Gehirnorganisation: Struktur und Funktion
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Gehirnorganisation: Struktur und Funktion Evangelische Akademie Villigst Simon Eickhoff Institut für Neurowissenschaften und Medizin INM-1: Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns GWAS Genetik Mikroskopischer Aufbau der Großhirnrinde Verteilung von Molekülen der Signalübertragung Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Darstellung von Faserbahnen In-vivo Bildgebung des Gehirns Kognitive Neuropsychologie Funktionelle fMRT Bildgebung Neurobiologie inter-individueller Varianz Institut für Neurowissenschaften und Medizin INM-1: Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns GWAS Genetik Strukturelle Organisation des Gehirns Mikroskopischer Aufbau der Großhirnrinde Wie ist die Großhirnrinde ? Verteilung vonaufgebaut Molekülen der Signalübertragung Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Darstellung von Faserbahnen In-vivo Bildgebung des Gehirns Kognitive Neuropsychologie Funktionelle fMRT Bildgebung Neurobiologie inter-individueller Varianz Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Histologie: Zelluläre Struktur der Großhirnrinde Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Histologie: Zelluläre Struktur der Großhirnrinde 22.01.2013 5 Rezeptorarchitektonik Kartierung von Bindungsstellen für Moleküle der Signalübertragung kainate M1 M2 ifs/prcs ifs/prcs 44d 44d ifj1 sd 44v op7 ifs/prcs ifs/prcs ifj1 ifj2 44d ifj2 sd 44v GABAA op7 op7 44d ifj1 ifj2 ifj2 op7 op8 44v 44v ifj1 op7 op7 op8 op8 op8 380 60 164 40 374 256 2300 fmol/mg protein 475 287 530 fmol/mg protein 889 fmol/mg protein fmol/mg protein Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft 1200 1755 1027 Amunts, Lenzen, Palomero-Gallagher, Zilles, PLoS Biology, 2010 Zilles, Amunts, Curr Opin Neurol, 2009 300 100 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Rezeptorarchitektonik Kartierung von Bindungsstellen für Moleküle der Signalübertragung Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Immer noch „die“ Referenz: Brodmann 1908 22.01.2013 8 Strukturelle Organisation des Gehirns Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Ein neuer Atlas der menschlichen Großhirnrinde Histologie: Zelluläre Struktur der Großhirnrinde Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Kartierung kortikaler Regionen auf Basis der Form und Anordnung von Nervenzellen Wahrscheinlichkeitskarten histologisch definierter Areale frontal pole Eickhoff et al., Neuroimage, 2005 Zilles and Amunts, Nature Reviews Neuroscience, GLI- profiles 2010 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Der „JuBrain histological atlas“ Histologie: Zelluläre Struktur der Großhirnrinde Kombination von strukturellen Karten mit funktionellen Informationen erlaubt Einblicke in die Organisation des menschlichen Gehirns Fp2 Fp1 Fp2 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fp1 Wahrscheinlichkeitskarte maximum probability map Verbundene Regionen Fp1: Kognition, Arbeitsgedächtnis, Sinneswahrnehmung Fp2: Emotionen und soziale Verarbeitungsprozesse Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Strukturelle Organisation des Gehirns Strukturelle Organisation des Gehirns Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft ...ist nur ein Aspekt der Gehirnorganisation Segregation Segregation Integration Integration Analyse ät Analyseder derregionalen regionalenHeterogenit Heterogenität und undSpezialisierung Spezialisierung Aus Auswelchen welchenTeilnehmern Teilnehmernformen formensich sich Netzwerke? Netzwerke? Welche WelcheAreale Arealesind sindan anbestimmten bestimmten Aufgaben Aufgabenbeteiligt? beteiligt? Analyse Analyseder derInteraktion Interaktionzwischen zwischen einzelnen einzelnenRegionen Regionen Kartierung -) Kartierungder der(Faser (Faser-) Verbindungen