Methoden der kognitiven Neurowissenschaft II

Neurone bestehen grundsätzlich aus drei Komponenten:

1. Zellkörper (Soma),

2. mehreren Dendriten (erhalten passiv elektrische Informationen),

3. dem Axon (gibt aktiv Informationen in Form eines Aktionspotentials weiter)

erhalten passiv elektrische Informationen

Sie stellen die Verbindungsstellen zwischen den Axonen von einem Neuron und den Dendriten oder dem Zellkörper eines anderen Neurons dar.

geben aktiv Informationen in Form eines Aktionspotentials weiter

Signalübertragung über Synapsen und Ausschüttung von Neurotransmittern

1. Der elektrische Input von vielen Nervenzellen wird über Dendriten aufgenommen und im Neuron aufsummiert.

2. Wird ein bestimmter Schwellenwert überschritten, entsteht ein Aktionspotential nach dem Alles-oder-Nichts Prinzip (plötzliche Depolarisierung der Zellmembran mit anschließender Repolarisierung; ∼2ms), das entlang des Axons weiterleitet wird.

Graue Substanz: Zellkörper und Dendriten

Weiße Substanz: Axone und Gliazellen

Projektionsbahnen: Verbindungen zwischen Kortex und Subkortex

Assoziationsbahnen: Verbindungen innerhalb einer Hemisphäre

Kommissuren: Verbindungen zwischen Hemisphären (z.B. Corpus callosum)

Kleinhirn (Cerebellum)

• stark gefaltet, größere Neuronendichte als Kortex

• Koordination von Bewegung, aber auch Rolle bei Kognition!

• wichtige motorische & sensorische Bahnen und Kerne; verbindet Groß- & Kleinhirn

• Regulation von vitalen Funktionen wie Atmung, Schlucken, Schlaf- wach-Rhythmus, Herzfrequenz

Thalamus = Kerngebiet des Zwischenhirns

1. Relaisstation für sensorische Informationen: Der Thalamus empfängt sensorische Informationen von verschiedenen Sinnesorganen und leitet sie an die entsprechenden Regionen der Großhirnrinde weiter.

   1. Umschaltstation für sensorische Eingänge aus dem Körper (außer Geruch)

2. Regulation des Bewusstseins: Der Thalamus spielt eine wichtige Rolle bei der Wachheit und Aufmerksamkeit. Er kann aktiviert werden, um das Gehirn aufzuwecken oder zu alarmieren.

3. Regulation von Bewegungen: Der Thalamus ist auch an der Kontrolle von Bewegungen beteiligt. Er erhält Informationen aus der Großhirnrinde und gibt sie an das Kleinhirn weiter, um Bewegungen zu koordinieren.

4. Regulation des emotionalen Verhaltens: Der Thalamus empfängt Informationen aus dem limbischen System und sendet sie an die Amygdala weiter, um emotionale Reaktionen zu steuern.

5. Schmerzverarbeitung: Der Thalamus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Schmerzempfindungen. Er empfängt Informationen aus dem Rückenmark und leitet sie an die entsprechenden Regionen der Großhirnrinde weiter.

6. Projektionen zum Kortex, auch vom Kortex!

• Ein Kerngebiet oder Nucleus ist eine Ansammlung (Cluster) von Nervenzellkörpern (Perikaryen) im ZNS. Ein Kerngebiet hebt sich von der aus Axonen gebildeten weißen Substanz in der Umgebung mehr oder weniger deutlich ab.

Die Entsprechung der ZNS-Kerngebiete im peripheren Nervensystem sind die Ganglien.

Basalganglien

Bei den Basalganglien handelt es sich um eine Gruppe von Kerngebieten des Großhirnmarklagers.

• motorische Kontrolle, aber auch kognitive Prozesse

1. Emotionsregulation: Das limbische System ist stark mit der Verarbeitung von Emotionen verbunden und spielt eine wichtige Rolle bei der Regulation von Angst, Furcht, Freude und anderen emotionalen Zuständen.

