Neuropsychologie Von Hirnprozessen zum Lernen

Neuropsychologie Von Hirnprozessen zum Lernen Lehrstuhl für Neuropsychologie Prof. Dr. Lutz Jäncke Lehrstuhl für Neuropsychologie Universität Zürich E-Mail: l.jaencke@psychologie.uzh.ch 1 1

Gliederung Neurowissenschaften? Das Gehirn Prinzip 1 - Vernetzung Prinzip 2 - Dynamische Interaktion Prinzip 3 - Struktur bestimmt Verhalten Prinzip 4 - Verhalten bestimmt Struktur Prinzip 5 -Neurophysiologie bestimmt Verhalten Prinzip 6 - Anatomische Reifung Prinzip 7 - Funktionelle Reifung Lernen, Gedächtnis Kann man Intelligenz trainieren? Konklusion 2 2

Neurowissenschaften? Neurobiologie Biochemie, Molekularbiologie, Genetik, Epigenetik, Zellbiologie etc. Neurophysiologie (zentral) Elektrophysiologie, Neuropharmakologie, Neuroendokrinologie etc. Neuropsychologie kognitive Neurowissenschaft (zentral) klinische Neuropsychologie Neurologie (kognitive Neurologie) biologische Psychiatrie Klinisch-medizinische Fächer Neuropathologie, Neuroradiologie, Neurologie, Neurochirurgie 4 4

Ebenen neuropsychologischer Untersuchungen Lehrstuhl für Neuropsychologie 5 5

Gliederung Neurowissenschaften? Das Gehirn Prinzip 1 - Vernetzung Prinzip 2 - Dynamische Interaktion Prinzip 3 - Struktur bestimmt Verhalten Prinzip 4 - Verhalten bestimmt Struktur Prinzip 5 -Neurophysiologie bestimmt Verhalten Prinzip 6 - Anatomische Reifung Prinzip 7 - Funktionelle Reifung - Lernen, Gedächtnis Kann man Intelligenz trainieren? Konklusion 6 6

Wie alles anfing? Hieroglyphen aus den Edwin-Smith-Papyrus- Rollen, welche das Gehirn beschreiben. Wahrscheinlich die erste kulturelle Dokumentation des Begriffs Gehirn (2500-3000 v. Chr.) 7

Das Gehirn 8 8

Assoziationsbahnen und Kommissuren Cingulum Lehrstuhl für Neuropsychologie Fasciculus longitudinalis superior Fasciculus longitudinalis inferior Fasciculus arcuatus Fasciculus frontotemporalis Fasciculus occipitotemporalis Fasciculus uncinatus Corpus callosum 10 10

Nervennetzwerk 11 11

Es gibt Milliarden von Neuronen in unserem Gehirn, aber was sind Neuronen? Nur Zellen. Das Gehirn hat kein Wissen bevor Verbindungen zwischen Neuronen entstehen. Alles, was wir wissen, was wir sind, kommt von der Art und Weise unserer Neuronenverbindungen. 13 13

Neuronale Netze 14 14

Neuronales Netz 16 16

Elektrische Oszillationen 17 17

Lernzeit-Präsentationshäufigkeit Je länger - desto besser Je häufiger - desto besser Hebbsche Regel Nervenzellgruppe 1 Nervenzellgruppe 2 18 18

fire together wire together 19 19

Abrufintervall Je mehr Zeit zwischen Lernen und Abruf liegt, desto schlechter wird erinnert. Hebbsche Regel Nervenzellgruppe 1 Nervenzellgruppe 2 20 20

Tononi et al., 2005 21 21

Kohärente Aktivität zwischen verschiedenen Hirngebieten Lehrstuhl für Neuropsychologie nicht erinnert erinnert - nicht erinnert erinnert nicht gelernt gelernt Weiss & Rappelsberger 2000 22 22

Risikoverhalten Bechara et al. 2005 25 25

Synästhesie Spezielle Form der Wahrnehmung Eine Wahrnehmung induziert eine andere inducing perception - concurrent perception Synästhesie ist automatisch und nicht beeinflussbar Ursache unklar Genetisch, anatomische Verbindungen, Hyperbinding Seltenes Phänomen 26 26

Synästhesie Wort, Buchstabe (visuell)- Farbe Wort, Buchstabe (auditorisch) - Farbe Tone - Farbe Ton - Geschmack Taktil - Farbe Tonintervall - Geschmack etc. 27 27

