen - chirurgische Eingriffe - neurodegenerative Erkrankungen H.M.: : Chirurgische Entfernung großer Bereiche des Temporallappens (bilateral) Defizit in der Gedächtnisbildung (anterograde Amnesie) - Normales Arbeitsgedächtnis - Gutes Langzeitgedächtnis (aber auch retrograde Amnesie) - Unveränderter IQ - Unverändertes Lernen motorischer Fertigkeiten

Alzheimersche Krankheit In der Frühphase spezifische Defizite in der Gedächtnisbildung Frühe Veränderungen (Degeneration) in spezifischen Bereichen des Temporallappens, vor allem im

5 Alzheimersche Krankheit In der Frühphase spezifische Defizite in der Gedächtnisbildung Frühe Veränderungen (Degeneration) in spezifischen Bereichen des Temporallappens, vor allem im entorhinalen Cortex und in der Hippocampusformation auch Ausfall cholinerger Neurone, die den Hippocampus innervieren Zentrale Rolle des Hippocampus bei Gedächtnisvorg chtnisvorgängenngen

mit Verbindungen zum Hypothalamus und Gyrus cinguli beeinflußt endokrines, viscerales und emotionales Geschehen; wichtige Rolle

6 Anatomie des Hippocampus und angrenzender Hirnstrukturen Hippocampus: - Hauptteil des Archicortex - Einstülpung am Rand des Neokortex - 1-Schichten-StrukturStruktur Oberstes Integrationsorgan bei Reptilien, die keinen Neokortex besitzen Integrationsorgan mit Verbindungen zum Hypothalamus und Gyrus cinguli beeinflußt endokrines, viscerales und emotionales Geschehen; wichtige Rolle bei Lern- und Gedächtnisvorg chtnisvorgängenngen Niedrige Reizschwelle für Krampfentladungen: Rolle beim Auslösen epileptischer Krampfanfälle

7 Hauptsächliche Bahnen zum Erwerb deklarativen Gedächtnisses Dopppelfunktion des entorhinalen Cortex: : hauptsächlicher Input und hauptsächlicher Output in den Hippocampus Aber: : EC und H sind Durchgangsstationen aber nicht der Ort der Speicherung von Gedächtnisinhalten

8 Mikroanatomie des Hippocampus Gyrus dentatus (Körnerzellen) CA3 (große Pyramidenzellen) CA2 (große Pyramidenzellen) CA1 (kleine Pyramidenzellen) Subiculum Entorhinaler Cortex

9 Alveus Eingang und Ausgang aus dem Hippocampus CA3 CA2 CA1 Tractus perforans Gyrus dentatus Input: Tractus perforans,, endet vor allem an Dendriten der Körnerzellen des Gyrus dentatus Ausgang: Axone der Pyramidenzelle, die sich im Alveus sammeln

10 Verbindungen innerhalb des Hippocampus CA3 CA2 CA1 Moosfasern Gyrus dentatus Schaffer-Kollaterale 1. Axone der Körnerzellen bilden Moosfasern, die Pyramidenzellen kontaktieren 2. Schaffer-Kollaterale von Axonen der CA3 Pyramidenzellen kontaktieren CA1 Pyramidenzellen

11 Erregungsausbreitung im Hippocampus: : Der trisynaptische Erregungsweg Alveus CA3 CA2 CA1 Mossfasern Tractus perforans Gyrus detatus Schaffer- Kollaterale

12 Wie funktioniert der Hippocampus bei der Gedächtnisbildung? I. Der Hippocampus erhält nicht unmittelbar somatosensorische Information sondern ist vor allem mit den Assoziationskortices verbunden Schlüsselfunktion kann sein, daß der Hippocampus bereits hoch prozessierte Information vom Cortex erhält, diese modifiziert und zurück zum Cortex schickt

13 II. Die Verbindungen im Hippocampus (Schaffer-Kollaterale und Moosfasern) reagieren abhängig von früheren Ereignissen CA3 CA2 CA1 Recording Moosfasern Gyrus dentatus Stimulus Kurze hochfrequente Stimulierung erhöht die Amplitude des exzitatorischen postsynaptischen Potentials in der Zielzelle long-term potentiation (LTP)

14 II. Die Verbindungen im Hippocampus (Schaffer-Kollaterale und Moosfasern) reagieren abhängig von früheren Ereignissen CA3 CA2 CA1 Stimulus Gyrus dentatus Schaffer-Kollaterale Recording Kurze hochfrequente Stimulierung erhöht die Amplitude des exzitatorischen postsynaptischen Potentials in der Zielzelle long-term potentiation (LTP)

15 Molekulare Grundlage der LTP in Schaffer-Kollateralen Homosynaptische LTP erfahrungsabhängige ngige Strukturplastizität Assoziative LTP Koinzidenzdetektor

16 Schaffer-Kollaterale Kollaterale: postsynaptisch durch Glutamatrezeptoren vermittelt Mossfasern: : hängt h von präsynaptischem Ca-Einstrom ab, der eine 2nd Messenger Kaskade aktiviert Downstream-Effekte vermutlich in beiden Fällen F gleich: Ca Ca abhängige Adenylatcyclase + camp ATP + PKA Genexpression Strukturelle Grundlage der LTP unterscheidet sich in Moosfasern und Schaffer- Kollateralen: Aktivierung von Transkriptions- faktoren (z.b. CREB) Tierexperimentelle Evidenz: -Transgene Mäuse, bei denen die PKA im Hippokampus inaktiviert wird Störung in der Gedächtnisbildung - Blockierung der NMDA-Rezeptoren Störung in der Gedächtnisbildung

17 Cholinerger Input ist möglicherweise wichtig für die Funktion des Hippocampus nach dem 2-Stadien2 Stadien-Modell der Gedächtnisbildung (Hasselmo,, 1999): on-line Zustand: : verhaltensaktiver, explorativer Wachzustand (auch REM-Schlaf Schlaf) Hohe Aktivität des cholinergen Systems, neu einlaufende Informationen werden intern gespeichert off-line Zustand:: wach-immobiler und non non-rem Schlaf Minimale Aktivität des cholinergen Systems, zwischengelagerte Informationen werden ausgelesen und an die langfristigen Speicher r im Neokortex überschrieben Mitwirkung von gamma-(35 (35-80 Hz) und theta-(5 (5-12 Hz) Oszillationen: cholinerge Induktion der gamma Oszillationen erfolgt vermittelst des muskarinischen (M1) Rezeptors (Überblicksartikel: Alzheimer und Wess,, Muskarinische Acetylcholinrezeoptoren und die neuronalen Mechanismen kognitiver Leistungen Neuroforum 2 (2005))

18 III. Die neuronalen Verbindungen im Hippocampus können Oszillationen hervorrufen Der Hippocampus wirkt als Netzwerkoszillator und produziert Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen: z.b. theta Oszillationen (4-10 Hz) und gamma ( Hz) Oszillationen Oszillationen können k durch Rückkopplungsschleifen R erzeugt werden, die im Hippocampus vorhanden sind Könnten eine Rolle spielen beim Auslösen sen synchroner Netzwerkaktivität t im Neocortex,, die synaptische Kontakte verstärkt rkt

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