Das Adoleszente Gehirn: Neurobiologische und psychologische Perspektiven

Kinderzentrum-Mecklenburg. 9. Herbstsymposium Das Adoleszente Gehirn: Neurobiologische und psychologische Perspektiven Dr. Peter J. Uhlhaas Abteilung für Neurophysiologie Max-Planck Institut für Hirnforschung Frankfurt am Main

Warum Jugendliche so sind, wie sie sind...»youth are heated by Nature as drunken men by wine.«aristoteles, Rhetorik

Warum Jugendliche so sind, wie sie sind... J.W. von Goethe» Die Leiden des Jungen Werthers «(1774) Frank Wedekinds»Frühlings Erwachen«(1891) Hermann Hesses»Unterm Rad«(1906) Robert Musils»Die Verwirrungen des Zöglings Törleß«(1906)

Warum sind Jugendliche so, wie sie sind?

Adoleszenz Adoleszenz: Ursprung im lateinischen Verb adolescere, aufwachsen oder heranreifen Psychosoziale Anpassung an die physiologischen Veränderungen im Zuge der Pubertät -> Ausreifung primärer und sekundärer Geschlechtsmerkmale Alter: ca. 12-21 Jahre Universelles Merkmal der Entwicklung bei Säugetieren

Adoleszenz und Kultur Traditionelle (kalte) Kulturen: Fehlen der Adoleszenz, Übergang zum Erwachsenenalter durch Initiationsriten Moderne (heisse) Kulturen: Kindheit und Adoleszenz sind getrennt durch eine langanhaltende Adoleszenz

Puberale Geschlechtsreifung und puberaler Wachstumsschub Was sind die Ursachen? Auschüttung von Gonadotropine -> Sexualhormone Die wichtigsten Sexual Hormone Androgen z.b. Testosteron Östrogen z.b. Östradiol Progesteron Sie wirken in Frauen und Männern - aber das Mengenverhältnis ist verschieden neuronale Steuerungszentren: V.a. Hypothalamus u. Hypophyse

Adoleszenz: Eine Vernachlässigte Entwicklungsphase? Sowohl die psychologische und neurowissenschaftliche Entwicklungsforschung haben soweit die Bedeutung der Adoleszenz vernachlässigt Position: Frühe von Entwicklungsstadien sind von entscheidender, prägender Bedeutung spätere Entwicklungsstadien, z.b. die Adoleszenz, haben nur einen geringen Einfluss auf psychologische und physiologische Prozesse

Adoleszenz und Psychopathologie Paus et al. (2008) et al. Nature Neuroscience Reviews

Adoleszenz: Denn Sie wissen nicht was sie tun

Risikoverhalten wird definiert als Verhalten, das mittelbar oder unmittelbar das Wohlbefinden, die Gesundheit oder die Persönlichkeitsentwicklung beeinträchtigen kann (Jessor 1998). Adoleszenz: Risikoverhalten

Adoleszenz und Risikowahrnehmung

Entwicklung von Exekutiven Prozessen während der Adoleszenz: Entscheidungsprozesse

Adoleszenz: Denn Sie wissen nicht was sie tun

Adoleszenz und Risikoverhalten: Einfluss des sozialen Kontexts Gardner und Steinberg, 2005

Das Adoleszente Gehirn

Das Neuron (Nervenzelle) Jedes Neuron besteht aus: einem Zellkörper (Soma) den Dendriten für den Empfang von Signalen anderer Neuronen dem Axon zur Übertragung von Signalen an andere Neuronen mittels baumartig aufgefächerter Synapsen, die den Kontakt zu den Dendriten anderer Neuronen herstellen.

Biologie der Adoleszenz: Anatomie Anatomische Veränderungen während der Adoleszenz weitaus dynamischer als ursprünglich vermutet.. Frühe Befunde: Huttenlocher (1979) -> Abbau von synaptischen Verbindungen (Pruning) währen der Adoleszenz In-vivo MR-Studien haben neuartige Einsichten in das adoleszente Gehirn ermöglicht!

Post-Mortem Untersuchungen der Grauen Substanz: Auditory cortex Visual Cortex X Middle Frontal Gyrus Huttenlocher and Dabholkar (1990)

Post-Mortem Untersuchungen der Grauen Substanz:

Functional Magnetic Resonance Imaging of the Adolescent Brain

MR-Studien zur Entwicklung der Grauen Substanz

Abbau der Grauen Substanz während der Adoleszenz Gogtay et al. 2004

Abbau der Grauen Substanz während der Adoleszenz Left hemisphere Right hemisphere n = 81; age range: 12-24 years Klein et al. (in prep)

Geschlechtsunterschiede in der Entwicklung der Grauen Substanz Giedd et al. 1999

White Matter and Connectivity

Development of White Matter Volume Gogtay et al. 2002

Anatomische Entwicklung während der Adoleszenz PFC/OFC: Steuerung von Verhalten, Handlungsplanung Limbisches System: Triebverhalten, Emotionen

Was ist funktionelle Kernspintomographie (fmrt)? Abbildungen nicht nur der Struktur (Anatomie), sondern auch der Funktion (Physiologie, neuronale Aktivität) des Gewebes. Daher funktionelle MRT (fmrt/fmri) fmrt ermöglicht die Untersuchung des Zeitverlaufs von Hirnaktivität mit Sekunden- Auflösung fmrt erlaubt die Untersuchung der Arbeitsmechanismen des Gehirns während z.b. Bewegungen ausgeführt, Bilder betrachtet, Töne gehört, Ereignisse erinnert oder räumliche Vorstellungen analysiert werden.

