Neue Entwicklungen in der kognitiven Neuropsychologie

Mit einer ausreichenden Zahl von Elektroden kann die elektrische Aktivität der Grosshirnrinde erfasst und eine “Erregungslandkarte” gezeichnet werden

Die funktionelle Magnetresonanztomographie fMRI lässt die Aktivität von Tiefenstrukturen erkennen Der BOLD-Effekt (blood oxygen level dependent) nutzt die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von sauerstoffreichem und weniger sauerstoffreichem Blut

Hans Berger ( )

Aufgenommen: 1922 Publiziert: 1929

Huber Rohracher ( )

Der 1935 von Rudolf von Ottenthal in Wien gebaute Verstärker

Rohrachers frühe EEG-Registrierungen

Erstes Schlaf-EEG 1935

Verschollene Publikationen

Frequenzanalysen mit Analoggerät

Kohärenzanalyse Hellmuth Petsche

(a) Mozart vs. Ruhe-EEG (b) Kopfrechnen vs. Ruhe-EEG

(a) Schönberg (b) Jazz

(a) Bach (b) Beethoven

Sensorisch evozierte Potentiale Event Related Potentials

Die (vergebliche) Suche nach Reizantworten

„Objektive Audiometrie“ Kurt Burian & Gidon Gestring

Sensorisch evozierte Potentiale Abbild der Aussenwelt? Korrelat des Erlebens?

Das Potential – ein Abbild des Erlebens

Langsame Hirnrindenpotentiale Gleichspannungspotentiale

Kornhuber & Deecke 1965 Hirnpotentialänderungen bei Willkürbewegungen und passiven Bewegungen des Menschen: Bereitschaftspotential und reafferente Potentiale

Willkürbewegung ~1000 msec Bereitschaftspotential

Current source density bei einfachen (links) und komplizierten (rechts) Fingerbewegungen: Frühe Phase – 2.3 sec vor der Bewegung

Current source density bei einfachen (links) und komplizierten (rechts) Fingerbewegungen: Späte Phase – 0.45 sec vor der Bewegung

Benjamin Libet 1982 Erleben einer Willenshandlung

Umlaufzeit: ~ 3 sec

Spontane Bewegung: RP:Bereitschaftspotential EMG: Handlung (Myogramm) RP EMG 1000 msec W 500 msec W:Erlebter Willensentschluss

Der physiologische Prozess geht dem Erleben einer Willenshandlung voraus

Geplanter Zeitpunkt Veto Zeitpunkt „Veto – Design“

Geplanter Zeitpunkt Veto - Zeitpunkt

Slow Potential Topography

Raumorientierungsaufgaben: Mentale Rotation Verbale Aufgaben: Wald : Bäume = Wiese : Gras

Sprache Raum

Slow Potential Topography der Raumwahrnehmung

Brain Trigger Design

Änderungen des DC-Potentials um wenige Millionstel Volt beeinflussen unsere Leistungsfähigkeit

Selbstkontrolle durch Biofeedbacktraining Erstes DC Biofeedback: 1977 durch Lauber

Mit einer Echtzeitversion der low-resolution electromagnetic tomography LORETA wurden Probanden trainiert, die Stromdichte im vorderen gyrus cinguli zu erhöhen.

BOLD bei vorgestellten Bewegungen (A) vor dem Training und (B) nach einem Echtzeit-Biofeedbacktraining Rückmeldung der lokalen Oxigenierung in Echtzeit Christopher deCharms et.al

Down-Regulation der parahippocampalen place area und Up-Regulation der supplementär motorischen area N. Weiskopf et. al. – Gruppe Niels Birbaumer

(a) BOLD-Darstellung am Display des Versuchsleiters (b) Feedback-Schirm mit der Instruktion: grün = Zunahme, blau = Abnahme Diese Erregungsverteilung erleichterte die Einprägung von sinnvollem Material

Schmerzkontrolle durch rtfMRI-Feedback aus dem vorderen cingulären Cortex De Charms et.al. 2005

Rückmeldung des BOLD-Signals durch einen Graphen bzw. das Videobild einer Feuerstelle

Am Wiener Institut wurden von der Forschungsgruppe Herbert Bauer, Florian Fischmeister und Claus Lamm Verfahren entwickelt, die eine Simultanregistrierung von EEG und fMRI möglich machen.

Simultanregistrierung von EEG und fMRI

Vom Labor in die Lebenswelt …

DC-Potential und Muskelentspannung

Aktiverungssteuerung durch Muskelrelaxation

Aktivierungssteuerung durch Atemkontrolle

Diese Techniken können wirksamer sein als ein Psychopharmakon

Meditation

E. R. Kandel Nobelpreis 2000 The molecular biology of memory storage: A dialogue between gens and synapses. [Science 2001]

Neurobiologie des Lernens

Vesikeln Endknopf Synapsenspalt Golgiapparat Mitochondrien Postsynaptische Membran Presynaptische Membran

Hebb Postulat 1949 Die synaptische Verbindung von zwei gleichzeitig erregten Zellen wird verstärkt

Bliss & Lomo 1973: Long term potentiation LTP

NMDA-Rezeptor: N – Methyl – D – Aspartat – Rezeptor Maximale Erregung bei: 1) Bindung von Glutamat an den Rezeptor 2) Postsynaptischer Depolarisation [Massiver Einstrom von Ca ++ ]

LTP tritt in Strukturen auf, die für das Lernen relevant sind Substanzen, welche die Lernfähigkeit beeinflussen, wirken auch auf die LTP Mausmutanten mit verminderten LTPs haben Lernschwierigkeiten

