Vorlesung # 11 Höhere Hirnfunktionen Aufbau des menschlichen Gehirns Emotion Lernen Gedächtnis
Anatomie des menschlichen Gehirns ein Überblick
Dorsale Ansicht
Ventrale Ansicht
Ventrikel Fornix
Innere Strukturen
Hirnstamm
Einteilung Loben
Einteilung sensomotorische und Assoziations-Cortices
Modulationssysteme im Gehirn modulieren Wahrnehmung und Verhalten bzw. Gesamtfunktionen des Hirns
Noradrenerges System Ursprung im Locus coeruleus, projiziert in Cortex, Thalamus und Hypoth., Olf. Bulb., Kleinhirn, Rückenmark. Verzweigtestes System, bis zu 250.000 Synapsen pro Neuron, Axon verzweigt z.b. aus einer Zelle in Großhirnrinde und Kleinhirn (spezielle Färbemethoden). Steuerung von Aufmerksamkeit, Erregung, Wach-/ Schlafrhythmus. Ausserdem Rolle bei Lernen und Erinnern, Angst, Schmerz, Gemüt und Hirnstoffwechsel. Wird aktiv wenn unerwartete Reize aus der Umgebung kommen (nicht-schmerzhaft), erregt Hirn so daß sensorische Systeme und deren Informationsverarbeitung schneller arbeiten.
Serotonerges System Raphekerne. Im Hirnstamm entlang der Mittellinie. Kerne in medulla oblongata projizieren in Rückenmark (Modulation von Schmerzreizen), Kerne in Pons und Mittelhirn projizieren in Großhirn. Sind in Zustand der Wachsamkeit am aktivsten. Beteiligt an Wach/Schlafrhythmen und Kontrolle der Schlafphasen. Auch Zusammenhang mit Gemütszuständen und emotionalen Verhaltensweisen, Depression.
Dopaminerges System dopaminerge Neuronen über das ganze ZNS verstreut, aber auch einige konzentrierte Zellgruppen: Substantia nigra und ventrale tegmentale Area. Neuronen von SN senden Fortsätze in Striatum, wo sie an Förderung willkürlicher Bewegungen beteiligt sind. Degeneration der SN Neurone führt zu Schüttellähmung (bei Parkinson). Neurone aus VTA innervieren Präfrontalen Cortex und limbisches System (mesocorticolimbic dopamine system). Belohnungssystem (Ratten versuchen diese Bahnen zu stimulieren, wenn sie dazu Gelegenheit bekommen). Auch involviert in psychische Störungen.
Cholinerges System Cholinerge Interneuronen im Striatum und Cortex, aber auch Kerne, von denen ein diffuses Modulationssystem ausgeht: Eines im basalen Vorderhirn, in der Nähe der Basalganglien: Nuclei septales mediales, Innervierung des Hippocampus, und Nucleus basalis (Meynert), der Neocortex innerviert. Die Funktion dieser Zellen ist unbekannt, allerdings gehören sie zu den ersten Zellen, die bei Alzheimer absterben. Aber wiederum Bedeutung für Erregbarkeit, Wach/Schlafzyklen und Lernen/Erinnnern. Zweites System ist der pontomesencephalotegmentale Komplex: Wirkt auf Thalamus, zur Regulation der Erregbarkeit der sensorischen Relaiskerne, zusammen mit Dopamin und Serotonin Systemen. Aber auch Verbindungen zum basalen Vorderhirn.
Hypothalamus und Hypophyse Kontrolle von Körperfunktionen Suprachiasmatischer nukleus, reguliert circadiane Rhythmen
Gehirn und Fett-, bzw. Magersucht Hypothalamusneuronen nehmen absinken eines Hormons wahr (Leptin), das von Fettzellen abgegeben wird, wenn der Hungerzustand eintritt. Dieses sind periventrikuläre Hypothalamus-Neuronen. Neuronen im lateralen Hypothalamus lösen dann Eßverhalten aus. Dies wurde durch kleine beidseitige Läsionen bei Ratten gezeigt, die Magersucht auslösen (Laterales hypothalamisches Syndrom). Läsionen im ventromedialen Hypothalamus führen zu Fettsucht (ventromediales hypothalamisches Syndrom). Neuronen hier werden von Leptin aktiviert
Reaktionen des Hypothalamus auf Hunger- und Sättigungssignale