Ton-Farb-Synästhesie 29 29

Synästhesie Ton-Farb-Synästheten Grosse Faserbahnen vom auditorischen Cortex Haenggi et al. in press 30 30

Neuroanatomie bei Graphem-Farb-Synästheten Lehrstuhl für Neuropsychologie Farbareal V4 Kortikale Dicke Kortikales Volumen Kortikale Oberfläche bei Graphem-Farb- Synästheten grösser 31 31

Golestani et al. 2007 32 32

Gliederung Neurowissenschaften? Das Gehirn Prinzip 1 - Vernetzung Prinzip 2 - Dynamische Interaktion Prinzip 3 - Struktur bestimmt Verhalten Prinzip 4 - Verhalten bestimmt Struktur Prinzip 5 - Neurophysiologie bestimmt Verhalten Prinzip 6 - Anatomische Reifung Prinzip 7 - Funktionelle Reifung Lernen, Gedächtnis Kann man Intelligenz trainieren? Konklusion 33 33

Musiker als ein Modell der funktionellen Plastizität Lehrstuhl für Neuropsychologie Professionelle Musiker beginnen meist sehr früh mit dem Musiktraining Grössere Dichte der grauen Substanz Münte, Altenmüller, Jäncke 2002 Während ihres Berufslebens trainieren sie mehrere Stunden pro Tag Volumenveränderungen 34

Hirne wie Knetmasse 38 Medizinstudenten vor und nach Medizinexamen. Lernzeit von 3 Monaten. Bei 27 Medizinstudenten 2 Monate nach 2. Messung weitere Hirnuntersuchung. Hippokampus Draganski et al., 2006 36 36

Neuroplastizität bei Mathematikern Lehrstuhl für Neuropsychologie Aydin et al., 2007, AJNR Zunahme des Volumens der GM im rechten inferioren parietalen Cortex bei Mathematikern relativ zu anderen Akademikern 37 37

Neuroplastizität bei Mathematikern Lehrstuhl für Neuropsychologie Die Zeit als Mathematiker korreliert positiv mit dem Volumen der GM im rechten inferioren parietalen Cortex Aydin et al., 2007, AJNR 38 38

Neuroplastizität im bilingualen Gehirn Lehrstuhl für Neuropsychologie a) Zunahme der Dichte der GM im linken inferioren parietalen Cortex bei Bilinguals relativ zu Monolinguals b) Korrelation zwischen der Dichte der GM im linken inferioren parietalen Cortex und der Leistung in der zweiten Sprache c) Korrelation zwischen der Dichte der GM im linken inferioren parietalen Cortex und dem Beginn des Erwerbs der zweiten Sprache Mechelli et al., 2004, Nature 39 39

Verhalten - Denken beeinflusst Hirnaktivität Lehrstuhl für Neuropsychologie 96-microelectrode array implanted in primary motor cortex Subject MN Hochberg at al., Nature 2005 41 41

Subject MN Decoders were created, providing a 'neural cursor' with which MN opened simulated e-mail and operated devices such as a television, even while conversing. Hochberg at al., Nature 2005 Furthermore, MN used neural control to open and close a prosthetic hand, and perform rudimentary actions with a multijointed robotic arm. These early results suggest that NMPs based upon intracortical neuronal ensemble spiking activity could provide a valuable new neurotechnology to restore independence for humans with paralysis. 42 42

MN using a prosthetic hand 43 43

MN using TV remote control 44 44

MN playing pong 45 45

MN manipulating a robotic arm 46 46

Kinder 48 48

Genetischer Einfluss auf die Dichte der grauen Substanz Lehrstuhl für Neuropsychologie Dichte grauer Substanz Text genetisch perfekt abhängig genetisch unabhängig 49 49

Neue Methode Gogtay et al., 2004 N=13 alle 2 Jahre gemessen (MRI) Lehrstuhl für Neuropsychologie Zunahme der grauen Substanz bis zur Pubertät Abnahme der grauen Substanz nach der Pubertät Reduktion der grauen Substanz Verlust von GM in den entwicklungsgeschichtlich alten Hirngebieten zuerst, dann die jüngeren Hirngebiet dorsaler Frontalkortex die letzte Struktur, die reift Gogtay et al., 2004 50 50

Entwicklung des Gehirns vom 5. - 20. Lebensjahr Lehrstuhl für Neuropsychologie Gogtay et al., 2004 51 51

