Das Frontalhirn: Phineas Gage und die Folgen II
Seminar:
Dozent:
Referenten:
08.01.2007
Klassische Fälle der Neuropsychologie
Prof. Mecklinger
Michael Hoppstädter & Daniel Straß
Das Frontalhirn
1
Das Frontalhirn: Phineas Gage und die Folgen II

Teil I:
Die funktionelle Architektur des
präfrontalen Kortex
Karnath & Thier (2005) Kap. 43

Teil II:
Manifestationen von
Frontalhirnschädigungen
Karnath & Thier (2005) Kap. 45
08.01.2007
Das Frontalhirn
2
Teil I:
Die funktionelle Architektur des präfrontalen Kortex
Karnath & Thier (2005) Kap. 43
1.
Neuronaler Aufbau des PFC & Speziesunterschiede
2.
PFC als Kontrollinstanz
 Testverfahren bei Frontalhirnschädigungen
3.
Bias-Signale: die Theorie von Miller & Cohen am
Beispiel des Stroop-Effekts
4.
Dopaminerges System und Verhaltensbewertung
5.
PFC und Arbeitsgedächtnis
08.01.2007
Das Frontalhirn
3
Neuronaler Aufbau des PFC

Präfrontaler Kortex  vorderer Frontallappen

Zytoarchitektonische Abgrenzung:
hinterer Frontallappen  agranulär
klar abgrenzbare Körnerzellschichten fehlen
(Schichten II u. IV), Riesenpyramidenzellen im Motorkortex
-
PFC  granulär
abwechselnde Pyramiden- u. Körnerzellschichten,
keine Riesenpyramidenzellen
08.01.2007
Das Frontalhirn
4
Neuronaler Aufbau des PFC

Übergangszonen:
1. Makake
Frontales Augenfeld (BA 8 / Sulcus arcuatus)
 Sakkaden u. langsame Augenfolgebewegungen
gr. Pyramidenzellen + Körnerzellschicht IV
2. Mensch
Broca-Repräsentation (BA 44 u. 45 / G. frontalis inf.)
08.01.2007
Das Frontalhirn
5
Neuronaler Aufbau des PFC
Neuronale Verbindungen des PFC ( reziprok)

–
Thalamus: N. dorsomedialis (MD)
•
•
•
•
•
–
–
–
–
–
08.01.2007
Septale Kerne
Amygdala
Cortex piriformis
Cortex temporalis inferior
Tegmentum
Thalamus: Pulvinar, N. ventr. ant., Nn. intralam. rostr.
Hippocampus
Gyrus cinguli
Substantia nigra
Neokortex, z.B. parietal, inferotemporal
Das Frontalhirn
6
Neuronaler Aufbau des PFC

Besonderheiten
– Keine reziproke Verbindung zu den Basalganglien (efferent)
– Einziger neokortikaler Teil mit Efferenzen zu Hippocampus
und Septum

Afferenzen aus dem Hirnstamm
– L. coeruleus (noradrenerg)
 unselektiv
– Raphé-Kerne (serotonerg)
 sens. Regionen
– Tegmentum (dopaminerg)
 PFC
Theorie Übermittlung dopaminerger Signale führt zu
Verhaltenwechsel / adäquatem Verhalten
08.01.2007
Das Frontalhirn
7
Speziesunterschiede

Anteil des PFC am Cortex
– Katze
3,5 %
– Makake 11,5 %
– Mensch 29,0 %
 PFC als menschlichster Teil des Gehirns
mögliche Grundlage für Konzepte / Perspektiven
Bewusstsein / Selbstbewusstsein
soziale Interaktion
08.01.2007
Das Frontalhirn
8
PFC als Kontrollinstanz

Einfache, stereotype Verhaltensweisen laufen
automatisiert ab
(schnelle Auslösung,aber schlechte Anpassung)

