Gehirn und Umwelt - Funktionale Entwicklung der Feinstruktur des neuronalen und synaptischen Netzwerks Gehirn - Fuldaer ...
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16. Fuldaer Elektrotechnik-Kolloquium
“Vernetzte Welt“
11.11. 2011
Gehirn und Umwelt - Funktionale Entwicklung der Feinstruktur
des neuronalen und synaptischen Netzwerks Gehirn
Jörg Bock,
Institut für Biologie, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Das Gehirn
Fakten und Zahlen
Gewicht:
ca. 1300g
Energieverbrauch:
20% des Sauerstoffs, 25% der Glukose
Rechenleistung:
1013 – 1016 analoge Rechenoperationen/s bei 15 – 20 Watt (chemischer) Leistung
hohe Rechenleistung des Gehirns vor allem durch seine vielen parallelen
Verbindungen (Konnektivität !) und nicht durch eine hohe Geschwindigkeit (10-
100m/s) bei den einzelnen Rechenvorgängen !
Nervenzellen und Verbindungen:
ca. 100 Milliarden Nervenzellen (Neurone)
Verbunden durch ca. 100 Billionen Synapsen (Kontaktstellen zwischen Neuronen)
Gehirn
Funktionelle Gliederung
Sekundärer motorischer Cortex Primärer motorischer Cortex Somatosensorischer Cortex
(bewusste Bewegung)
Prämotorischer Cortex
(Koordination komplexer Sulcus centralis Posteriorer Parietalcortex
Bewegungen) (Integration somatosensorischer
und visueller Informationen)
Präfrontaler Assoziations-
cortex Parietallappen
(bewusstes Planen;
Entscheidungsfindung, Wernicke-Areal
Persönlichkeitseigenschaften) (Sprachverständnis)
Frontallappen
Parietal-temporal-
Broca-Areal occipitaler
(Sprachbildung, motorisch) Assoziationscortex
(Integration aller sensorischer
Primärer auditorischer Eingänge für Sprache)
Cortex
Okzipitallappen
Limbischer Assoziations Cortex Temporallappen
(Motivation, Emotion, Gedächtnis)
Primärer visueller
Cortex
The human connectome: a complex network
Extraction of brain networks from empirical data follows along four steps:
- (1) parcellation of the brain volume into coherent regions on the basis of structural or connectional features (MRI), or
node assignment by placement of sensors and/or recording sites (EEG,MEG)
- (2) structural or diffusion imaging to derive estimates of structural connectivity (left) or recording of time series data to
estimate functional coupling (right)
- (3) construction of a connection matrix representing a structural (left) or functional network (right)
- (4) network analysis
Sporns, O.; Ann. N.Y. Acad. Sci. 1224 (2011) 109–125
The human connectome: a complex network
Sporns, O.; Ann. N.Y. Acad. Sci. 1224 (2011) 109–125
Beispiele für funktionelle Konnektivität im Netzwerk Gehirn
Anatomie der Basalganglien
Beispiele für funktionelle Konnektivität im Netzwerk Gehirn
Gehirnaktivität während Vermeidungslernen in Ratten
1 2 3 1 2 3
Hippcaud
Hippcaud
VO/LO
VO/LO
CPcaud
CPcaud
Subrost
Subrost
Hipprost
Hipprost
CPdm
CPdm
S1HL
Cg1/2
S1HL
Cg1/2
RSGb
RSGb
VMH
Cg1
CPvl
VMH
MeA
Cg1
CPvl
CPdl
MeA
CPdl
ACS
PAG
ACS
PAG
ACC
ACC
PIR
V1B
PIR
V1B
VTA
CeA
VTA
CeA
M1
M1
MR
MR
IL
LH
PL
IP
IL
LH
IP
PL
VO/LO VO/LO
IL IL
PL PL
Cg1 Cg1
Cg1/2 Cg1/2
RSGb RSGb
ACC ACC
ACS ACS
1 CPdl 1 CPdl
CPdm CPdm
CPvl CPvl
PIR PIR
M1 M1
infant S1HL