Verbindungenzwischen zwischenArealen Arealen Kontext -abhängige Modulation Kontext-abhängige Modulationdes des Informationsflusses Informationsflusses Struktur Konnektivität Verbindungen im Gehirn Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Ansätze zur Kartierung von Faserbahnen Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Polarized Light Imaging (PLI) 22.01.2013 Dammers et al., Neuroimage (2009) Palm et al., Frontiers Hum Neurosci16(2010) Axer et al., Neuroimage (2011), Axer et al., Frontiers in Neuroinformatics (2011) Fr1 Fr2 Fr3 FL Cg1 Par1 ci Par1 Cg2 Par1 BF Par1 IG Par2 LS toc Acb Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft AID Cl AIV aco En Pir tol Tu on Ax o n n Ax Ax o Ax o n Diffusionsbildgebung mittels MRT: Darstellung von Faserbahnen im lebenden Gehirn Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft X Z Y Wasser in einer strukturierten Umgebung (z.B. Faserbündel) Brown’sche Eigenbewegung Diffusions-Ellipsoid Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Diffusionsbildgebung mittels MRT: Darstellung von Faserbahnen im lebenden Gehirn Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Diffusionsbildgebung mittels MRT: Darstellung von Faserbahnen im lebenden Gehirn Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Kartierung von Faserbahnen im menschlichen Gehirn Polarized Light Imaging Diffusionsbildgebung im MRT Hohe (mikroskopische) Auflösung Präzise Verfolgung von Fasern Nur post-mortem möglich Sehr aufwendiges Verfahren Fasern im lebenden Gehirn Erlaubt Untersuchung großer Fallzahlen Niedrige Auflösung Unsicherheit über echten Faserverlauf Regionale Struktur und strukturelle Konnektivität Segregation Segregation Integration Integration Mikrostruktur des Kortex Strukturelle Konnektivität Mikroskopischer Aufbau der Großhirnrinde Verteilung von Molekülen der Signalübertragung Darstellung von Faserbahnen Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft In-vivo Bildgebung des Gehirns Bottom-up (Ingenieurs-) Ansatz Wenn die Bausteine bekannt sind folgt die Funktion Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft The Blue Brain Project The Blue Brain Project Genetik Zellaufbau Rezeptoreigenschafte n Synapsenfunktion Stoffwechsel ZellModell Schaltkreis-Modell Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Interaktionsregeln Regionale Modelle Regionale Struktur und strukturelle Konnektivität Segregation Segregation Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Mikrostruktur des Kortex Bottom-up (Ingenieurs-) Ansatz Wenn die Bausteine bekannt sind folgt die Funktion Integration Integration Strukturelle Konnektivität Widerspricht „emergent properties“ komplexer Systeme ? Und was heißt eigentlich Funktion? Was meinen wir mit Funktion im Gehirn ? Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Funktionsweise der Schaltkreise im Gehirn Was meinen wir mit Funktion im Gehirn ? Funktionsweise der Schaltkreise Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Funktionelle Lokalisation Was meinen wir mit Funktion im Gehirn ? Funktionsweise der Schaltkreise Funktionelle Lokalisation Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Gehirnfunktionen Was meinen wir mit Funktion im Gehirn ? Funktionsweise der Schaltkreise Funktionelle Lokalisation Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Gehirnfunktionen Gehirn – Geist – Ich - Seele Was meinen Kognitive Neurowissenschaften wir mit Funktion im Gehirn ? Funktionsweise der Schaltkreise Funktionelle Lokalisation Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Gehirnfunktionen Gehirn – Geist – Ich - Seele Kognitive Neurowissenschaften GWAS Genetik Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Neuropsychologie Funktionelle fMRT Bildgebung Neurobiologie inter-individueller Varianz Neuropsychologie – Übersicht (Persönlichkeits-) Fragebögen Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Papierbasierte Leistungstests Motorische Tests Verhaltensstudien Neuropsychologie - Verhaltensstudien Standarisierte Computertests Messwerte beschreiben Verarbeitung im Gehirn Fehlerrate: Schwierigkeit Reaktionszeit: Arbeitsbelastung Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Erfassung der (Teil-) Leistungsfähigkeiten in experimentellen Paradigmen Komplexer / spezifischer als klassische Tests Beispiel: Selbst initiierte Bewegungen Frei: Seite und Zeitpunkt intern Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Wahl: Seite intern, Zeitpunkt extern Reaktion: Seite und Zeitpunkt extern Depression Gedrückte Stimmung Verlust von Freude und Interessen Grübeln und Schuldgefühle Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Erschöpfung und Energielosigkeit Psychomotorische Verlangsamung Konzentrations- und Gedächtnisprobleme Schlafunregelmäßigkeiten Appetitveränderungen Schmerzen Neuropsychologie: Psychomotorik bei Depression Patienten Selbst initiierte Bewegungen p-Wert Langsamer Median RT (ms) 2053.5 (ICR: 1439.0) 1282.0 (ICR: 907.0) 0.016* Varianz über Trials (SD in ms) 1765.5 (ICR: 1287.5) 909.5 (ICR: 916.0) 0.008* Auswahl Viel langsamer Median RT (ms) 588.0 (ICR: 176.5) 407.5 (ICR: 92.5) 0.000** Varianz über Trials (SD in ms) 156.5 (ICR: 45.0) 126.5 (ICR: 37.0) 0.023* Reaktive Bewegungen Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Kontrollen Etwas langsamer (aber nicht mehr Fehler) Median RT (ms) 500.5 (ICR: 183.5) 450.5 (ICR: 82.0) 0.048* Varianz über Trials (SD in ms) 104.0 (ICR: 44.0) 71.0 (ICR: 36.5) 0.006* Fehler(%) 2.0 (ICR: 6.6) 1.2 (ICR: 1.9) 0.407 -42.0 (ICR: 110.5) 46.5 (ICR: 54.0) 0.001** Unterschiede in der RT (ms) “Reaktiv"-“Wahl" Neuropsychologie: Psychomotorik bei Depression Papierbasierte Tests von Konzentration und Gedächtnis Pfadfindertest A (Konzentration / Schnelligkeit) Pfadfindertest B (Konzentration / Task-Switching) HAWIE-R Zahlentest vorwärts (Kurzzeitgedächtnis) HAWIE-R Zahlentest rückwärts (Arbeitsgedächtnis) Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Schlechtere Leistung in allen Tests Depressive Patienten scheinen durchweg motorisch und kognitiv verlangsamt bzw. defizitär Neuropsychologie: Psychomotorik bei Depression clusteringNEU Signifikant beeinträchtigt in allen neuropsychologischen Tests Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Signifikant langsamer in allen drei Bedingungen Signifikant beeinträchtigt in allen neuropsychologischen Tests Keine motorische Verlangsamung Segregation Segregation Mikrostruktur des Kortex Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Gehirnfunktionen Integration Integration Strukturelle Konnektivität Funktionelle Lokalisation Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Funktionelle Bildgebung Funktionelle Bildgebung Grundlage: BOLD – Effekt (Blood Oxygen Level Dependent) Vorgehen: Bildsubtraktion Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Bei Gehirnaktivität ändert sich der Blutfluss Sauerstoffreiches / -armes Blut haben andere magnetische Eigenschaften Signal wird zwischen Aufgabe und Ruhe verglichen Änderung zeigt Aktivität einer Region Änderung des regionalen MRT-Signals Funktionelle Bildgebung und Lokalisation Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Bewegung der rechten Hand Bewegung der linken Hand Funktionelle Bildgebung und Lokalisation Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Bewegung beider Hände Nur rechts bzw. links Verstärkte Aktivität bei beidhändiger Koordination Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Funktionelle Bildgebung und Lokalisation Funktionelle Bildgebung und Lokalisation Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft JuBrain histological atlas 57% in primären motorischen Arealen 21% im prä-motorischen Areal 22% in somatosensorischen Arealen Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Funktionelle Bildgebung: Neue Perspektiven Funktionelle Bildgebung bei dieser Patientin R L Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Akustische Stimulation mittels über Kopfhörer präsentierten Worten 3 verschiedene Sprecher: -> Kinder, Freundinnen, fremde Person (Doktorandin) 2 Inhalte: -> Direkte Ansprache mit Nennung des eigenen Namen -> Zusammenhanglose Einzelworte Gibt es differenzierte Reaktionen ? Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft R L -> Linker Mandelkern Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Der Mandelkern Emotionsverarbeitung Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Audio-visuelle Emotionsverarbeitung 1000 ms 500 ms Audio-visuelle Emotionsverarbeitung Was macht die Amygdala? Zeigt (soziale) Relevanz Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Und auch „Entwarnung“ Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Entwarnendes Signal bei sozial-emotionaler Verarbeitung Modulation der Antwort durch Identität des Sprechers und Inhalt Inter-individuelle Varianz Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Kör pe r bes chw erd en ität Aggressivitä Bean spru chun g Körperbeschwerden tät i v i s res Dep Offenhei Deprestsiv ität Funktion Funktion Neuropsychologie Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Inter-individuelle Inter-individuelle Varianz Varianz Mikrostruktur des Kortex Segregation Segregation Funktionelle Bildgebung Funktionelle Funktionelle Konnektivität Konnektivität Strukturelle Konnektivität Integration Integration Das JuBrain Team Hartmut Mohlberg Axel Schleicher Sebastian Bludau Sabine Bradler Uli Bürgel Julian Caspers Svenja Caspers Christian Grefkes Fatma Gerboga Stefan Geyer Anton Hensen Olga Kedo Florian Kurth Anja Ludwig Aleksandar Malikovic Patricia Morosan Milenko Kujovic Nicola Palomero Katrin Amunts Claudia Rottschy Karl Zilles Filip Scheperjans AG Modellierung kortikaler Netzwerke Simone Behrwind Sarah Halfter Robert Hardwick Tanja Kellermann Florian Kurth Christian Roski Melanie Sternkopf Danilo Bzdok Edna Cieslik Mareike Clos Felix Hoffstaedter Oliver Jakobs Tanja Kellermann Robert Langner Veronika Müller Claudia Rottschy Institut für Neurowissenschaften und Medizin Forschungszentrum Jülich Patientenversorgung Kooperation mit den Unikliniken Düsseldorf, Aachen und Köln Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Psychiatrie, Neurologie, Kinder- und Jugendpsychiatrie Grundlagenforschung klinische Forschung Wie ist das gesunde Gehirn organisiert? Wie kommen Einschränkungen zu Stande? Wie denken, fühlen, handeln wir? Können wir neue Therapien entwickeln? Methodenentwicklung Neue und verbesserte Möglichkeiten der Datenerhebung, -auswertung, -modellierung Funktionelle Bildgebung und Neuropsychologie Versuchsablauf Pfeil nach rechts: Tastendruck rechts Pfeil nach links: Tastendruck links Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft 24 Pfeile im Abstand von je 1 Sekunde Aber: Pfeile nicht gleichmäßig häufig! Lernt das Gehirn diese Wahrscheinlichkeiten? Funktionelle Bildgebung und Neuropsychologie Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Reaktionszeit auf nach links oder rechts zeigende Pfeile Optimierung der Reaktionszeit durch unbewusstes Lernen Schnelle Anpassung der Prädiktion an neue Gegebenheiten Funktionelle Bildgebung und Neuropsychologie Unbewusstes Lernen der Stimulus-Wahrscheinlichkeiten Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Anpassen der Erwartung an die veränderten Gegebenheiten Regionen die konsistent an beiden Prozessen zur Optimierung der Reaktion beteiligt sind Funktionelle Bildgebung Der Blick ins Gehirn WAS Darstellung von Prozessen Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft WO Lokalisation von Leistungen WIE Beschreibung von Abläufen