PFC kontrolliert Verhaltenanpassung aufgrund
interner und externer Randbedingungen
 Beobachtungen von Patienten mit
Frontalhirnschädigungen
08.01.2007
Das Frontalhirn
9
Wisconsin Card Sorting Test (WCST)



Sortierung von Karten nach Form, Farbe, Anzahl
periodisch alternierende Sortierungsregel
 erfolgreiche Auswahl der richtigen Antwort bedarf
Verhaltensanpassung an Sortierungsregel
Menschen und Primaten
mit Läsionen im PFC
haben Anpassungsschwierigkeiten!
08.01.2007
Das Frontalhirn
10
Antisakkaden

Antisakkade = schnelle Augenbewegung auf einen nicht
markierten Ort gegenüber einem Lichtreiz
 erfordert Inhibition der Augenbewegung zum Lichtreiz hin
(= Prosakkade)

PFC-geschädigte Patienten führen überwiegend instruktionswidrige Prosakkaden aus!
Kognitive Kontrolle der Sensomotorik gestört


Aber: Tierbefunde deuten darauf hin, dass Augenbewegungen
wie Antisakkaden vom anderen Arealen gesteuert werden
(front. Augenfeld, suppl. Augenfeld, dorso.-lat. PFC)
08.01.2007
Das Frontalhirn
11
Bias-Signale: die integrative Theorie des
präfrontalen Kortex (Miller & Cohen, 2001)

Aufgabe des PFC ist Generierung von Bias-Signalen
– neuronales Muster, das die Verarbeitung in anderen
Strukturen modifiziert
– Förderung des mappings: Umsetzung von neuronalen
Eingangsgrößen in sichtbares Verhalten
– Auswahl des jeweiligen Verhaltens aufgrund des inneren
und äußeren Kontextes
Bias
gewünschtes Verhalten
unerwünschtes Verhalten
Verhalten wird ausgeführt
08.01.2007
Das Frontalhirn
12
Bias-Signale am Beispiel des Stroop-Effekts
 Benennung des Wortes
 Benennung der Farbe
Selektive Zuwendung zu
einem der Merkmale
besondere Forderung der Aufmerksamkeit bei Inkongruenz
zw. beiden Merkmalen
ohne spez. Instruktion wird der Wortinhalt bevorzugt
Inhalt dominierend  verbale Antwort: z.B. grün
08.01.2007
Das Frontalhirn
13
Bias-Signale am Beispiel des Stroop-Effekts


stärkere Verbindung zw. Repräsentationen von
Wortinhalt und verbaler Antwort
schwächere Verbindung zw. Repräsentationen von
Wortfarbe und verbaler Antwort
Instruktion: Benenne Wortfarbe!
präfrontales
Bias
Verstärkung der Bindung zw. Farbe und Antwort
Farbe
nun dominierend  verbale Antwort: z.B. ROT
(Modell von Cohen et al., 1990)
08.01.2007
Das Frontalhirn
14
Bias-Signale am Beispiel des Stroop-Effekts
08.01.2007
Das Frontalhirn
15
Bias-Signale: die integrative Theorie des
präfrontalen Kortex (Miller & Cohen, 2001)

Schlussfolgerung

Der präfrontale Kortex ist nicht Teil der ReizReaktions-Sequenz, sondern eine übergeordnete
Kontrollinstanz, die mittels neuronaler Bias-Signale
Verhalten moduliert, indem für den inneren und
äußeren Kontext wünschenswerte Verhaltenweisen
in ihrer Auswahl verstärkt und damit ihre Ausführung
begünstigt wird.
Kontextabhängige Weichenstellung

