Vorlesung # 11

Vorlesung # 11
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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
Æ 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.) Æ bewußt abrufbar
Nicht-deklaratives, implizites G.:
gelernte Fähigkeiten (prozedurales
G.), sensomotorische Prozesse Æ
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 Æ 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)
Tetanus
50 Hz or 100 Hz
for 1 sec
Æ LTP
10 ms
200 ms
1 Hz Stimulation for 15 min
Æ LTD
LTP and LTD
Slight LTP
LTD