Das Gehirn

12.08.2008
Das Gehirn
Einführung in die Terminologie
Hirnregionen
Neuronen
Neuronale Strukturen
Cognitive Bodyspaces:
Learning and Behavior
http://www.neurovia.umn.edu/INC/images/brain.gif
Hirnperspektiven
Hirnareale
Modulare Funktionalität
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/
commons/0/0d/Brain_chrischan_600.gif
EINFÜHRUNG
Ü
1
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Das Gehirn ‐
Das Gehirn ‐ Ansichten
Neuroantomie
“oben –– unten” , “vorne –
“oben unten” , “vorne – hinten”
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“oben / unten” , “vorne / hinten”
• Im Gehirn:
– Anterior (davor, Vorderseite, auch Frontal) / Posterior (dahinter, hinten)
– Dorsal / Ventral (zum Bauch hin)
– Medial (innen, mittig) / Lateral (außen)
• In der Wirbelsäule
– D
Dorsal / Ventral (wie l/V t l( i
ursprünglich)
– Caudal – zum Ende der Wirbelsäure hin – also zum Schwanz
Schnitte
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Schnitte Durch das Gehirn
• Schnitte:
Schnitte: – Horizontal (ventral –
dorsale Verschiebung)
– Sagittal (medial‐lateral Verschiebung)
– Coronal (Aneriore / posteriore
t i
V
Verschiebung)
hi b
)
Ein Gehirn Ein Gehirn –– Laterale Ansicht
4
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Hirngebiete –– Lateralansicht
Hirngebiete aus Biological Psychology
aus Biological Psychology, Rosenzweig, , Rosenzweig, Breedlove
Breedlove, Watson (2005)
, Watson (2005)
Hirngebiete –– Mediale Hirngebiete Mediale Saggitalansicht
Saggitalansicht
aus Biological Psychology
aus Biological Psychology, Rosenzweig, , Rosenzweig, Breedlove
Breedlove, Watson (2005)
, Watson (2005)
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Hirngebiete –– Mediale Hirngebiete Mediale Saggitalansicht
Saggitalansicht
Hirngebiete –– Basale (von unten) Ansicht
Hirngebiete aus Biological Psychology
aus Biological Psychology, Rosenzweig, , Rosenzweig, Breedlove
Breedlove, Watson (2005)
, Watson (2005)
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Großhirnhälften
Gehirn –– Koronale Ansicht
Gehirn 7
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Gehirn – Koronaler Schnitt Gehirn –
(Medial
Medial‐‐Posterior
Posterior))
http://de.wikibooks.org/wiki/Neuroanatomie:_Grobaufbau_des_Gehirns
http
://de.wikibooks.org/wiki/Neuroanatomie:_Grobaufbau_des_Gehirns
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Cerebrum
Thalamus
Mesencephalon ‐ Midbrain
Pons
Medulla oblongata
Medulla spinalis ‐ Spinal chord
Gehirn –– Koronaler Schnitt (Medial
Gehirn Koronaler Schnitt (Medial‐‐Posterior)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7
7.
Medulla spinalis
Decussatio pyramidum
Hilum nuclei olivaris inferioris
Nucleus olivaris inferior
Pons
Arteria cerebri posterior (?)
(Tractus cerebellorubralis)
(Tractus cerebellorubralis)
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Nucleus ruber
Ventriculus tertius
Thalamus
Capsula interna
Putamen
Capsula interna / Claustrum / Capsula extrema
Capsula extrema
14. Nucleus caudatus (Corpus)
15. Stria terminalis et Vena thalamostriata superior
16. Lamina affixa / Ventriculus lateralis, Pars centralis
17. Taenia choroidea / Plexus choroideus ventriculi
choroideus ventriculi lateralis
18. Fornix, Crus
19. Corpus callosum, Truncus
20. Gyrus cinguli
21. Fissura longitudinalis cerebri
22. Gyrus frontalis superior (?)
23. Insula
24. Sulcus lateralis
25. Ventriculus lateralis, Cornu temporale
26. Hippocampus
27. Gyrus parahippocampalis
28. Crus cerebri
29. Substantia nigra
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Evolutionäre Entwicklung
Endhirn
Telencephalon
Großhirn (Cortex)
Zwischenhirn
Diencephalon
Mittelhirn
Mesencephalon
Hinterhirn
Metencephalon
Brücke+ Kleinhirn
Nachhirn
Myelencephalon
Verlängertes Mark
Gehirnentwicklung 1. Monat
(aus http://ebn24.com/?