V1B
infant S1HL
V1B
acquisition Hipprost retrieval Hipprost
Hippcaud Hippcaud
Subrost Subrost
CeA CeA
2 MeA 2 MeA
CPcaud CPcaud
LH LH
significant positive correlation (p < 0.05) VMH VMH
PAG PAG
positive correlation (0.05 ≤ p < 0.1) VTA VTA
IP 3 IP
no correlation (0.1≤ p ≤ 1) MR MR
negative correlation (0.05 ≤ p < 0.1) 1 2 3 1 2 3
significant negative correlation (p < 0.05)
Hippcaud
Hippcaud
VO/LO
VO/LO
CPcaud
CPcaud
Hipprost
Subrost
Hipprost
Subrost
CPdm
S1HL
CPdm
Cg1/2
S1HL
Cg1/2
RSGb
RSGb
VMH
Cg1
CPvl
MeA
CPdl
VMH
CPvl
Cg1
ACS
MeA
PAG
CPdl
ACC
ACS
PAG
PIR
V1B
ACC
PIR
V1B
VTA
CeA
VTA
M1
CeA
M1
MR
MR
IL
LH
IP
PL
IL
LH
PL
IP
VO/LO VO/LO
IL IL
PL PL
Cg1 Cg1
Cg1/2 Cg1/2
RSGb RSGb
ACC ACC
ACS ACS
1 CPdl 1 CPdl
CPdm CPdm
CPvl CPvl
PIR PIR
M1 M1
S1HL S1HL
V1B V1B
Hipprost Hipprost
adolescent Hippcaud adolescent Hippcaud
Subrost
Subrost
acquisition CeA retrieval CeA
2 MeA 2 MeA
CPcaud CPcaud
1 = cognitive/sensory-motor LH
VMH
LH
VMH
2 = emotional-autonomic PAG PAG
VTA VTA
3 = modulatory component 3 IP IP
MR 3 MR
Lern- und Erfahrungsprozesse modulieren die
genetischen und molekularen Entwicklungsprogramme
Stress
Umwelt
Nach der Geburt Erfahrungen
Emotionen
Geburt Lernen
Moleküle
Vor der Geburt
G e n e
„basic networks“ „fine-tuning“
Vorteil: Optimal an die Umweltbedingungen angepaßte Schaltkreise des
Gehirns (sensorisch, motorisch und emotional)
Nachteil: Vulnerabilität, d.h. Anpassung an negative oder fehlende
Umweltstimulation („funktionelle Narben“), die die intellektuellen und
emotionalen Fähigkeiten langfristig einschränken
Prä- und Postnatales Hirnwachstum
Postnatale Veränderungen synaptischer Verschaltungen
Geburt 6 Jahre 14 Jahre
Innerhalb der ersten drei
Lebensjahre werden Synapsen mit
erstaunlicher Geschwindigkeit
gebildet. Während der ersten 10
Lebensjahre besitzt das Kind
doppelt so viele Synapsen wie ein
Erwachsener.
From Rethinking the Brain; New Insights into Early DevelopmentEmotionale Lern- und Erfahrungsprozesse wirken als „Bildhauer“ im Gehirn
Synapsenselektionshypothese
Wallhäußer & Scheich, 1987; Scheich, 1987; Bock & Braun, 1999Postnatale Veränderungen synaptischer Verschaltungen
aus Carlson, Physiologische Psychologie
Prinzip “Use it or lose it“ ?Emotionale Lern- und Erfahrungsprozesse wirken als „Bildhauer“ im Gehirn
Festlegung von Verschaltungsmustern und Denkkonzepten?Neuron im ventralen Assoziatives
Tegmentum Lernen
(Dopamin)
Neugier,
starke
Begeisterung, Synapse Neuron im
Interesse Präfrontalcortex
(emotional)
die Worte
des
Lehrers schwache
(neutral) Synapse
Neuron im
HörcortexWelchen Einfluß haben Störungen der sozio- emotionalen Umwelt auf die Entwicklung des Gehirns?
Frühkindliche Erfahrungs-(Lern-)prozesse
Frühkindliche Lernprozesse
Positive emotionale Negative emotionale
Erfahrungen Erfahrungen
(soziale Kontakte) (soziale Deprivation,
Mißhandlung etc.)
Entwicklung sozialer und
intellektueller Fähigkeiten
Lernstörungen und
psychosoziale ErkrankungenKritischer Einfluß des Kind-Mutter Kontaktes auf die Verhaltensentwicklung: Tierexperimentelle Untersuchungen von Harlow & Harlow, Lorenz .... und anderen...