2. Gedächtnisbildung und -abruf: Der Hippocampus, ein Teil des limbischen Systems, ist wichtig für die Bildung und den Abruf von Erinnerungen.

3. Verhaltenssteuerung: Das limbische System hilft bei der Steuerung von Verhaltensweisen, die mit der Erfüllung von Bedürfnissen und Wünschen zusammenhängen, wie z.B. Essen, Sexualität und Aggression.

4. Stressreaktion: Der Hypothalamus und die Amygdala sind wichtige Bestandteile des limbischen Systems und spielen eine Rolle bei der Stressreaktion.

5. Motivation und Belohnung: Der Nucleus accumbens, ein Teil des limbischen Systems, ist wichtig für die Verarbeitung von Belohnungen und spielt eine Rolle bei der Motivation.

6. Soziales Verhalten: Das limbische System ist auch an der Verarbeitung von sozialen Informationen beteiligt und spielt eine Rolle bei der Regulierung von sozialem Verhalten.

Insgesamt spielt das limbische System eine wichtige Rolle bei vielen Aspekten des menschlichen Verhaltens, einschließlich Emotionen, Gedächtnisbildung, Verhaltenssteuerung und sozialem Verhalten.

Zum limbischen System gehören verschiedene Strukturen, die rein anatomisch teilweise weit voneinander entfernt liegen und sich vor allem dadurch auszeichnen, dass sie eine ähnliche oder gemeinsame Funktion haben

komplexes Netzwerk von Strukturen im Gehirn, d

1. Hippocampus: Der Hippocampus spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung und dem Abruf von Erinnerungen.

2. Amygdala: Die Amygdala ist ein Mandelkern, der eine zentrale Rolle bei der Verarbeitung von Emotionen, insbesondere Angst und Furcht, spielt.

3. Gyrus cinguli: Der Gyrus cinguli ist eine Struktur, die an der Regulierung von Aufmerksamkeit und Emotionen beteiligt ist.

4. Hypothalamus: Der Hypothalamus ist ein kleiner Bereich im Gehirn, der eine wichtige Rolle bei der Regulation von Hormonen, Körpertemperatur und Hunger spielt.

5. Thalamus: Der Thalamus ist eine Struktur, die Signale aus verschiedenen Sinnesorganen empfängt und sie an verschiedene Gehirnregionen weiterleitet.

Andere Bestandteile des limbischen Systems sind

• der Nucleus accumbens, der für die Belohnungsverarbeitung wichtig ist

• Gyrus parahippocampalis

• Gyrus fusiformis, die bei der Verarbeitung von visuellen Informationen und der Erkennung von Gesichtern eine wichtige Rolle spielen.

Cingulum: Erkennen von emotionalen/kognitiven Konflikten

(Assoziationsbahn des Großhirns)

Es ist ein Faserbündel, das verschiedene Hirnregionen miteinander verbindet und eine wichtige Rolle bei der Regulation von Emotionen und der Verarbeitung von Gedächtnisinformationen spielt. Das Cingulum verbindet speziell den Hippocampus, der für die Gedächtnisbildung wichtig ist, mit anderen Teilen des limbischen Systems wie dem Mandelkern und dem Gyrus cinguli, die für die Emotionsverarbeitung und -regulation verantwortlich sind.

Amygdala: Erkennen von Angst, Bedrohung

(Kerngebiet des Großhirns)

Hippocampus: Lernen und Gedächtnis

(Der Hippocampus ist der medial gelegene Abschnitt des Telencephalons (Großhirns))

Nucleus accumbens: „Belohnungszentrum“

(Kerngebiet)

1. Einteilung nach Gyri und Sulci

2. Einteilung nach Zytoarchitektur

   • Zytoarchitektur bezieht sich auf die anatomische Struktur des Gehirns auf der Ebene der Zellen (Zellenarchitektur). Die verschiedenen Regionen des Gehirns bestehen aus unterschiedlichen Arten von Nervenzellen, die in unterschiedlicher Dichte und Anordnung angeordnet sind. Die Zytoarchitektur beschreibt diese Unterschiede und hilft, die verschiedenen Funktionen und Verbindungen der einzelnen Gehirnregionen zu verstehen.