Entwicklung des Gehirns vom 5. - 20. Lebensjahr Lehrstuhl für Neuropsychologie Gogtay et al., 2004 52 52

Das Stirnhirn 53 53

Graue und Weisse Substanz NIH-Studie (570 Kinder) - Lenroot & Giedd, 2006 Lehrstuhl für Neuropsychologie bis zur Pubertät Volumenzunahmen, dann Abnahmen regional unterschiedliche Verläufe Wahrscheinlich erfahrungsbedingter Abbau (Pruning) der grauen Substanz 54 54

Die Lebensleiter 56 56

Intelligenzverteilung Lehrstuhl für Neuropsychologie IQ Intelligenzgrad Anteil ab 140 genial 1,0% 130-139 hochbegabt 1,1% 120-129 talentiert 10,4% 110-119 intelligent 18,0% 90-109 normal begabt 48,0% 70-85 lernbehindert unter 70 geistig behindert 57 57

Gene und IQ Intra-Paar-Korrelationen Lehrstuhl für Neuropsychologie Familien-Paare gemeinsam aufgewachsen getrennt aufgewachsen Eineiige Zwillinge 0.86 (74%) 0.72 (52%) zweieiige Zwillinge 0.60 (36%) 0.52 (25%) biologische Geschwister 0.47 (22%) 0.24 (6%) biol. Eltern-Kind 0.42 (20%) 0.22 (6%) Stiefgeschwister 0.31 (10%) - adoptierte Geschwister 0.34 (10%) - apdoptierte Eltern und Kinder 0.19 (4%) - unrelated siblings 0.26 (6%) - Bouchard & McGue, 1981; Pedersen et al., 1985; Segal 2000 58 58

Das strinhirn 59 59

Exekutive Funktionen Aufmerksamkeit Filtern - Hemmung Arbeitsgedächtnis Selbstkontrolle - Selbstdisziplin Emotionskontrolle Motivation Sprachfunktionen Planung motorische Kontrolle 60 60

Entwicklungsverläufe wichtiger emotionaler Grössen Lehrstuhl für Neuropsychologie hoch Erregungssuche Bindungssuche niedrig Pubertät 61 61

Entwicklung IQ Die Entwicklungsverläufe des IQs sind nicht bei allen Jugendlichen gleich. Strutt et al. (1975) konnten mindestens 4 unterschiedliche Typen herausarbeiten. McCall et al., 1973 62 62

Unterschiedliche Verläufe in Abhängigkeit des IQ Lehrstuhl für Neuropsychologie Shaw et al., 2004 63 63

Rate of change (mm/jahr) dorsaler Frontalkortex Lehrstuhl für Neuropsychologie Shaw et al., 2004 64 64

Entwicklung von Funktionen des Frontalkortex Lehrstuhl für Neuropsychologie Romine & Reynolds 2005 65 65

Flanker-Aufgabe kongruent SSSSS HHHHH inkongruent Aufgabe: drücke eine Reaktionstaste, wenn in der SSHSS HHSHH Mitte ein S erscheint in anderer Bedingung ist das H der Zielreiz getestet wird die Ablenkbarkeit 66 66

Reaktionszeiten Flanker-Aufgabe Lehrstuhl für Neuropsychologie Je jünger, desto stärker sind die Kinder durch Ablenkreize abgelenkt! 67 67

Fehlerverarbeitung - EEG Error-Related-Negativity ERN Lehrstuhl für Neuropsychologie ERN 68 68

Impulskontrollsystem Erwachsene normal Jugendliche normal Dopamin Dopamin Bechara, 2006 69 69

Die Rolle der Motivation und Selbstdisziplin Lehrstuhl für Neuropsychologie 70 70

Selbstdisziplin 71 71

IQ oder Selbstdisziplin? Duckworth and Seligman, 2006, Psychological Science 72 72

IQ oder Selbst-Disziplin? Korrelation 0.700 0.525 0.350 0.175 0-0.175-0.350 Selbst-Disziplin IQ -0.525 GPA 1 GPA final Früh. HS Homework TV-Std. Grade Point Average in der Schule Ducksworth & Seligman, 2006, Psychological Science 73 73