Changes in Affectregulation During Adolescence Hare et al. 2008

Amygdala Hyperactivity During Adolescence Hare et al. 2008

Entwicklung des Belohnungssystems und der Handlungsplanung in der Adoleszenz Probanden: Kinder: 7-11 Jahre, Jugendliche: 13-17 Jahre, Erwachsene: 23-29 Jahre Galvan et al. 2007

Entwicklung des Belohnungssystems und der Handlungsplanung in der Adoleszenz Galvan et al. 2007

Das Adoleszente Gehirn: Dysbalance zwischen Hirnarealen Schematische Darstellung der Trajektorien neurofunktioneller Entwicklung im präfrontalen Kortex und im limbischen System (in Anlehnung an Casey et al. 2008) Galvan et al. 2007

Das EEG

Oscillations and Neuronal Synchrony Delta-band (1-4 Hz) Cognitive function? Theta-band (4-7 Hz) Memory processes, top-down control Alpha-band (8-12 Hz), Idling Rhythm, Memory, Inhibition Beta-band (13-30 Hz) attention, motor control Gamma-band (30 100 Hz) including perception, problem solving, and consciousness.

Resting State Oscillations During Development Subject A (21 years) Subject B (9 years)

Neural Synchrony During Human Development Age n Group 1 6 8 12 Group 2 9 11 14 Group 3 12 14 12 Group 4 15 17 15 Group 5 18 21 15 = 68 + 400ms ISI 3500-4500 ms 400ms

Spectral Power Reflects Local Synchronized Activity

Phase-Synchrony Measures Synchrony at a Global Scale

RT (ms) +/- 2*SE RT (ms) +/- 2*SE Correct Response Rate % +/- 2*SE Correct Response Rate % +/- 2*SE Neural Synchrony During Human Development: Behavioural Data Correct Response Rate / Face Condition Correct Responses / No-Face Condition 1,0 1,0 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 Early Childhood Late Childhood Early Adolescence Late Adolescence Adult 0,5 Early Childhood Late Childhood Early Adolescence Late Adolescence Adult Mean RT / Face Condition Mean RT / No-Face Condition 1400 1400 1300 1300 1200 1200 1100 1100 1000 1000 900 900 800 800 700 700 600 600 500 500 400 Early Childhood Late Childhood Early Adolescence Late Adolescence Adult 400 Early Childhood Late Childhood Early Late Adolescence Adolescence Adult Uhlhaas et al. (2009). The development of neural synchrony reflects late maturation and restructuring functional networks in humans. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106, 9866 9871

Late Development of High-Frequency Oscillations During Adolescence Uhlhaas et al. (2009). The development of neural synchrony reflects late maturation and restructuring functional networks in humans. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106, 9866 9871

Non-Linear Maturation of Beta/Gamma-Band Phase Synchrony During Adolescence Uhlhaas et al. (2009). The development of neural synchrony reflects late maturation and restructuring functional networks in humans. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106, 9866 9871.

Late Maturation of Fronto-Parietal Phase-Synchrony Uhlhaas et al. (2009). The development of neural synchrony reflects late maturation and restructuring functional networks in humans. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106, 9866 9871

Arbeitsgedächtnis und Neuronale Synchronisation Objekte werden im Arbeitsgedächtnis in einer integrierten Form gespeichert Aufrechterhaltung von Gedächtnisspuren Präzise Aktivierung von Information während des Abrufs

Magnetoenzephalograph des Brain Imaging Centres (BIC) Frankfurt MEG: Messung der magnetischen Aktivität des Gehirns Magnetischen Signale des Gehirns werden durch die elektrischen Ströme aktiver Nervenzellen verursacht Besonders geeignet für die Messung hoch-frequenter Oszillationen

Entwicklung des visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisses in der Adoleszenz: Alpha-Band Aktivität in der Haltephase

Late Development of Dopamine-Interneuron Interactions Scatter plot showing the effect of quinpirole on PFC interneurons excitability from prepubertal to adult ages, expressed as the ratio between evoked firing after and before quinpirole administration. Tseng and O Donnell (2005)

Late Development of GABAergic Neurotransmission Post-Puberty Pre-Puberty Hashimoto et al. 2009, Biological Psychiatry

Zusammenfassung 1) Die Adoleszenz ist eine zentrale, psychologische Entwicklungsperiode 2) Vulnerabilität des Adoleszenten Gehirns, i.e. psychiatrische Störungen, Risikoverhalten 3) Biologie des Adoleszenten Gehirns: a) Strukturelle Veränderungen b) Reorganisation der Schaltkreise c) Veränderungen in Neurotransmittersystemen 4) Implikationen für Erziehung und Gesellschaft?

Acknowledgement Max-Planck-Institute for Brain Research Eugenio Rodriguez Wolf Singer Frederic Roux Christine Tillmann Axel Kohler Tahmine Tozman University of Frankfurt, Department of Psychiatry Konrad Maurer Brain Imaging Centre (BIC) Michael Wibral University of Cologne, Department of Psychiatry F. Markus Leweke Dagmar Koethe Laura Kranaster

Psychologie der Adoleszenz: Psychoanalyse Rekapitulation infantiler Konflikt -> die Adoleszenz eine zweite Ausgabe der Kindheit (kennzeichnend für den bizarren und regressiven Charakter des Adoleszenzverhaltens) Chancen und Gefahren der Adoleszenz für Entwicklungsprozesse! 1) Regressive Prozesse erlauben eine Umformung defekter oder unvollständiger Entwicklungen 2) Aufeinandertreffen eines starken Es auf ein schwaches Ich (A. Freud) 3) Zweiten Individuation (Blos, 1962)