08.01.2007
Das Frontalhirn
16
Anatomische Implikationen



PFC muss über inneren und äußeren Kontext informiert sein
PFC muss Möglichkeit zur sensomotorischen Kontrolle haben
externer Kontext
interner Kontext
Eingänge aus sens.
Assoziationskortex
Laterale + dorsale
Anteile des PFC
Eingänge aus limbischem
System, Hippocampus,
ventralem Tegmentum
08.01.2007
(Erinnerungen/Erfahrungen/
Bedürfnisse/Wünsche)
Das Frontalhirn
17
Dopaminerges System und Verhaltensbewertung



dopaminerger Eingang als entscheidende
Einflussgröße für Auswahl adäquater Bias-Signale
kein stetiger Dopaminausstoß, sondern phasische
Komponente
Entladung bei unerwarteter Belohnung
 Inhibition bei Ausbleiben der Belohnung nach
Konditionierung auf neutralen Stimulus

Dopaminsignal unterstützt in PFC die Bildung neuer
Zielrepräsentationen und entsprechenden Verhaltens
08.01.2007
Das Frontalhirn
18
Dopaminerges System und Verhaltensbewertung
…eine unerwartete Möglichkeit
Aktivität:
Gehen
Aussenden eines
Dopaminsignals
an den PFC
Alternativverhalten
wird
begünstigt
Aktivierung eines Bias
08.01.2007
Das Frontalhirn
19
Dopaminerges System und Verhaltensbewertung


durch das Bias wird ein alternatives Verhalten
begünstigt
ist die mögliche Belohnung durch das Alternativverhalten zu erreichen, so wird die Wahrscheinlichkeit der Auslösung des Verhaltens erhöht

Fehlleitungen im Dopaminsystem:
– Belohnungssignale können inadäquaten Einfluss auf den
PFC nehmen, Folge davon sind Verhaltenanomalien wie sie
nach Frontalhirnschädigungen zu beobachten sind
z.B.: Perseverationen
08.01.2007
Das Frontalhirn
20
PFC und Arbeitsgedächtnis


PFC wichtig zur Einschätzung des subjektiven
Nutzens eines Verhaltens
Einzelne Neurone repräsentieren bereits erwarteten
Nutzen
– Studie mit Einzelableitungen an Affen (Watanabe,1996)
• Zielgerichtete Handlung nach Verzögerung
• Reiz wird temporär in definierter Raumposition präsentiert
 Position muss in Warteperiode erinnert werden
 richtungsspez. Aktivierung von Einzelneuronen im PFC
= Grundlage eines räuml. Arbeitsgedächtnisses
08.01.2007
Das Frontalhirn
21
PFC und Arbeitsgedächtnis

Aber: Aktivierung ist bei
versch. Zielobjekten auch
abhängig vom subjektiven
Nutzen der zielgerichteten
Handlung und damit der
Belohnung!
 PFC als Teil des
Arbeitsgedächtnisses

unterschiedliche Teile des
PFC bedienen verschiedene
sensorische und motorische
Systeme
08.01.2007
Das Frontalhirn
22
PFC und Arbeitsgedächtnis

raumspezifische Gedächtnisinhalte
PFC oberhalb Sulcus principalis
 Verbindung zur Dorsalbahn

formspezifische Gedächtnisinhalte
PFC unterhalb Sulcus principalis
 Verbindung zur Ventralbahn

In Nachbarschaft des S. principalis Neurone, die sowohl Form
als auch Position repräsentieren
 Anzeichen für nötige Integration von Information für eine
ganzheitliche Wahrnehmung
08.01.2007
Das Frontalhirn
23
Gliederung

Überblick über die Wesensänderung nach
präfontralen Schädigungen
 Störungen der Exekutivfunktionen
- Verhalten
- Regelverstöße („rule-breaking“)
- Antizipation
- Arbeitsgedächtnis
- „Theory of mind“

Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen
- Die Theorie von Shallice und Norman
- Grafmans Modell
- Die somatische Markerhypothese