aus http://ebn24.com/?page=59&kapitel=61
page=59&kapitel=61 )
• 25 Tage:
– Neuralrohr
• Gebildete Neuronen wandern zu ihrem Bestimmungsort
• 40 Tage:
– Grundstruktur vorhanden:
Groß , Groß‐
Zwischen‐,
Mittel‐,
Hinterhirn,
Rückenmark
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Gehirnentwicklung
2. Teil
(aus http://ebn24.com/?page=59&kapitel=61 )
• 50 Tage: − Telencephalon, Diencephalon
• 100 Tage: − Cerebral Hemisphere
• 4.‐6. Monat: − Strukturierung des Grosshirns, Grundaufteilung
− Feinstrukturierung des Kl i hi
Kleinhirns und anderer
d d
• 5.‐9. Monat:
− Starkte Faltenbildung im Grosshirn
Gehirnteilgebiete –– Überblick
Gehirnteilgebiete (aus Biological (aus Biological Psychology
Psychology, Rosenzweig, , Rosenzweig, Breedlove
Breedlove, Watson (2005
, Watson (2005) )
) )
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Hirnteilstrukturen
• Telencephalon (medial + ventral)
– Basal Ganglia (Zentralganglien)
• Aufgaben: Unterstützung der motorischen Kontrolle
– Limbisches System
(unter Anderen)
• Hippokampus & Fornix: Hi
k
& F i Lernen & L
&
Episodisches Gedächtnis
• Amygdala, Olfactory Bulb: Emotionen & Geruch
• Medulla
– Körperfunktionskontrolle
– Übergang zum Rückenmark
• Diencephalon
– Thalamus
• Viele Kerne
• Kontrollzentrum aller eingehenden sensorischen Infos (außer Geruch)
• Kleinhirn (Cerebellum)
– Hypothalamus
• Vi
Viele Nuclei
l N l i (Kerne)
(K
)
• Aufrechterhaltung der Köperfunktionen (Herz, etc.)
–
–
–
–
–
Sehr klare drei‐schichtige Struktur
Purkinje Zellen
Körnerzellen (Granule cells)
Verdrahtet über die Brücke (Pons) zum Rest
Verdrahtet über die Brücke (Pons) zum Rest
Automatisierung und Stabilisierung der Verhaltenskontrolle
• Mesencephalon
•
– Superior Colliculus: Visuelle Kontrolle
– Inferior Colliculus: Auditive Kontrolle
– Ältere Kontrollsysteme
Cerebral Cortex (Telencephalon, dorsal)
– Meist sechs‐Schichtige Struktur (isocortex)
– Kolumnare Struktur
– Pyramidenzellen
Telencephalon (Grosshirn
Grosshirn): ): Genauere
Genauere Einteilungen
• Frontal lobe
– Precentral gyrus (Primary motor cortex, 4) – Superior frontal gyrus/Frontal eye fields (6, 8, 9), Middle frontal gyrus (46), Inferior frontal gyrus/Broca's area (44‐Pars opercularis, 45‐Pars triangularis)
– Orbitofrontal cortex (10, 11, 12, 47)
– Prefrontal cortex, Premotor cortex
– Precentral sulcus ‐ Superior frontal sulcus ‐ Inferior frontal sulcus ‐ Olfactory sulcus
• Parietal lobe
Parietal lobe
– Somatosensory cortex (Primary (1, 2, 3, 43), Secondary (5)), Precuneus (7m) ‐ Parietal operculum
– Parietal lobules (Superior (7l), Inferior (40)), Angular gyrus (39)
– Intraparietal sulcus, Marginal sulcus
• Occipital lobe
– Primary visual cortex (17), (Cuneus, Lingual gyrus, Lateral occipital gyrus (18, 19))
– Calcarine fissure
• Temporal lobe
– Primary auditory cortex (41, 42), Superior temporal gyrus (38, 22/Wernicke's area), Middle temporal gyrus (21), Inferior temporal gyrus (20)
– Fusiform gyrus (37)
(37) Medial temporal lobe
Medial temporal lobe (Amygdala,
(Amygdala, Parahippocampal
Parahippocampal gyrus ((27, 28, 34, 35, 36)
7, 8, 34, 35, 36)
• Cingulate cortex/gyrus
– Subgenual area (25), Anterior cingulate (24, 32, 33), Posterior cingulate (23, 31), Retrosplenial cortex (26, 29, 30)
Callosal sulcus
• Interlobar sulci/fissures
– lateral: Central (frontal+parietal), Lateral (frontal+parietal+temporal), Parietoöccipital
– medial: Medial longitudinal, Cingulate (frontal+cingulate), Collateral (temporal+occipital)
• White matter tracts