Umgang mit virtueller Realität 74 74

Die virtuelle Achterbahnfahrt 75 75

Die dynamische Phase 76 76

Antizipationsphase 77 77

Beispiel für eine virtuelle Achterbahnfahrt Lehrstuhl für Neuropsychologie 78 78

Das EEG-Experiment Anstieg Dynamik Ende Kinder 8-12 Jahre 8-12 Jahre G1 12-15 Jahre G2 Kinder 12-15 Jahre G1- G2 blau: wenig Aktivität rot: viel Aktivität Baumgartner et al., 2006 Die jungen Kinder zeigen im Frontalkortex weniger Aktivität während der Achterbahnfahrt als die älteren Kinder. 79 79

Das fmri-experiment Erwachsene Lehrstuhl für Neuropsychologie dorsaler Präfrontalkortex Je stärker die Aktivität im dorsalen Präfrontalkortex des schwächer ist das Gefühl in der virtuellen Realität zu sein! 80 80

Das fmri-experiment Kinder Lehrstuhl für Neuropsychologie Erwachsene Kinder 81 81

Neuronale Aktivität und Vergessen Erinnerte Wörter = stärkere Aktivität Vergessene Wörter = schwächere Aktivität Wagner et al., 1999 83 83

Vertrautheit - Erinnern Schacter et al., 2000 84 84

Die Bedeutung von Hinweisreizen Otten et al. 2006 85 85

Beeinflussung des Gehirns - TMS und tdcs Lehrstuhl für Neuropsychologie Steigerung der Lern- und Abrufleistung 86 86

Enkodier-Spezifität 40 34 28 gelernt an Land gelernt unter Wasser 22 16 10 Abruf an Land Abruf unter Wasser Godden und Baddeley, 1975 87

Tiefe der Verarbeitung Lernen von Wortlisten 3 Bedingungen Buchstabe Ist das Wort in Grossbuchstaben geschrieben? Phonetisch/Reime Reimt sich das Wort mit dem Wort Fest? Semantisch Passt das Wort in den Satz: - Er traf den... in der Strasse. 88 88

Tiefe der Verarbeitung 800 600 RT (ms) 80 60 % korrekt ja nein 400 40 200 20 0 Buchstabe Reim Semantisch 0 Buchstabe Reim Semantisch Craik & Tulving, 1975 Tiefe der Verarbeitung 89 89

Tiefe der Verarbeitung Behaltene vs. Vergessene Deep > shallow-verarbeitung Tiefe vs. niedrige Verarbeitung niedrig: Erkennen von Grossbuchstaben tief: Erkennen von konkreten vs, abstrakten Wörtern Otten et al., 2001 90 90

Assoziation und Gedächtnisleistung Lehrstuhl für Neuropsychologie Vps lernen Liste mit 600 Wörtern bei normalem Recall 30-50 Wörter erinnert- Wenn individuelle Assoziationen gefordert werden, nimmt die Lernleistung dramatisch zu. 100 80 60 40 20 0 0 Assoz. 1 Assoz. 3 Assoz. Mäntylä 1986 91

Amygdala-Läsionen und Recall- Leistungen Freier Recall einer Geschichte Lehrstuhl für Neuropsychologie 3.5 3.0 Amygdala-Patienten mit Läsionen rechts oder links 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 NO HG l Amyg r Amyg neutral unangenehm angenehm Buchanan et al. 2003 Patienten mit Läsionen in der linken Amygdala zeigen keine Verbesserungen des Abrufs durch emotionales Material! HG: Hirngeschädigte Personen Amyg: Amygdala 92 92

Provokation von false Memory Lernliste enthält jeweils 10 Worte der folgenden Kategorien: Tiere Pflanzen Möbel Wiedererkennensliste enthält Worte, die nicht in der Lernliste aufgeführt sind, aber typischerweise zu den Kategorien der Lernliste gehören Es werden relativ häufig Worte wieder erkannt, die nicht in der Lernliste enthalten sind. Die Vpn sind sich häufig absolut sicher, dass diese Wörter in der Lernliste enthalten waren! 93 93

false memory 94 94

Wissensstruktur 95

Gedächtnissysteme bewusst? bewusst unbewusst unbewusst 96

Wir Können mehr als wir Wissen! 97 97

Unbewusstes (prozedurales) Lernen von Grammatik Lehrstuhl für Neuropsychologie Sequenzen von Buchstaben mussten gemäss einer Regel (Grammatik) gelernt werden. Vpn waren sich der Regeln nicht bewusst. Premotorisch - ant. Cingulum - ventrales Striatum Berns et al., 1997 98 98

