Neuropsychologie - Max-Planck-Institut für Kognitions
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4/23/2015 Methoden der kognitiven Neurowissenschaften: Neuropsychologie SS 2015 Jöran Lepsien Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Zeitplan Datum Thema 17.4. Einführung und Organisation 24.4. Neuropsychologie 1.5. -- 1.Mai -8.5. Elektrophysiologie (C. Gundlach) 15.5. -- Freitag nach Himmelfahrt -22.5. EEG (T. Gunter) 29.5. Behaviorale Methoden 5.6. MEG (B. Maess) 12.6. MRT 19.6. fMRT(I) 26.6. fMRT(II) & PET 3.7. NIRS 10.7. TMS/TDCS 17.7. Abschluß, Nachbesprechung & Prüfungsvorbereitung Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 1 4/23/2015 Methoden Moderne Messmethoden: Bildgebende Verfahren 3 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Neuropsychologie Donald Hebb führte den Begriff, eher en passant, 1949 ein. ! Neuropsychologie: Variation physiologischer Prozesse im zentralen Nervensystem Auswirkungen auf psychische Prozesse (Denken, Verhalten, Erleben) 4 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 2 4/23/2015 Kontrollfunktionen Affect Planen Neglect Aufmerksamkeit exekutive Funktionen Erkennen Raumwahrnehmung Wahrnehmung Praxis Gesichtererkennen Sensomotorik Gedächtnis Lernen Wissen Sprache Textverstehen Rechnen Intelligenz Lesen Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Heute 1. Geschichte der Neuropsychologie 2. Kurzes Repetitorium Neuroanatomie 3. Das neuropsychologische Paradigma 6 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 3 4/23/2015 7 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Jungsteinzeit 8 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 4 4/23/2015 Die „Gehirnhypothese“ Die Annahme, dass das Gehirn Quelle all unserer Verhaltensweisen ist. Wilhelm Griesinger, Lehrbuch „Pathologie und Therapie der psychischen Krankheiten“ 1845: „Geisteskrankheiten sind Gehirnkrankheiten“ 9 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Geschichte – 17. Jahrhundert Neuroanatomie (Thomas Willis, 1621-1675) • Begründer der Anatomie des Nervensystem • Läsion führt zu Defizitärem Verhalten • Arterienring zur Blutversorgung des Gehirns • Gehirn des Menschen ist von dem der Tiere verschieden → ermöglicht menschliche Intelligenz? u.v.m. 10 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 5 4/23/2015 Geschichte – frühes 19. Jahrhundert Franz Joseph Gall, Johann G. Spurzheim • Verbreiteten Willis‘ Gedanken, dass bestimmte Hirnregionen für bestimmte Funktionen zuständig sind. • Kortex und Gyri bestehen aus aktiven Zellen. • Diese aktiven Zellen sind mit dem Rückenmark verbunden. • Das Rückenmark schickt seine Ausläufer in die Muskulatur. • Kortex kann durch die Projektion ins Rückenmark das Verhalten kontrollieren. • Hirnhälften werden sind durch das Corpus Callosum verbunden und stehen miteinander in Wechselwirkung. 11 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Geschichte – frühes 19. Jahrhundert Phrenologie (Franz Joseph Gall, Johann G. Spurzheim) • Gehirn besteht aus ursprünglich 27 verschiedenen Arealen mit spezifischen Funktionen. • Wird eine Funktion häufiger benutzt, wächst das zugehörige Areal, es entstehen sogenannte „Bumps“ auf der Schädeloberfläche. 12 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 6 4/23/2015 Geschichte – frühes 19. Jahrhundert Phrenologie (Franz Joseph Gall, Johann G. Spurzheim) Beispiele für Funktionen: Spiritualität Idealismus Musikalität Liebe 13 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Geschichte – frühes 19. Jahrhundert Phrenologie – Grundsätze in Galls Lehre 1. 2. 3. 4. 5. 6. → Das Gehirn ist das Organ des Geistes. Das Gehirn besteht aus verschiedenen, abgegrenzten und angeborenen Fähigkeiten. Jede Fähigkeit hat einen bestimmten Sitz / bestimmtes Organ im Gehirn. Die Größe des Organs sagt etwas über die Ausprägung der Fähigkeit aus. Die Form des Gehirns wird durch die Entwicklung und Ausprägung der einzelnen Organe definiert. Durch kraniologische Untersuchungen kann die relative Größe dieser Organe festgestellt werden und als Index für Begabung und Fähigkeiten verwendet werden. Lokalisationsansatz 14 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 7 4/23/2015 Geschichte – frühes 19. Jahrhundert Warum musste die Phrenologie scheitern 15 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Geschichte – frühes 19. Jahrhundert Warum musste die Phrenologie scheitern 1. Schwierigkeit Begriffe wie Glaube, Selbstliebe, Verehrung zu quantifizieren. 