– Commissural fibers ‐ Association fibers Internal capsule (Anterior limb, Genu, Posterior limb), Corona radiata, External capsule, Lamina terminalis, Extreme capsule, Semioval center
– Olfactory tract, Terminal stria
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Verarbeitungslokalisation
Ganz Grobe Funktionale Verteilung
(nach Nichols & Newsome
(nach Nichols & Newsome (1999), Nature, 402)
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Neuronentypen
Synapsen & Informationsweiterleitung
Bildgebende Verfahren
INFORMATIONS‐
INFORMATIONS‐
ÜBERTRAGUNG
Neuronenarten & Andere Zellen
• Morphologie der Zelle
– Unipolar
– Bipolar
p
– Multipolar
• Funktionelle Unterscheidung
– Sensorische Neuronen (afferente Neuronen)
– Motorische Neuronen
– Interneuronen
• Lokal oder Intersegmental
– Pyramidenzellen, Körnerzellen, Sternzellen, etc.
• Gliazellen
– Schwannzellen (zur Myelenisierung)
– Andere mit vielen Funktionen
– Feuerrythmuskontrolle (?)
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Neuronenformen
http://www.mind.ilstu.edu/curriculum/neurons_intro/neurons_intro.php
Neuronen: Struktur und Aktivitäten
• Zellkörper mit Dendriten
– Zellmembranen‐potential
– Depolarisation durch Stimulation
D
l i ti d h Sti l ti
• Exzitation
• Inhibition
• Axon
–
–
–
–
Axonhügel als Schranke
Leitet Aktionspotentiale weiter
Spezialisiert für verlustfreie Weiterleitung
M li hi h beschleunigt die Myelinschicht
b hl
i di
Weiterleitung
• Synapsenkontakte
– Zu anderen Neuronen (deren Dendriten)
– Muskeln und andere Zellen
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(aus Biological Psychology, Rosenzweig, Breedlove, Watson (2005) )
Informationsweiterleitung
• Neuron hat bis zu 10.000 Synapsen
• Synapse
S
– Spalt zwischen Axon & Dendrit
– Aktionspotential löst Ausschüttung von Transmittern (Botenstoffen) aus
– Rezeptor nimmt bestimmte Botenstoffe nach Schlüssel‐
Botenstoffe nach Schlüssel
Schloss Prinzip auf
– Resultierende Stimulation oder Inhibition wird an der Membrane zum Axon weitergeleitet
– Enzyme trennen angedockte Transmitter
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(aus Biological Psychology, Rosenzweig, Breedlove, Watson (2005) )
Aktionspotential
• Schwellenwert kontrolliert Aktionspotentialauslösung
p
g
– Anionen und Kationen innerhalb und außerhalb des Axons
– Natrium‐Kalium‐Pumpe zur Aufrechterhaltung des Potentials
• Nächste Synapse
Nächste Synapse
– Auslösung der Neurotransmitter‐
ausschüttung
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Visualisierungsmethoden
• Elektrische Zellenaktivität
– EEG – Elektroenzephalogramm
• Auflösung: Zeitlich: Millisekunden, Räumlich ~1cm2
• Sauerstoffkonzentration
– PET – Positron Emission Tomography
– fMRI – functional Magnetic Resonance Imaging (Magnetresonanztomographie ‐ fMRT)
• Auflösung: Zeitlich: Sekunden, Räumlich: ~2mm3
• Mikroelektroden (Aktivität einzelner Zellen, invasiv)
(
,
)
– Einzelne Neuronen (~.01mm3 ‐ .1mm3) oder Neuronencluster
(cortical columns, <0.1mm3)
– Multiple Electrodemicrodrive Array (~200 Zellen in einer Teilstruktur <1mm3 ) Schichtenaufbau des Klein‐ und Großhirns
Kortikale Säulen
Repräsentationshomunculi
STRUKTUREN
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Kleinhirn –– Cerebellum
Kleinhirn Regelmässiger Aufbau:
Drei Schichten
Purkinje‐ und Körnerzellen:
Santiago Ramón y Cajal (May 1, 1852 – October 17, 1934) Schichten in der Großhirnrinde
• Lamina I (Stratum moleculare):
– Zellärmster Teil
– Entsteht zu erst – Zellen sterben (Programmierter Zelltod)
• Lamina II (Stratum granulosum externum): – Kleinere bedornte Sternzellen.