   • Einteilung nach Größe, Anordnung, Dichte und Form der Zellen

   • Bsp: Brodmann Areas [BA] ∼52 Areale, BA-Karte über

     die Jahre modifiziert (z.B. BA17: primärer visueller Kortex)

3. Einteilung nach Funktion

   • nur bei primären sensorischen & motorischen Regionen

4. Einteilung nach Konnektivitit

   • distinktes Konnektivitätsprofil

• größte Außenfläche des Gehirns

• ca. 3 mm dick, mehrere Schichten mit

  verschiedene Nervenzelltypen

• stark gefaltet: Gyri (Sg. Gyrus) getrennt

  durch tiefe Furchen bzw. Sulci (Sg. Sulcus)

  
  

• Prinzip der strukturellen Bildgebung: Unterschiedliche Arten von Gewebe (z.B. graue Substanz, weiße Substanz, zerebrospinale Flüssigkeit,Schädelknochen) haben unterschiedliche physikalische Eigenschaften

• Diese Unterschiede werden genutzt um hirnanatomische Strukturen anhand bestimmter Messwerte zu rekonstruieren und möglichst präzise dreidimensional zu visualisieren.

• häufigste Methoden: Computertomographie (CT) Magnet-Resonanz Tomographie (MRT)

Im Gegensatz dazu werden bei funktionellen Methoden der zeitliche Ablauf eines physiologischen Prozesses

• z.B. lokale Veran̈derung der Hirndurchblutung oder Stoffwechselvorgan̈ ge) untersucht, mit/ohne direkten Bezug zu anatomische Strukturen (fMRT, EEG etc.).

Computertomographie (CT)

• Prinzip: Röntgenstrahlen werden in Abhängigkeit von der Gewebedichte abgeschwächt und mit Hilfe spezieller Detektoren gemessen

  • Bildaufbau der Schwächungswerte (Graustufen)

    
    

• Spiral-CT: Kontinuierliche Rotation des Röntgenstrahlers bei kontinuierlichem Tischvorschub

• Mehrschicht-CT: Simultanes Scannen mehrerer Schichten: sehr schnell, weniger Artefakte, bessere Auflösung & 3D Darstellung

• Hoher Nutzen im klinischen Kontext, Notfalldiagnostik

• Hohe Absorption (hyperdens), hell

  • Knochen

  • Graue Substanz (GM -> Zellkörper)

  • Blutung

  • Kontrastmittel

• Niedrige Absorption (hypodens), dunkel

  • Weiße Substanz (WM -> Axone)

  • Liquor cerebrospinalis (CSF)

  • Ödem, Zyste

Magnetresonanztomografie (MRT)

• Prinzip: MRT nutzt magnetische Eigenschaft von Wasserstoffatomkernen (Kernspin) im Körper

• Feldstärke: meist 1.5-3 Tesla, auch 4-7 T, bis zu 9-11 T (Erde: 0.00005T)

• Proband wird auf einer Liege in eine Röhre hinein- geschoben, die von einem Magnetfeld mit hoher Feldstärke umgeben ist.

• Aufgrund der magnetischen Umgebung müssen sowohl Teilnehmende als auch alle Gegenstände im Raummetallfrei bzw. MR-kompatibel sein.

• Zu Beginn wird der Patient in eine Röhre geschoben, die von einem starken Magnetfeld umgeben ist.

  • Innerhalb dieses Magnetfeldes befinden sich Wasserstoffatome, die in unserem Körper in Form von Wasser und Fett vorkommen.