2. Schädeloberfläche ist kein Abdruck des Inneren. (Aber: Größe und Ausdehnung der Gyri korreliert schon mit dem Verhalten!) 3. Gall: Gehirn das Organ der Seele Descartes: Seele ist immateriell, nicht fassbar, unteilbar → Führte zu starkem Widerspruch 16 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 8 4/23/2015 Antilokalisation Marie-Jean-Pierre Flourens, auch: Friedrich Goltz • „Alle Empfindungen, Wahrnehmungen und der Wille haben ihren Sitz im gesamten Gehirn“ • „Fool and Phrenology are terms nearly synonymus“ 17 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Geschichte – Mitte/Ende 19. Jh: Erfolgsgeschichte des “Lokalisationismus” beginnt Welche Läsion? Welches Symptom? 18 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 9 4/23/2015 Geschichte – Mitte/Ende 19. Jh: Erfolgsgeschichte des “Lokalisationismus” beginnt Welche Läsion? Inferiorer Frontaler Kortex Welches Symptom? Nicht-flüssige, agrammatische Aphasie Paul Broca -- Kommen wir später dazu 19 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Geschichte – Mittleres/Spätes 19. Jahrhundert Korbinian Brodmann 20 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 10 4/23/2015 Konkurrierende Methoden und Konzepte ~1900–1950 21 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Konkurrierende Methoden und Konzepte ~1900–1950 22 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 11 4/23/2015 Rezeptor-Cytoarchitektur (Amunts et al., Jülich) 23 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Kleines Repetitorium Neuroanatomie 24 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 12 4/23/2015 25 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Dorsal (~ rücklings) Superior Dorsal (~ rücklings) Rostral Caudal Caudal anterior posterior Ventral (~ bäuchlings) Ventral (~ bäuchlings) inferior ! 26 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 13 4/23/2015 27 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften ! Medial Axial / transversal Coronal Sagittal Lateral 28 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 14 4/23/2015 – go to Brain Voyager™ Brain Tutor here – 29 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 30 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 15 4/23/2015 Das neuropsychologische Paradigma • Läsionsstudien • Neuropsychologische Tests Wichtiges Konzept: Doppelte Dissoziation • Läsionsstudien im Zeitalter der MRT: Voxel-basierte Läsions–Symptom-Kartierung (VLSM) 31 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Läsionsstudien Phineas P. Gage (1823–1860) Eisenstange von unten nach oben durch seinen Schädel. Läsion im orbitofrontalen und präfrontalen Kortex. Wahrnehmung, Gedächtnis, Intelligenz, Sprachfähigkeit, sowie Motorik blieben völlig intakt. Aber: Starke Persönlichkeitsveränderungen. Besonnen, freundlich, ausgeglichen → kindisch, impulsiv, unzuverlässig 32 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 16 4/23/2015 Läsionsstudien Läsionsstudien – Phineas P. Gage Eisenstange von unten nach oben durch seinen Schädel. Läsion im orbitofrontalen und präfrontalen Kortex. Wahrnehmung, Gedächtnis, Intelligenz, Sprachfähigkeit, sowie Motorik blieben völlig intakt. Aber: Starke Persönlichkeitsveränderungen. Besonnen, freundlich, ausgeglichen → kindisch, impulsiv, unzuverlässig 33 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Broca und der “Durchbruch” der Lokalisationsidee Paul Broca – Der Fall Leborgne („Monsieur Tan“) Patient konnte nach einem Schlaganfall gesprochene und geschriebene Sprache verstehen, sie aber nicht mehr sprechen → Broca-Aphasie → Lokalisation: Broca Zentrum/ Broca‘s Area 34 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 17 4/23/2015 Wernicke und der Beginn der lokalisatonistischen Sprachmodelle Carl Wernicke Störungen des Sprachverständnisses. Betroffene sind nicht in der Lage, Gesagtes zu verstehen und produzieren daher ein „Kauderwelsch“, welches weder dem Zuhörenden, noch ihnen selbst verständlich ist. → Wernicke-Aphasie → Lokalisation: Wernicke Zentrum/ Wernicke‘s Area 35 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Wernicke und der Beginn der lokalisatonistischen Sprachmodelle Carl Wernicke 36 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 18 4/23/2015 Übersicht über die die wichtigsten Aphasie-Formen Verstehen Fluß Leitsymptom Broca + -- Agrammatismus Wernicke -- + Paragrammatismus amnestisch + 0 Wortfindung global -- -- ! Dank an Hellmuth