Kaspar Hauser ca. 1811 - 1833
Gehirn
Funktionelle Gliederung
Sekundärer motorischer Cortex Primärer motorischer Cortex Somatosensorischer Cortex
(bewusste Bewegung)
Prämotorischer Cortex
(Koordination komplexer Sulcus centralis Posteriorer Parietalcortex
Bewegungen) (Integration somatosensorischer
und visueller Informationen)
Präfrontaler Assoziations-
cortex Parietallappen
(bewusstes Planen;
Entscheidungsfindung, Wernicke-Areal
Persönlichkeitseigenschaften) (Sprachverständnis)
Frontallappen
Parietal-temporal-
Broca-Areal occipitaler
(Sprachbildung, motorisch) Assoziationscortex
(Integration aller sensorischer
Primärer auditorischer Eingänge für Sprache)
Cortex
Okzipitallappen
Limbischer Assoziations Cortex Temporallappen
(Motivation, Emotion, Gedächtnis)
Primärer visueller
CortexDas limbische System:
System für Lernen, Gedächtnisbildung und emotionales Verhalten
Cingulate gyrus
Fornix
Frontallappen Thalamus
Hippocampus
Temporallappen
Amygdala
Hypothalamus
Bulbus olfactoriusOctodon degus
(Degu, Strauchratte)
• Herkunft: Chile
• tagaktiv
• bei Geburt voll entwickelte sensorische Systeme, komplexe
Verhaltensweisen (Motorik)
• starke Bindung an beide ElternteileIst Elternseparation Stress?
Erhöhte Cortisolwerte im Blut
während Trennungsstress
800
700 p? Was passiert im Gehirn, wenn man ein Jungtier erstmals von
den Eltern und Geschwistern trennt?
Akute Veränderungen
Funktionelle Bildgebung
(2-Fluoro-desoxyglucose-Methode)Metabolische Aktivität während
Elterndeprivation in Octodon degus
high
ACd PrCm
2-FDG-uptake
Striatum
low
• • ••• ••• •••
•• ••
••• •••
• • •••
••• • • • • ••• ••• •••
“parents“ “separation“Hypofunktion verschiedener Hirnareale nach frühen traumatischen
Erfahrungen?
normal/healthy deprived/abused
UCLA, Center for Healthier Cchildren, Families & CommunitiesHirnmorphologische Veränderungen
Strukturelle Veränderungen nach Elternseparation bei
Octodon degus
Zunahme der Dichte dendritischer Spines auf Pyramidenzellen des ACd
(Helmeke et al., 2001; Poeggel et al., 2003)•••
Deprivationsinduzierte
VerhaltensänderungenFrüher Trennungsstress in Octodon degus
-> Hyperaktivität (PND 22)
30
*
total running distance (m) 25
20 control early stress
CON
15 ES
5 min total
30 *
center activity (% total)
25
20
CON
ES
15
5 min totalFrüher Trennungsstress in Octodon degus
-> verminderte Reaktivität gegenüber artspezifischen
Vokalisationen (PND 22)
CON
35
*
tone quadrant activity (% total)
30
25 ES
20
CON
ES
15verminderte Reaktivität
erhöhte Aktivität (Exploration) gegenüber artspezifischen
Vokalisationen
Hyperaktivität ? Aufmerksamkeitsdefizit ?
Dopaminerge Dysfunktionen ?
Symptome v. ADHD (ADHS)
Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung
Umkehrbar/Therapierbar durch Methylphenidat (MP) !Synapsenveränderungen Vulnerable Zeitfenster ?
Kritische Zeitfenster während der Hirnentwicklung
menschliches Gehirn
aus Carlson, Physiologische Psychologie
Prinzip “Use it or lose it“Kritische Zeitfenster während der Hirnentwicklung
Limbisches System, Emotionale Entwicklung
aus Kalat, Biological Psychology
Unreife limbische Areale (während früher Entwicklungsphasen) sind
“experience-expectant“ critical periodVersuchsaufbau
SHRP
naive
iso14-16
iso5-7
iso1-3
0 1 2 3 5 10 14 15 16 21
Postnatal day
SHRP = stress hyporesponsive period of the
Golgi-Cox staining/blood sampling
hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis
•
•• ••• ••• •••
••• •••
•••
••• ••• ••• •••
social ••• ••• maternal separation 1h
rearingFrühe Stresserfahrungen führen zu Veränderungen der synaptischen Dichte auf
Neuronen des Präfrontalcortex.
Diese Veränderungen korrelieren mit spezifischen Entwicklungszeitfenstern.
ACd
1 *
*
spine frequency [n/µm]
0.8
0.6 SHRP
0.4
sep sep sep
naive
1-3 5-7 14-16
sep sep sep
naive
1-3 5-7 14-16
Bock et al. (2005) Cerebral CortexWas ist Stress?