    • Diese Atome haben einen positiven Kern (Proton), der wie ein kleiner Magnet wirkt.

• Längsmagnetisierung: Zu Beginn des MRTs werden die Protonen im Magnetfeld ausgerichtet, was als Längsmagnetisierung bezeichnet wird. Dabei zeigen die magnetischen Dipole der Protonen alle in dieselbe Richtung (Im Normalzustand haben die Protonen im Gewebe eine zufällige Ausrichtung.)

• Quermagnetisierung: Dieser Zustand wird mittels eines Hochfrequenzimpulses (Radiofrequenz) “gestört” und durch die Energiezufuhr die Protonen um 90° “gekippt” (Quermagnetisierung)

  • Resonanz: Durch die Zufuhr von Energie in Form von Radiowellen können die Protonen aus dieser Ausrichtung gebracht werden, was als Resonanz bezeichnet wird.

• Relaxation: Nach der Anregung gehen die Protonen wieder zurück in die ausgerichtete Ausgangsposition. Dabei geben sie Energie ab, die von speziellen Empfängerspulen im MRT aufgefangen und als Signal an den Computer weitergeleitet wird.

  • Relaxationszeiten sind je nach Gewebeart unterschiedlich. Das Signal wird von Empfangsspulen detektiert und durch Gradientenfelder räumlich kodiert.

Computertomographie (CT)

Nachteile:

✘ ionisierende Strahlung (Röntgen)

✘ Weichteilkontrast niedriger

Vorteile:

✓ sehr schnell & günstig

✓ Notfalldiagnostik

✓ Abbildung knöcherner Strukturen

Magnetresonanztomografie (MRT)

✓ keine Strahlenbelastung

✓ bessere räumliche Auflösung, anatomisch detailgetreu

✓ neben detaillierten anatomischen auch funktionelle Messungen möglich (fMRT)

✘ langsam & teuer

✘ Klaustrophobie (enge Röhre)

✘ keine ferromagnetischen Implantate

✘ Bewegungsartefakte

✘ laut!

Lautstärke im MRT:

• Der Lärm im MRT kommt von den Umschaltgeräuschen des Magneten.

• Elektrische Ströme fließen durch Gradientenspulen, die schnell ein- und ausgeschaltet werden. Das statische Magnetfeld übt eine Kraft auf diese Ströme aus und lassen die Spulen vibrieren, je nach Sequenz mit unterschiedlicher Frequenz (Lautstärke bis zu 120 dB bei 3T).

• Bei der VBM werden strukturelle Magnetresonanztomographie (MRT)-Bilder des Gehirns aufgenommen und anschließend in dreidimensionale Bilder umgewandelt.

  • Um Informationen in MRT-Bildern zu verarbeiten, wird das Gehirn anhand eines 3D-Gitters in kleine Würfel zerlegt, sog. Voxel (= volumetric pixel, 3D Äquivalent zu Pixel im 2D-Bild)

  • Bei strukturellen MRT-Bildern haben diese meist eine Kantenlänge von 1x1x1 mm (Volumen von 1 mm3).

  • In den Voxeln sind Farb- oder Grauwerte gespeichert, d.h. jedes Voxel codiert bestimmte anatomische Kennwerte (z.B. Dichte der grauen/weißen Substanz).

    
    

• Diese Bilder werden dann analysiert, um Unterschiede in der Dichte und Volumen von grauer und weißer Substanz in verschiedenen Bereichen des Gehirns zu quantifizieren.

  • Jedes einzelne Voxel kann statistisch analysiert werden, sodass Auswertungen über das gesamte Gehirn möglich sind (whole-brain Analyse).

    
    

• VBM wird häufig eingesetzt, um Veränderungen der Gehirnstruktur bei verschiedenen Erkrankungen zu untersuchen, einschließlich neurodegenerativer Erkrankungen, Schizophrenie und Depression. Sie kann auch verwendet werden, um zu untersuchen, wie das Gehirn auf Verhaltensinterventionen oder Medikamente reagiert.