Obrig Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Symptom: Funktion F Struktur C Struktur A Struktur B Logik der Läsionsstudie: Fasertrakt ABC ! – Symptom: Funktionsausfall F (klinische Beobachtung, Testergebnis, etc) Struktur A ist läsioniert (post mortem, MR, CT) Struktur A ist ursächlich für Funktion F Aber: Unklare Beiträge des Gesamten Netzwerks Weitere Studien nötig, um Rolle von A im Netzwerk herauszustellen 38 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 19 4/23/2015 Zum Beispiel Broca’s berühmter Fall Leborgne: Dronkers, Brain 2007 39 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Zum Beispiel Broca’s berühmter Fall Leborgne: “– Lesions in the left inferior frontal gyrus, deep inferior parietal lobe and anterior superior temporal lobe. – In addition, there is extensive subcortical involvement including the claustrum, putamen, globus pallidus, head of the caudate nucleus and internal and external capsules. – The insula is completely destroyed – The entire length of the superior longitudinal fasciculus is also obliterated, along with other frontal-parietal periventricular white matter. The medial subcallosal fasciculus is also affected. – The right hemisphere is unaffected and serves as an excellent comparison to the damaged left hemisphere of this preserved brain.” MR-Aufnahmen des konservierten Gehirns aus dem Jahre 1999: Dronkers, Brain 2007 40 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 20 4/23/2015 H.M. (1926–2008) ! Resektion (=Entfernung) des bilateralen medialen Temporallappens kann zu anterograder Amnesie führen Wichtigster / produktivster neuropsychologischer Fall 41 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften H.M. (1926–2008) “Manna from heaven for the early proponents of a short-term/long-term memory dichotomy” • Grenzwertig normales Kurzzeitgedächtnis (Zahlenspanne) • Keine Neu-Einspeicherung ins Langzeitgedächtnis mehr möglich • Oft übersehen: Auch ein olfaktorisches Defizit und die Unfähigkeit, innere Zustände wiederzugeben. • Aber: Implizites (“Prozedurales”) Lernen erhalten 42 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 21 4/23/2015 Methodisch: Wie eine Patientenleistung einordnen/vergleichen? Patientenleistung? Normale Leistung • Nutzen normierter Tests, transformieren von Rohwerten in Normwerte (T, z) • Oder: Erheben einer alters-/bildungsgematchten Kontrollgruppe und gemeinsames Scoren von Patienten- und Kontrolldaten: X = [5 7 8 8 9 10 10 11 11 11 15] Z(x) = (X – mean(X))./std(X) x=8 z = –0.97 p(z) = 0.24, n.s. 43 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Beispiele Neuropsychologischer Tests Beispiel für eine typische Vielzahl an Tests, aus Warrington & Shallice, 1984 44 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 22 4/23/2015 Aphasie: Eigene Testbatterie (AAT) Aachener Aphasie Test (AAT) (1) semistandardisiertes Interview (2) Token Test (3) Nachsprechen (4) Schriftsprache (5) Benennen (6) Sprachverständnis (auditiv und Lese-Sinn-Verständnis) Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Beispiel aus dem AAT: Token Test Zeigen Sie das grüne Viereck Zeigen Sie das weiße Viereck … 1 Zeigen Sie den großen roten Kreis Zeigen Sie den kleinen blauen Kreis … 2 Zeigen Sie den weißen Kreis und das rote Viereck Zeigen Sie den grünen Kreis und den blauen Kreis … 3 Zeigen Sie das große grüne Viereck und den kleinen weißen Kreis Zeigen Sie das kleine gelbe Viereck und das kleine blaue Viereck … 4 Legen Sie das weiße Viereck auf den grünen Kreis Berühren Sie die Vierecke langsam und die Kreise schnell Nehmen Sie alle Kreise außer dem gelben Bevor Sie den grünen Kreis berühren, nehmen Sie das weiße Viereck … 5 Dank an Hellmuth Obrig Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 23 4/23/2015 Beispiele weiterer Tests Rey-Osterrieth Complex Figure test: visuell-räumliche Aufmerksamkeit, Kurzzeitgedächtnis, exekutive Funktionen (Planung) Nachzeichnungen rechtshemisphärischer Patienten (1 x Basal-GanglienEinblutung, 2x Media-Infarkt) 47 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Visueller Neglect Aufgabe: Bitte streichen Sie alle Linien durch. Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 24 4/23/2015 Stadien einer Fallstudie nach Shallice: 1. Selektion der Patientin: Muster der (klinisch beobachteten) Defizite / erhaltenen Fähigkeiten erscheint von spezifischen Interesse 2. Erschöpfende Erhebung mittels psychometrisch standardartisierter Tests (fehlt oft bei “klassischen” Fällen) Ergebnisse hiervon sollten eine vorläufige Zuordnung zu einer SyndromKategorie erlauben 3. Quantitative Vertiefung; Erkunden der gestörten Mechanismen (d.h., des Zusammenwirkens von Funktionen) mit gezielten (manchmal neu zu entwickelnden) Tests Erfordert Theorie/Methoden der kogn., experimentellen, physiologischen Psychologie Die ursprüngliche Syndrom-Klassifikation mag sich hier als nicht haltbar herausstellen; u.U. Ende dieser Fallstudie ! 4. Statistische Testung 49 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften “experimentelle” Läsionen • z.B. Ablation, Lobektomie, Kommissurotomie (Entfernung, Durchtrennung) irreversibel • Kühlung einer Hirnareals reversibel / temporär • Pharmakologische Intervention (Wada-Test) reversibel / temporär ! 50 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 25 4/23/2015 Ungerleider & Mishkin: Dual-Stream Hypothesis of visual processing Visuelle Areale im Makaken-Hirn: Wie herausfinden, welche Teilleistung welche visuellen Areale beitragen? 51 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Ungerleider & Mishkin: Dual-Stream Hypothesis of visual processing 52 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 26 4/23/2015 Doppelte Dissoziation Einfache Dissoziation “Bild und Farbe getrennte Prozesse” … Aber nicht völlig unabhängig, Farbe ohne Bild geht z.B. nicht Parkin, 1996 53 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Doppelte Dissoziation x x Zwei Fernseher (i.e., Patienten): Doppelte Dissozation (Teuber, 1955) “Bild und Ton getrennte Funktionen des Fernsehers” ! Parkin, 1996 54 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 27 4/23/2015 Doppelte Dissoziation Orte diskriminieren Objekte diskriminieren Ablation Posterior Parietal Ablation Inferior Temporal Miskin & Ungerleider 198355 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Selektive Kühlung Selektive Kühlung des posterioren auditiven Areals (PAF) unterbricht Schallokalisation in der Katze Lomber et al., Nat Neurosci 2008 56 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 28 4/23/2015 Selektive Kühlung Selektive Kühlung des posterioren auditiven Areals (PAF) unterbricht Schallokalisation in der Katze Lomber et al., Nat Neurosci 2008 57 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Zur Ethik des Läsionsexperiments im Tierversuch: Auf den Wunsch einiger Studierender… … hin hier z.B. noch ein Statement der Max-Planck-Gesellschaft zum ethischen Umgang mit Versuchstieren: http://www.mpg.de/4605861/MPG_Tierversuche.pdf Ebenso haben die Kollegen in Tübingen, die mit einer Kolonie von Makaken forschen, eine gute Übersicht: http://hirnforschung.kyb.mpg.de/startseite.html 58 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 29 4/23/2015 Wada-Test: Selektive Anästhesie Natrium-Amobarbital-Injektion beginnt bei 1‘30‘‘ 59 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Wada-Test: Selektive Anästhesie 60 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 30 4/23/2015 Voxel-basierte Läsions–Symptom Kartierung (VLSM) Bates, Nat Neurosci 200361 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Voxel-basierte Läsions–Symptom Kartierung (VLSM) MR-Bild eines Patienten: … wenn eine Vielzahl solcher Patienten-MRs sowie deren Test-Scores (zB. Word fluency, digit span, etc.) vorliegen: 1. Definiere Läsion (“nachzeichnen” der Läsion auf dem MR) 2. Teste in jedem Bildwürfel (Voxel) mit der Adresse X,Y,Z: Scores_Patienten_mit_Laesion_bei_XYZ = ... [1 3 8 3 7 8 2 8 4] Scores_Patienten_ohne_Laesion_bei_XYZ = ... [3 6 10 11 6 8 4 6 3] 62 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 31 4/23/2015 Zusammenfassung Neuropsychologie 1 • Variation ( = Störung, Unterbrechung, Anomalie) physiologischer Prozesse im zentralen Nervensystem Auswirkungen auf psychische Prozesse (Denken, Verhalten, Erleben) • Läsionsmethode vor Aufkommen der bildgebenden Methoden einzige und wichtigste Methode der “kognitiven Neurowissenschaft” (bevor diese so hieß!) ! 63 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Zusammenfassung Neuropsychologie 2 • Konzeptuell eng verwandt mit derzeitigen “virtuellen Läsionen” durch TMS, tDCS, etc. • Kombinierbar mit MR (siehe auch hier: VLSM-Methode), PET, EEG, MEG • Kosten: gering (vgl. MR, PET, MEG) • Invasivität: im Versuchstier ja (aber oft chronisch, weil ja ausführliche Testungen angestrebt), im Menschen nicht im eigentlichen Sinne (“Experimente der Natur”) ! 64 Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften 32