• Stress ist wenn unser
Wohlbefinden bedroht
ist (oder scheint)
UND
Stress • Wir versuchen uns vor
dieser Bedrohung zu
schützen bzw. zu
verteidigenSoziale Kontrolle der Stressantwort
während der frühen Entwicklung
0.7
0.6
0.5
0.4 Crying
0.3
0.2
0.1
0
2 4 6 12 15 18
Age in Months
Megan R. Gunnar, Institute of Child Development, University of MinnesotaSoziale Kontrolle der Stressantwort
während der frühen Entwicklung
Bsp. Betreuungseinrichtung
Sensitive and Responsive Cold and Distant
To
Megan R. Gunnar, Institute of Child Development, University of MinnesotaSoziale Kontrolle der Stressantwort während der
frühen Entwicklung
Bsp. Betreuungseinrichtung
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
High Low
Sensitive/Responsive Care
Megan R. Gunnar, Institute of Child Development, University of MinnesotaFrühe Lern-/Erfahrungsprozesse
• Frühe Erfahrungen modulieren bzw. prägen das limbische System
(“Emotionssystem”) des Gehirns.
• Defizite der emotionalen Umwelt führen zur fehlerhaften Entwicklung
emotionaler Schaltkreise im Gehirn.
• Der Einfluss dieser Erfahrungen ist geschlechtssepzifisch
• Der Einfluss dieser Erfahrungen ist abhängig von spezifischen
Entwicklungszeitfenstern (und spezifisch für jedes Gehirnareal).
• Durch Störungen oder inadäquate Förderung während dieser
Entwicklungsphasen entstandene Defizite sind nach Ablauf der sensiblen Phasen
nur noch bedingt korrigierbar, dies gilt sowohl für die Hirnentwicklung als auch
für das Verhalten.Positive Erfahrungen (z.B. Sozio-emotionales und
Erfolge!) und Lernen intellektuelles Umfeld
verändern die Hirnfunktionen (Familie, Schule)
Lernleistungen, soziale
Kompetenz, emotionale
Stabilisierung,
Optimale
Entwicklung der
Hirnfunktionen
Limbisches System: kognitive
und emotionale Interaktion mit
der Umwelt ?Ein Teufelskreis....
gestörtes sozio-
emotionales Umfeld
(Familie, Schule)
Verhaltensstörungen:
(Hyperaktivität, Aufmerksamkeitsstörungen,
Angststörungen, Aggressivität)
Lernstörungen
unter- oder
fehlentwickelte
reversibel?
Hirnfunktionen
„dejustierte“ limbische
Funktionen: pathologische
Wahrnehmung der Umwelt ?Entwicklungsstörungen schulischer Fertigkeiten
Lese-Rechtschreib-Schwäche/Störung
(LRS):
Bezeichnung für alle Störungen, die dazu führen, dass
Lesen und/oder Schreiben nicht oder nur schlecht
erlernt werden kann.
Hirnbiologische Ursachen ?
Dyslexie (Legasthenie):
Entwicklungsstörung der Lese-Rechtschreib-
Fertigkeiten bei normal entwickelter Intelligenz.
Schwächen beim Erlernen von Lesen, Schreiben oder
Rechtschreibung, die nicht durch körperliche
Gebrechen (z.B. an Ohr oder Auge), allgemeine
geistige Minderbegabung oder unzureichenden
Unterricht verursacht sind.
Dyskalkulie (Rechenschwäche):
Entwicklungsverzögerung des mathematischen
Denkens bei Kindern, Jugendlichen und auch
Erwachsenen.
Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung
(ADHS)Dyslexie
Sprachentwicklung und Legasthenie
Die Entwicklung der Lesefähigkeiten ist eng mit der Sprachentwicklung verknüpft !!Dyslexie
Bei Legasthenie (Dsylexie) sind die Sinnesorgane intakt !
Fischer, B., Gehirn & Geist, 5_2009LRS
Störungen der Blicksteuerung
So sieht ein von (ADHS und) Legasthenie betroffenes Kind den Text:Gehirn
Funktionelle Gliederung
Sekundärer motorischer Cortex Primärer motorischer Cortex Somatosensorischer Cortex
(bewusste Bewegung)
Prämotorischer Cortex
(Koordination komplexer Sulcus centralis Posteriorer Parietalcortex
Bewegungen) (Integration somatosensorischer
und visueller Informationen)
Präfrontaler Assoziations-
cortex Parietallappen
(bewusstes Planen;
Entscheidungsfindung, Wernicke-Areal
Persönlichkeitseigenschaften) (Sprachverständnis)
Frontallappen
Parietal-temporal-
Broca-Areal occipitaler
(Sprachbildung, motorisch) Assoziationscortex
(Integration aller sensorischer
Primärer auditorischer Eingänge für Sprache)
Cortex
Okzipitallappen
Limbischer Assoziations Cortex Temporallappen
(Motivation, Emotion, Gedächtnis)
Primärer visueller
CortexDie neuronale Signatur für Dyslexie (Legasthenie)
Shaywitz & Shaywitz, 2008
In Lesern mit Dyslexie finden sich charakteristische Funktionsänderungen in den leserelevanten Gehirnarealen:
- leichte Überaktivierung im anterioren (vorderen) System (Broca Areal)
- Unteraktivierung (fehlende Aktivierung) in den beiden posterioren (hinteren) Systeme
=> Neuronale Signatur für DyslexieKompenstorische Systeme bei Dyslexie (Legasthenie)
“Das Gehirn von Legasthenikern arbeitet anders“
Shaywitz & Shaywitz, 2008
- Normale Leser aktiveren die drei leserelevanten Gehirnareale auf der linken (dominanten) Hemisphäre.