Kurzer Exkurs in eine aktuelle Forschung
08.01.2007
Das Frontalhirn
24
Wesensänderung nach präfrontalen
Schädigungen
Unterscheidung in 2 Hauptrichtungen
1. Antriebsstörung mit einer allgemeinen
Reduktion von Aktivität
2. Enthemmung des Verhaltens
08.01.2007
Das Frontalhirn
25
Antriebsstörung mit einer allgemeinen
Reduktion von Aktivität



akinetischer Mutismus als Vollbild der Störung
(beidseitige Insulte der A.cerebri anterior)
=>
Patienten zwar wach, zeigen aber keinerlei Reaktion
auf Umweltreize (wie erstarrt)
Leichtere Störungsform (meist auch bilaterale
präfrontale Läsionen)
=> allgemeine Reduktion von allen spontanen
oder reaktiven Handlungen, allgemeine Trägheit,
Patienten sind klaglos und tolerant, schwächere
Wahrnehmung von Sorge, Angst, Schmerzen,...
08.01.2007
Das Frontalhirn
26
Enthemmung des Verhaltens

Am ehesten hervorgerufen durch orbito-frontale oder
ventro-mediale Läsionen
- Patienten äussern sich im Umgang mit anderen
häufig frech oder kränkend
- Teilweise „Witzelsucht“
- Labile Stimmung, eher gehoben; kann allerdings
auch schnell umschlagen
- Rigidität im Verhalten, was zu Probleme im Alltag
führt
08.01.2007
Das Frontalhirn
27
Störungen der Exekutivfunktionen
„Exekutivfunktionen dienen dazu, Handlungen über
mehrere Teilschritte hinweg auf ein übergeordnetes Ziel
zu planen, Aufmerksamkeit auf hierfür relevante
Informationen zu fokussieren und ungeeignete
Handlungen zu unterdrücken“
 Allgemeine Annahme, dass der präfrontale Kortex an den
Exekutivfunktionen wesentlich beteiligt ist
 Allerdings auch vermutete Beteiligung anderer kortikaler
und subkortikaler Strukturen wie medialer Thalamus,
Nucleus caudatus oder Globus pallidus
 Umfassende Störung dieser Funktion nennt sich
„dysexekutives Syndrom“ (tritt meist nach ausgedehnten,
diffusen und bilateralen Läsionen auf)

08.01.2007
Das Frontalhirn
28
Störung im Verhalten

Betroffene wirken interessenlos, gleichgültig und
sorglos
 Wenden sich seltener neuen Reizen zu
 Handlungen häufig nicht durch Ziele geordnet und
motiviert
 Unfähig, Teilschritte, die zur Erfüllung eines Ziels
vonnöten sind, zu erkennen
 Störung beim Erkennen von Regeln
 Produktion irrelevanter Planfragmente
08.01.2007
Das Frontalhirn
29
Störung im Verhalten



Patienten sind in hochstrukturierten Umwelten (z.B.
Kliniken) durchaus unauffällig
Sofort auffällig, wenn die jeweilige Situation „die
Organisation und das Planen des Verhaltens über
einen längeren Zeitraum bei gleichzeitiger
Berücksichtigung mehrerer Teilaspekte“ erforderlich
macht
Patienten weisen ebenfalls Beeinträchtigungen bei
der Kontrolle von Handlungen auf (lernen nicht aus
Fehlern, keine Anpassung an veränderte
Bedingungen,...)
08.01.2007
Das Frontalhirn
30
Regelverstöße („rule breaking“)



Patienten können Anweisungen verbal wiederholen,
zeigen aber dennoch davon abweichendes Verhalten
Scheint eher ein allgemeines Problem darzustellen,
wenn die Patienten mit neuen Situationen konfrontiert
werden
Tritt nicht nur bei Patienten mit Frontalhirnläsionen
auf sondern auch bei Menschen mit geringer
Intelligenz
08.01.2007
Das Frontalhirn
31
Antizipation



Handlungsmodelle werden häufig aktiv unter
Berücksichtigung des gesamten Situationskontext
entworfen
Existieren noch keine überprüften Handlungsmodelle,
werden Antizipationsprozesse (das unbewusste
Bilden von Erwartungen) aktiviert
Bei Patienten mit Läsionen um frontalen Kortex ist
diese Fähigkeit gestört
08.01.2007
Das Frontalhirn
32
Arbeitsgedächtnis