In Zusammenhang mit der LTP treten am NMDA-Rezeptor Veränderungen auf: Zunahme der Anzahl von Synapsen Veränderung ihrer Gestalt Vermehrung der postsynaptischen NMDA- Rezeptoren

Eric Kandel, 1929 in Wien geboren, begann in den 60er Jahren über die Neurobiologie des Lernens zu arbeiten

Die Meeresschnecke Aplysia [Seehase] besitzt nur rund Neuronen

Die relativ grossen Neuronen können leicht Präpariert und sogar in vitro gehalten werden

Lernabhängige Veränderungen können untersucht werden

Kandels Modell für Lernprozesse war der Kiemenrückziehreflex der Aplysia

Gewebekulturen für einfache Lernschaltkreise

Das Motoneuron L 7 bewirkt eine rasche Kontraktion der Kieme

Von 24 sensorischen Neuronen werden durch einen Hautreiz 6 aktiviert. Diese leiten die Erregung an 6 Motoneuronen weiter, die den Kiemenreflex bewirken

Nucleus Sensory neuron Motor neuron Receptor Reinforcement by increased release of glutamat Serotonin Grundlage kurzfristiger Behaltensleistungen ist eine erhöhte Transmitterausschüttung.

Langfristige Behaltensleistungen beruhen auf einer Neubildung von Synapsen

Die Frage, warum Wachstum nur an aktivierten Synapsen auftritt, konnte an verzweigten Axonen untersucht werden, an denen die Lenkung von Proteinen aufgeklärt wurde

Nur an der Synapse, an welcher Serotonin appliziert wurde, treten Veränderungen auf

Neuronale Plastizität: Durch solche Umstrukturierungen kann sich sogar die Grösse von kortikalen Projektionsfeldern im Anschluss an Lernprozesse verändern [M. M. Merzenich 1990]

Sensibilitätssteigerun g der Mittelfinger durch mehrmonatiges Training Somatosensorische Repräsentation beim Nachtaffen [Owl Monkey]

Somatosensorische Areale der Fingerspitzen vor (li) und nach (re) dem Training

Auch das Dogma der Zellkonstanz ist nicht mehr aufrecht, da Nervenzellen auch postnatal gebildet werden können, wie Fernando Nottebohm erstmals am Vogelhirn gezeigt hat.

Dabei werden die neugebildeten Nervenzellen von Gliafasern geleitet

Solche Neubildungen finden auch im menschlichen Gehirn statt Die Neurogenese geht vom Ependym der Ventrikel aus Neurotropine (Neural Growth Factor) steuern dieses Wachstum

Eine grosse Zahl von Neuronen (~ 50%) geht durch Zelltod (Apoptose) wieder zugrunde Dabei tritt eine erhebliche Umbildung der synaptischen Verbindungen auf

Angst – Stress - Belastung

Sport erwies sich als ideales Modell für die Stressforschung Klettern Fallschirmspringen Tischtennis Judo Orientierungslauf Eishockey Regattasegeln

Motivation unter Belastung

Stunde 5 Minuten Klettern Approach Motivation

Stunde 5 Minuten Klettern Approach Motivation

Die kognitive Einstimmung auf eine bevorstehende Belastung ist von entscheidender Bedeutung: Kognitive Coping-Strategien

Leistung unter Belastung: Manche werden besser …

Andere schlechter als erwartet

Manche Menschen zeigen unter Belastung einen Leistungsverlust [„Trainingsweltmeister“], während andere gerade unter Druck besser werden.

Erfolgreiche Sportler Training Champions N L N L

„Ergopsychometrie“ Nur der Vergleich der Testleistungen unter Neutralbedingungen und unter Belastung erlaubt eine Vorhersage der in kritischen Situationen auftretenden Leistungsänderungen

Trainingsbedingte Belastungen können für ergopsychometrische Testungen genützt werden

Realistische Simulationen sind wichtig: Ergopsychometrie auf der Ausreitbank

0 Testleistung unter Belastung Wettkampfleistungen TW ES Ergopsychometrische Testungen ermöglichen eine verlässliche Vorhersage der Leistung unter Belastung [Bischof & Beiglböck - Orientierungsläufer]

Die Ursache für Veränderungen der Leistungsfähigkeit unter Belastung zeigte sich in neuropsychologischen Studien des Wiener Instituts

DC-Potential und Leistung Im mittleren Aktivierungszustand ist die Leistungsfähigkeit optimal

Leistung Aktivierung Unsere aktuelle Leistungsfähigkeit hängt vom Aktivierungsniveau ab

Leistung Aktivierung Zwischen Aktivierung und Leistung besteht eine umgekehrt u-förmige Beziehung

Leistung Aktivierung Menschen unterscheiden sich in ihrem habituellen Aktivierungsniveau

Leistung Aktivierung Jede Belastung hat eine Erhöhung des Aktivierungsniveaus zur Folge

Leistung Aktivierung Der habituell hoch Aktivierte wird dadurch zum Trainingsweltmeister

Die Therapie des Trainingsweltmeisters: Aktivierungssteuerung

Dissertationen an der SFU: Albel - Schrank - Wieser Mögliche Szenarien des Katastrophenterrorismus Auswirkungen auf First Responder Biofeedbacktherapie mit First Respondern Prävention von posttraumatischen Syndromen

Skalierung der emotionalen Wirkung der Situationen

Versuchsablauf der Arbeiten Albel - Schrank - Wieser

117 „First Responder“: 26 Freiwillige Feuerwehr 31 Militär 40 Polizei 20 Rettungsorganisation Samariterbund

Olfaktorische Reizung

Olfaktorische Reizung bewirkt die stärksten emotionalen Reaktionen

Belastungstest und Biofeedback-Training