- Bei Legastheniker sind die hinteren beiden Areale unteraktiviert.
- Dies wird kompensiert durch eine höhere Aktivierung von vergleichbaren Arealen auf der kontralatralen
Hemisphäre.Dyskalkulie
Developmental Dyscalculia
"Diese Störung bezeichnet eine Beeinträchtigung von Rechenfertigkeiten, die nicht
allein durch eine allgemeine Intelligenzminderung oder eine unangemessene
Beschulung erklärbar ist. Das Defizit betrifft vor allem die Beherrschung
grundlegender Rechenfertigkeiten wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und
Division, weniger die höheren mathematischen Fertigkeiten, die für Algebra,
Trigonometrie, Geometrie oder Differential- und Integralrechnung benötigt werden".
www.bvl-legasthenie.deDyskalkulie Reduzierte Gehirnaktivität bei bestimmten Rechenaufgaben (approximate calculation)
Hochbegabung
Intelligenz(test)
3
%
2
1
Hochbegabung
0
60 70 80 90 100 110 120 130 140
IQHochbegabung
Hirnsysteme
Lee et al., 2006Pränataler Stress
- Faktor für die Entwicklung von Verhaltensstörungen (Angsterkrankungen,
Depression, Schizophrenie; Hyperaktivität, Aufmerksamkeitsstörungen).
- Pränataler Stress in Ratten führt zu ähnlichen Verhaltensänderungen (erhöhte
Ängstlichkeit, depressive Verhaltensweisen, gestörte Stressbewältigung).
Weinstock, 2008, 2011
Veränderungen neuronaler
Strukturen ?Nervenzellen im Hippocampus werden bei männlichen und weiblichen
Ratten in unterschiedlicher Weise durch pränatalen Stress beeinflusst
Dentate gyrus
granular neurons
Male Female
Spines
Length
Complexity
Bock et al., Neurosci., 2011Nervenzellen im Hippocampus werden bei männlichen und weiblichen
Ratten in unterschiedlicher Weise durch pränatalen Stress beeinflusst
Umkehrbar/Therapierbar durch postnatale Behandlung !
Dentate gyrus
granular neurons
Male Female
Spines
Length
Complexity
Bock et al., Neurosci., 2011Strukturelle Veränderungen nach Elternseparation bei
Octodon degus
Veränderung der Dichte serotonerger und dopaminerger Fasersysteme
(Braun et al., 2000; Poeggel et al., 2003; Gos et al., 2006)Frühe Lern-/Erfahrungsprozesse
• Frühe Erfahrungen modulieren bzw. prägen das limbische System
(“Emotionssystem”) des Gehirns.
• Defizite der emotionalen Umwelt führen zur fehlerhaften Entwicklung
emotionaler Schaltkreise im Gehirn.
• Der Einfluss dieser Erfahrungen ist geschlechtsspezifisch
• Der Einfluss dieser Erfahrungen ist abhängig von spezifischen
Entwicklungszeitfenstern (und spezifisch für jedes Gehirnareal).
• Defizite sind mit zunehmendem Alter nur langsam und nicht immer vollständig
korrigierbar, da die Plastizität des Gehirns abnimmt. Was in den ersten
Lebensjahren in kürzester Zeit erworben werden kann, erfordert mit
zunehmendem Alter wesentlich längere Zeiträume.Kritische Zeitfenster während der Hirnentwicklung
kritisches Zeitfenster
nach Doherty, 1997 Beendigung des kritischen ZeitfenstersLRS, Definition
Legasthenie (Dsylexie) = Entwicklungsstörung !!!
Developmental DyslexiaDyslexie
Entwicklung der Lesefähigkeiten
Defizit oder Entwicklungsverzögerung ?
Shaywitz & Shaywitz, 2005Sie können auch lesen