Emotionen Verschiedene Theorien zu Emotion: -Emotion bedingt durch körperliches Empfinden / Funktionen -Körperlicher Ausdruck Ergebnis von empfundenen Emotionen Irgendwie ist beides richtig (z.b. kann man sich zwingen, laut zu lachen, was recht bald die Stimmung hebt, fröhliches Empfinden verursacht) Beteiligte Hirnregionen sind sicher in den Temporallappen zu suchen (Ektomie bei Tieren verringert sehr stark Angstempfinden und -ausdruck), dort finden sich Hippocampus und Amygdala; aber auch Bereich rund um den Hirnstamm, bzw. im cingulären Cortex (an Balken Corpus callosum angrenzend), sowie Hypothalamus) Jedoch ist die Vorstellung einer Beschränkung von Emotionen auf ein einzelnes Hirnzentrum unwahrscheinlich, eher verteilt auf viele Bereich (anders als sensorische Leitungsbahnen und deren sehr diskrete Zielregionen) cingulärer Cortex anteriore Thalamuskerne
Amygdala und Angst olfaktorische Eingänge gustatorische visuelle auditive taktile Eingänge Amygdala werden aktiv, wenn ein ängstliches Gesicht gesehen wird. Läsionen der Amygdala führen zu reduzierter Angst und Aggression. Stimulation der Amygdala kann Angst und Aggression auslösen
Gelernte Angst
Amygdala und Aggression Beuteaggression: Dient zum Erlegen von Nahrung, ohne Lautäusserungen Affektive Aggression: Um Eindruck zu schinden, mit Lautäusserungen, hohe Aktivität im sympathischen vegetativen Nervensystem Bei Versuchstieren, Affen, in einer Kolonie mit strikter Rangordnung wurde beim Chefaffen eine beidseitige Amygdala-Läsion vorgenommen. Nach Rückkehr in die Kolonie sank er in der Hierarchie ganz nach unten, und der vormals zweite wurde der neue Chef. Agression auch von Serotonin und Serotininrezeptoren beeinflusst
Hirnrhythmen - EEG
Verschiedene Rhythmen unterschiedlicher Frequenz korrelieren mit bestimmten (Verhaltens-)Zuständen Können stark variieren und korrelieren mit bestimmten Verhaltenszuständen (Wach/Schlaf, Aufmerksamkeit) oder Pathologien (Koma, Epilepsie). Verschiedenen Rhythmen werden nach Frequenzbereich unterscheiden: α, β, γ, δ, θ Wellen. α: 8-12 Hz, Ruhe, bzw. Wachzustand mit geschlossenen Augen; β: 10-30 Hz, aktiver Cortex; γ: >30 Hz, kognitive Aufgaben, hohe Konzentration, δ: 4-7 Hz, bestimmte Schlafstadien θ: noch langsamer, große Amplitude, Tiefschlafphase
Oszillierende Aktivität Bindungstheorie, Beispiel Ballspiel
Epilepsie Massive snychrone Aktivität, z.b. wenn inhibitorische Transmission gestört, GABA-Rezeptoren gehemmt sind Krämpfe oder Absencen sind die Folge Krampfanfälle können aber auch nur auf kleine Cortexbereiche lokalisiert sein. Von dort können sie z.t. aber auch auf weitere Bereiche übergreifen. Lokale Krämpfe können je nach betroffener Region anormale Empfindungen ( Auren ) auslösen, z.b. seltsamen Geruch, funkelnde Lichter. Auch Deja-vú Erlebnisse oder Halluzinationen werden mit begrenzten Krämpfen in Verbindung gebracht
Schlaf Non-REM Schlaf: Sehr stark reduzierte Hirnfunktion, aber Körper im Prinzip beweglich REM-Schlaf: Sehr viel Hirnfunktion, aber quasi gelähmter Körper. Traumphase Bei Tieren wie Delphinen, die immerzu Luft holen müssen, wäre Schlaf fatal. Sie schlafen aber trotzdem, allerdings nur jeweils die eine Hirnhälfte, was sich alle 2 Stunden abwechselt. Manche Delphinarten, die in undurchsichtigen Gewässern leben und Sonar benutzen um sich zu orientieren, schlafen nur immer 4-5 sekundenweise, da sie sonst z.b. mit schwimmenden Objekten kollidieren Funktion des Schlafs ist nach wie vor nicht klar. Es wird nicht offensichtlich etwas nachgebildet oder detoxifiziert, es wachsen auch nicht verstärkt Verbindungen.
Schlaf Non-REM Schlaf: Sehr stark reduzierte Hirnfunktion, aber Körper im Prinzip beweglich REM-Schlaf: Sehr viel Hirnfunktion, aber quasi gelähmter Körper. Traumphase Bei Tieren wie Delphinen, die immerzu Luft holen müssen, wäre Schlaf fatal. Sie schlafen aber trotzdem, allerdings nur jeweils die eine Hirnhälfte, was sich alle 2 Stunden abwechselt. Manche Delphinarten, die in undurchsichtigen Gewässern leben und Sonar benutzen um sich zu orientieren, schlafen nur immer 4-5 sekundenweise, da sie sonst z.b. mit schwimmenden Objekten kollidieren Funktion des Schlafs ist nach wie vor nicht klar. Es wird nicht offensichtlich etwas nachgebildet oder detoxifiziert, es wachsen auch nicht verstärkt Verbindungen.