  
  

  
  

• Diese Technik beruht auf der Tatsache, dass die Diffusionsrate von Wassermolekülen in verschiedenen Geweben des Gehirns unterschiedlich ist.

  • Diese Unterschiede werden mittels MRT-Sequenzen, die für die Diffusion sensitiv sind, genutzt, um Signalunterschiede in der Bildgebung zu erzeugen.

• Die DTI-Technologie nutzt ein Magnetfeld, um die Ausrichtung und Bewegung der Wassermoleküle in den Geweben zu messen. Durch die Analyse dieser Bewegung können Informationen über die Richtung und Intensität der eingeschränkten Diffusion abgeleitet werden. Das Ergebnis ist ein dreidimensionales Bild, das die Richtung und Stärke der neuronalen Fasern in einem bestimmten Bereich des Gehirns darstellt.

• ermöglicht, die Richtung und den Grad der Bewegung von Wassermolekülen in den Geweben des Gehirns zu messen.

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Um einzelne Faserstränge zu rekonstruieren, werden zusammenhängende Voxel mit einem hohen FA-Wert bestimmt.

• FA = fraktionelle Anisotropie

  
  

Deren Orientierung weist auf den Verlauf der entsprechenden Nervenfaser hin (Traktographie).

DTI erzeugt Bilder des Gehirns, die als "Tensor" bezeichnet werden. Ein Tensor ist eine mathematische Darstellung der Bewegung von Wassermolekülen in den Geweben des Gehirns. Aus diesen Daten können Informationen über die Ausrichtung und Struktur der Nervenfasern im Gehirn abgeleitet werden.

• Dabei wird v.a. die Anisotropie gemessen,

  • d.h. Grad der Einschränkung oder Richtungsabhängigkeit der Diffusion.

    
    

• Durch Messung der Anisotropie in der weißen Substanz (Wassermoleküle „wandern“ entlang von Axonen ungehinderter als quer zu ihnen), ermöglicht DTI den Verlauf von Nervenfaserbündeln zu rekonstruieren und damit die strukturelle Konnektivität zwischen Regionen abzubilden.

  
  

• Neurodegenerative Erkrankungen sind Erkrankungen des Nervensystems, die durch einen fortschreitenden Verlust von Nervenzellen (Neurodegeneration) gekennzeichnet sind. Häufig weisen diese Krankheiten charakteristische Schädigungsmuster des Nervengewebes auf.

• Zu den häufigeren neurodegenerativen Erkrankungen zählen die Alzheimer-Krankheit, Parkinson- Krankheit und Chorea Huntington.

Huntington Erkrankung (HD)

• seltene, autosomal-dominant vererbte, neurodegenerative Erkrankung

• CAG-Expansion (>39) im Huntingtin-Gen

• Degeneration im Striatum (Nucleus Caudatus & Putamen) • Globale Hirnatrophie in späteren Krankheitsstadien

• Triade aus motorischen, kognitiven & psychiatrischen Symptomen

• Motorisch: Hyperkinesie, Hypo- & Bradykinese, Dysphagie, Dysarthrie, ...

• Kognitiv: Gedächtnisstörungen, frontal-exekutive Störungen, Demenz, ...

• Psychiatrisch: Depression, Angst/Unruhe, Aggressivität, Störungen

  der Impulskontrolle, psychotische Symptome, ...

  • Krankheitsbeginn meist zwischen 35. & 45. Lebensjahr

• 10-20 jähriger Verlauf, derzeit keine neuroprotektive Therapie

• Striatum (Nucleus caudatus, Putamen), Globus pallidus

• subkortikale Hirnkerne, Input v.a. aus motorischen und

  sensorischen Kortex-Regionen

• hohe Anisotropie -> weiße Substanz -> Diffusivität geringer)

• niedrige Anistrotopie -> Ventrikel am geringsten -> Diffusivität größer