Exekutivfunktionen und das Arbeitsgedächtnis stehen
in engem Zusammenhang
 Patienten mit Läsionen im Frontalhirn zeigen
signifikante Defizite bei Aufgaben, die räumliches und
visuelles Arbeitsgedächtnis betreffen
 Aber
 Auch Patienten mit entfernten Temporallappen oder
Amygdala und Hippocampus zeigen diese Defizite
=> Das Arbeitsgedächtnis beruht ebenso wie die
Exekutivfunktionen auf einem Zusammenwirken
verschiedener kortikaler und subkortikaler Hirnareale
08.01.2007
Das Frontalhirn
33
„Theory of mind“


Bildgebende Verfahren haben gezeigt, dass beim
Lösen von „Theory of mind“-Aufgaben vorallem im
präfontalen medialen Kortex Aktivität zu verzeichnen
ist
Patienten mit Schäden in diesem Bereich schneiden
deswegen bei „Theory of mind“-Aufgaben schlechter
ab, da sie nicht in der Lage sind, Schlussfolgerungen
über das Verhalten anderer Menschen zu ziehen
08.01.2007
Das Frontalhirn
34
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen
Theorie von Shallice und Norman


Unterscheidung von automatischen (unbewussten)
und aktiven (Aufmerksamkeit erfordernden)
Prozessen der Informationsverarbeitung
Handeln und Kognition basieren auf hoch
spezialisierten Programmen (Schemata), die
hierarchisch geordnet, zielorientiert und oft wiederholt
und können spezifische, überlernte Handlungen und
Fertigkeiten kontrollieren
08.01.2007
Das Frontalhirn
35
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen



Schemata können auf verschiedene Art und Weise
ausgelöst werden, z.B. durch andere Schemata oder
externe Faktoren (Trigger)
Um in Situationen angemessen zu handeln, ist eine
Auswahl geeigneter Schemata vonnöten
Hier werden zwei verschiedene Prozesse
angenommen: „contention scheduling“ (CS) und
„supervisory attentional system“ (SAS)
08.01.2007
Das Frontalhirn
36
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen



CS steht für die automatische, direkte und durch
Trigger aktivierte Selektion von geeigneten Schemata
CS basiert auf fixen Regeln und ist so schnell, aber
unflexibel
Bei schwierigen kognitiven Problemen ist dieser
Prozess zum Erreichen eines Ziels nicht ausreichend
08.01.2007
Das Frontalhirn
37
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen




SAS steht für ein generelles, hierarchisch
übergeordnetes Planungsprogramm
SAS kann mit Schemata aller Hierarchieebenen und
unabhängig von aktivierten Triggern arbeiten
SAS ist sehr flexibel, dafür aber langsam
Sobald es für ein Problem kein geeignetes Schema
gibt, wird das SAS aktiv, entwickelt
Lösungsstrategien, führt Entscheidungsprozesse
herbei und kontrolliert deren Erfolg
08.01.2007
Das Frontalhirn
38
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen

Das SAS wird von Shallice als die zentrale Funktion des
Frontalhirns angenommen
Belege für und gegen dieses Modell

Reduzierte Leistungsfähigkeit von Personen mit Läsionen
im Frontalhirn bei Problemlöseaufgaben („Tower of
London“) (Shallice und McCarthy & Carlin et al.)
 PET und fMRT-Studien haben aber gezeigt, dass bei
solchen Aufgaben ein weites Netzwerk kortikaler
Strukturen beteiligt ist, was gegen eine Dichotomie von
SAS im Frontalhirn und CS in anderen Hirnregionen
spricht
08.01.2007
Das Frontalhirn
39
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen
Grafmans Modell
 Das Wissen über die Abfolge von Ereignissen wird durch
ein neuronales Netz repräsentiert, das aus einzelnen
„managerial knowledge units“ (MKU) besteht
 Eine MKU ist eine Gedächtniseinheit, die das Wissen über
die Ereignisse zu einem gewissen Thema beinhaltet
 MKUs enthalten neben dem Thema auch die zeitliche
Struktur einer Ereignisfolge und werden sowohl während
der aktiven Ausübung als auch bei der verbalen
Beschreibung eines Ereignisses ausgeführt
08.01.2007
Das Frontalhirn
40
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen


Nach Grafman existieren drei verschiedene Ebenen
der Wissensrepräsentation in MKU:
- die abstrakte Ebene
- die kontextfreie Ebene
- die kontextabhängige Ebene
Auf der abstrakten Ebene werden unklare und
mehrdeutige Erfahrungen rationalisiert und
verstanden; sie beinhaltet das Wissen über
Ereignisse wie Beginn, Ende oder Intention von
Vorgängen
08.01.2007
Das Frontalhirn
41
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen



Die kontextfreie Ebene enthält Repräsentationen
über Ereignisfolgen, die in verschiedenen Kontexten
erlebt bzw. ausgeübt werden können
Auf der kontextabhängigen Ebene ist jenes Wissen
repräsentiert, das nur in einem bestimmten Kontext
verstanden und umgesetzt werden kann
Zusätzlich unterscheidet Grafman nicht nur
verschiedene Ebenen sondern auch die Gestalt von
MKU nach linguistischer Form (Listen oder Skripte)
und bildhafter Form (visuelle Szenen)
08.01.2007
Das Frontalhirn
42
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen



Die somatische Markerhypothese
Damasio et al. Gehen davon aus, dass neben
rationalen kognitiven Prozessen beim Denken und
Entscheiden noch eine zweite Instanz involviert ist
Diese Instanz nennen sie die somatischen Marker,
die konkret alle viszeralen und nichtviszeralen
Prozesse, die im Körper ablaufen, meinen
Zusätzlich postulieren sie ein zerebrales „Surrogat“,
welches somatische Zustände und Prozesse
simuliert, ohne sie auszulösen
08.01.2007
Das Frontalhirn
43
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen



Bei allen komplexen Entscheidungsvorgängen
werden diese somatischen Marker miteinbezogen
Sie sorgen dafür, dass alternative
Handlungsmöglichkeiten bewertet werden und eine
langfristig erfolgreiche, sozial verträgliche und
konstruktive Handlung einer möglichen destruktiven
vorgezogen wird
Für die Generierung dieser Marker ist das limbische
System zuständig
08.01.2007
Das Frontalhirn
44
Kognitive Modelle menschlicher
Frontalhirnfunktionen


Belege für und gegen die Theorie der somatischen
Marker
Personen mit Läsionen im Frontalhirn schneiden
beim „Iowa Gambling Task“ signifikant schlechter ab,
als gesunde Versuchspersonen (Damassio und
Damassio; Bechara et al.; Anderson et al.)
Maia u. McClelland fanden jedoch heraus, dass die
„Iowa Gambling Task“ nicht isoliert unvernünftige
Risikobereitschaft misst sondern vielmehr die
Intaktheit zusätzlicher exekutiver Elemente wie
Arbeitsgedächtnis und Antizipation erfordert
08.01.2007
Das Frontalhirn
45
Kurzer Exkurs in eine aktuelle Forschung

Passend zu den Befunden, dass Patienten mit
Schädigungen im Frontalhirn ein sozial häufig nicht
angepasstes Leben führen, sind folgende
Ergebnisse:
 Hauser und Damassio haben solche Patienten mit
verschiedenen Dilemmata konfrontiert
 Dabei fällt auf, dass einige Patienten NICHT der
allgemein gültigen Moral folgen sondern für sie der
Zweck alle Mittel heiligt
 Es wird also angenommen, dass eine Art angeborene
Moral im Frontalhirn lokalisiert ist
08.01.2007
Das Frontalhirn
46
Herunterladen

Das Frontalhirn: Phineas Gage und die Folgen II