Assoziatives Lernen automatisch - weitgehend unbewusst Lehrstuhl für Neuropsychologie Wettervorhersage-Aufgabe Assoziieren von Mustern mit Ereignissen Amnestiker können das gut aber nicht semantisches Lernen 99 99

Gute vs. schlechte Lerner? Bei guten Lernern stört das unbewusste Lernen negativer Transfer verhindert Durchschaltung zum Frontalkortex Bei schlechten Lernen hilft das unbewusste Lernen positiver Transfer verhindert nicht die Durchschaltung zum Frontalkortex 100 100

Ist Intelligenz trainierbar? 102 102

Gene und IQ Intra-Paar-Korrelationen Lehrstuhl für Neuropsychologie Familien-Paare gemeinsam aufgewachsen getrennt aufgewachsen Eineiige Zwillinge 0.86 (74%) 0.72 (52%) zweieiigie Zwillinge 0.60 (36%) 0.52 (25%) biologische Geschwister 0.47 (22%) 0.24 (6%) biol. Eltern-Kind 0.42 (20%) 0.22 (6%) Stiefgeschwister 0.31 (10%) - adoptierte Geschwister 0.34 (10%) - apdoptierte Eltern und Kinder 0.19 (4%) - unrelated siblings 0.26 (6%) - Bouchard & McGue, 1981; Pedersen et al., 1985; Segal 2000 103 103

Gene und Ärgeremotion Intra-Paar-Korrelationen Lehrstuhl für Neuropsychologie Familien-Paare gemeinsam aufgewachsen getrennt aufgewachsen Eineiige Zwillinge 0.37 (14%) 0.33 (10%) zweieiige Zwillinge 0.17 (36%) 0.09 (25%) Plomin et al., 1988 104 104

IQ-Heretabilität und Sozioökonomischer Status (SES) Lehrstuhl für Neuropsychologie Gene gemeinsame Umgebung nicht-gemeinsame Umgebung 32% 10% 15% 13% 58% 72% niedriger SES hoher SES Turkheimer et al., 2003 105 105

Intra-Paar-Korrelationen bei getrennt aufgewachsenen eineiigen Zwillingen Lehrstuhl für Neuropsychologie nichtrelig. soz. Einstellungen Religiösität berufl. Interessen Persönlichkeitseigenschaften IQ systol. Blutdruck Alpha-Aktivität EEG Gewicht Grösse 0 0.225 0.450 0.675 0.900 Bouchard 1990 Korrelation 106 106

Identifizierte Einflussfaktoren auf IQ Lehrstuhl für Neuropsychologie Gene Häusliche Umgebung Soziale Klasse Ethnische Zugehörigkeit 107 107

Ist Intelligenz trainierbar? 108 108

Kann man Intelligenz trainieren? Jaeggi et al., 2008 109 109

Kann man Intelligenz trainieren? Ja man kann die Intelligenzleistung steigern, selbst wenn man die Intelligenztests nicht direkt trainiert. Man trainiert die Funktionen, die für die Intelligenztestleistungen wichtig sind. Arbeitsgedächtnis! 110 110

Training des Arbeitsgedächtnisses 111 111

Besseres Arbeitsgedächtnis = mehr Lehrstuhl für Neuropsychologie Duchblutung im Frontalkortex 112 112

Gliederung Neurowissenschaften? Das Gehirn Prinzip 1 - Vernetzung Prinzip 2 - Dynamische Interaktion Prinzip 3 - Struktur bestimmt Verhalten Prinzip 4 - Verhalten bestimmt Struktur Prinzip 5 -Neurophysiologie bestimmt Verhalten Prinzip 6 - Anatomische Reifung Prinzip 7 - Funktionelle Reifung Prinzip Lernen, Gedächtnis Kann man Intelligenz trainieren? Konklusion 113 113

Das Hirn ist ein dynamisches und rekursives System Es organisiert sich selbst und sucht einen stabilen Zustand Interaktion zwischen Hard- und Software 114 114

Kim Peek Lehrstuhl für Neuropsychologie 115 115

KP - CC-Agenesie 116 116

Ein neuer Mozart? Bemerkenswertes Gedächtnis für Tonhöhen kann alle Instrumente heraushören lernt ungeheuer schnell Klavier zu spielen erkennt bis zu 40 Jahre alte Musik stellt Verbindungen zu Musikern her etc. linkisch 117 117

Übermässiges pathologisches Lernen Vergessen ist wichtig! 118 118

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Lehrstuhl für Neuropsychologie 119 119