Narcolepsie und Hypocretin Neuronen
ChR2 stimuliert hypocretin Neurone Maus wacht auf ChR2 in cell-specific expression to address few cells precisely, e.g. hypocretin neurons involved in awakening (Adamantidis et al. (2007) Nature 450)
Gedächtnis Deklaratives, explizites G.: für Fakten (semantisches G.) und Ereignisse (episodisches G.) bewußt abrufbar Nicht-deklaratives, implizites G.: gelernte Fähigkeiten (prozedurales G.), sensomotorische Prozesse unbewußt, nicht abrufbar, aber stets vorhanden (z.b. Fahrradfahren) Langzeitgedächtnis (z.b. Geburtstag in Kindheit) und Kurzzeitgedächtnis (gestriges Abendessen kann man erinnern, aber das von vor 1 Woche???) Kurzzeitgedächtnis kann durch Elektroschock gelöscht werden, Langzeitgedächtnis nicht! Gedächtniskonsolidierung: Übergang von Kurz- in Langzeitgedächtnis. Kann aus dem Kurzzeitgedächtnis konsolidiert werden, oder auch parallel dazu. Arbeitsgedächtnis: z.b. eine Telefonnummer merken, die man gerade gehört hat, z.b. durch Wiederholen im Geiste.
Amnesien Amnesie: Wenn durch Läsionen, Traumata hervorgerufen, lassen diese Schlüsse auf Ort der Erinnerungen zu. Verschiedene Formen: retrograde A.: Gedächtnisverlust für Ereignisse vor dem Trauma, allerdings wird Erinnerung umso besser, je länger die Ereignisse zurückliegen. Hinweis auf Veränderung der Art wie Erinnerungen im Laufe der Zeit abgelegt werden. anterograde A.: ab dem Zeitpunkt des Traumas keine Erinnerungen mehr möglich.
Engramm Ort des Gedächtnisses Engramm: Wo ist eine bestimmte Erinnerung abgelegt? Methode der experimentellen Ablation: Ratten lernen Weg durch ein Labyrinth Läsionen im Cortex: Läsionen vor Lernen: Ratte braucht länger um den richtigen Weg zu finden und dies zu behalten. Läsionen nachdem schon Weg gelernt war: Ratte hat Gelerntes wieder vergessen, macht Fehler die vorher nicht mehr gemacht wurden. Größe der Läsion korreliert mit Beeinträchtigung des Erinnerns, aber dies ist unabhängig vom Ort der Läsion! Frühe Experiment von Lashley. Aber die Läsionen waren sehr groß, und es war nicht klar, wie die jeweiligen Tiere das Labyrinth lernen: Optisch, taktil, etc.?
Hebb sches Lernen Viele Neuronen sind am Lernen z.b. des Objektes Kreis beteiligt. Diese sind in ganz verschiedenen (Cortex)Bereichen gelegen und durch Synapsen verbunden. Diese Synapsen werden verstärkt, so daß ein unvollständiger Stimulus alle Zellen in dem Neuronenverband aktivieren kann und wieder der volle Kreis erkannt wird. Also: 1) Gedächtnisspur ist auf viele Neuronen in einem Verbund verteilt. 2) Die Neuronen die am Prozess der Wahrnehmung beteiligt sind, sind auch Träger des Gedächtnisses.
Temporal-Ektomie führt zu Verlust von neuem deklarativem Gedächtnis H.M. hat eine partielle retrograde und eine extreme anterograde Amnesie, wobei er sonst ziemlich normal ist was Wahrnehmung, Persönlichkeit und Intelligenz angeht. Aber er vergißt sofort alles Neue das er erlebt. Alles deklarative Gedächtnis ist unmöglich geworden, obwohl er neue Fertigkeiten lernen kann (prozedurales G.) und ein Arbeitsgedächtnis hat.
Hippocampus, rhinaler Cortex und Konsolidierung deklarativen Gedächtnisses Hippocampus und rhinaler Cortex wichtig für Bildung von deklarativem Gedächtnis. Hippocampus erhält Informationen höherer Ordnung aus den Assoziationsregionen des Cortex (also z.b. bereits verarbeitete visuelle Information, Bilder, nicht Information über hell-dunkel Kontraste eine bestimmten Teils des Blickfeldes), und hat Ausgangsbahnen in den Thalamus und Hypothalamus, über den Fornix. Aus Studien an Patienten mit Läsionen wird dem perirhinalen Cortex die größe Bedeutung bei der Konsolidierung von deklarativem Gedächtnis zugesprochen.
Hippocampus und Ortsgedächtnis Ratten lernen effizient Arme ohne Futter zu ignorieren. Mit Hippocampus Läsionen lernen sie zwar, daß am Ende der Arme Futter zu finden ist, können aber nicht Effizient Arme ohne Futter vermeiden und vergessen, In welchem Arm sie schon waren, gehen wieder rein.
Morris Water Maze
Anatomie des Hippocampus
Schaffer Collaterals and connectivity in the hippocampus
Theta burst 10x (TBS 2x) 15x (TBS 3x) 10 ms Tetanus 50 Hz or 100 Hz for 1 sec LTP 200 ms 1 Hz Stimulation for 15 min LTD
LTP and LTD Slight LTP LTD