• Lamina III (Stratum pyramidale externum): – Kleinere Pyramidenzellen, • Lamina IV (Stratum granulosum internum)
– Primärafferente bedornte Sternzellen (erhalten Projektionen aus anderen Hirnarealen)
– In der Hör‐, Seh‐ und sensiblen Rinde besonders groß
– Fehlt fast völlig in motorischen Arealen
Fehlt fast völlig in motorischen Arealen
• Lamina V (Stratum pyramidale internum)
– Große Pyramidenzellen zur Projektion aus der Rinde
– Im Motorkortex besonders groß
• Lamina VI (Stratum multiforme): – Verschiedene Pyramiden‐ und bedornte Sternzellen
– Interneurone.
• White Matter
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Clevere Hautsensorik
Cortikale Säulen (Cortical Columns)
• Zu erst von Vernon B. Mountcastle, in 1950s identifiziert.
• Säulen mit etwa .2‐.8mm Durchmesser mit jeweils anderen Rezeptiven Feldern
• Darin 50‐100 Minisäulen (minicolumns) mit 80‐120 Neuronen (~.04mm)
– Identische Rezeptive Felder
– Andere Eigenschaften der Felder
• Hubel
Hubel & Wiesel (1977) & Wiesel (1977)
identifizierten funktionale Organisation im Visuellen Cortex
– Einfache Zellen (Kantenorientierungen)
– Komplexe Zellen (Kantenbewegungen)
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Homunculi
Primärer Motorcortex
Somatosensorischer Cortex
Phantom‐‐Gliedmaßen
Phantom
Mehr Info: Ramachandran & Blakeslee (1998). Phantoms in the Brain: Probing the Mysteries of the Human Mind. 20
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Visueller Pfad
Vom Sehen zum Greifen
VERARBEITUNGSPFADE
Visueller Verarbeitungspfad I
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Visueller Verarbeitungspfad II
Dorsale & Ventrale Visuelle Verarbeitungspfade
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Vom Sehen Zum Greifen (stark vereinfacht und alles eher bidirektional)
•
Visuelle Vorverarbeitung
– Retina
– Lateral Geniculare Nucleus (LGN)
– Zu V1
Z V1
•
Visuelle Analyse
– V1, V2
– V4 (was ist es)
– S2 (wo und wie liegt es relativ zu mir)
•
Objekterkennung
– Inferiore Temporallappen
– Was ist das Objekt wirklich?
•
Greifentscheidung
– Präfrontaler Cortex
– Lohnt es sich, dorthin zu greifen?
•
Motorischer Cortex
– OK – ich greife… – Wie mache ich das am Besten?
•
Bewegungsausführung und Kontrolle
– Rückenmark, Zerebellum und andere Stationen dazwischen
– Muskelkontrolle
Zusammenfassung
• Wie sieht das Gehirn aus
– Ansichten und Schnitte
– Abschnitte –
Ab h i
F
Frontal, Parietal, Occipetal, Temporal
l P i l O i
l T
l
– Module und Funktionalitäten
• Wie funktionieren Neuronen
– Neuronenaufbau
– Informationsübertragung mit Aktionspotential und neuronale Botenstoffe
– Neuronentypen und –strukturen
– Bildgebende Verfahren
• Gehirnstrukturen
– Regelmäßiger Schichtenaufbau der Großhirnrinde und des Kleinhirns
– Kortikale Säulen (cortical columns)
– Homunculi
• Verarbeitungspfade: visuelle bis motorische (stark vereinfacht)
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