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08.06. 2017 Pasquale Calabrese Univ.- Prof. Dr. rer. nat. et med. habil., Dipl.-Psych. Professor of Neuroscience Head of Dept. of behavioral neurology & neuropsychology
Unversity of Basel, Switzerland
Gesundheit und Krankheit – eine evolutionsneurologische Perspektive
Anzahl der Nervenzellen (Neurone)
Densität der synaptischen Verbindungen
Tempo der Signal-
übermittlung
Die besondere Vernetzung unseres Gehirns...
ingly important in the analysis of functional in-tegration because the underlying model definesthe mechanisms of neuronal coupling. We willreturn to this in a later section.
Recent studies of large-scale human brain net-works have mostly had their bases in structuraland functional connectivity, using in vivo neuro-imaging. However, structural connectivity basedon diffusion MRI cannot resolve intracortical orintrinsic connections. It is also potentially blind toweak long-range axonal connections, which mayserve as weak ties for global integration (11, 12).Conversely, functional connectivity (statistical de-pendencies) may exist between anatomically un-connected nodes, for example, synchronous activityin two (anatomically unconnected) nodes that isdriven by common sources, polysynaptic connec-tions, or other configurations of bidirectional circuits(13). Neither structural nor functional connectiv-ity in large-scale networks specify the direction orsign (inhibitory or excitatory) of underlying di-rected (effective) connectivity.
Despite its many challenges, our current con-nectivity mapping ability is analogous to cartog-raphy in the Age of Exploration. The gross atlas,even if not comparable to Google Earth, delin-eated the boundary of the world, directed newexplorations, and changed the world from an un-fathomable entity into a tangible object, amenableto further charting and exploration. Likewise, tech-nical advances in neuroimaging have led researchersto regard the human brain as a system that can beexplored as a whole, leaving the details for thefullness of time.
Structural OrganizationThe analysis of network topology in the brain (14)highlights the principles underlying its organi-zational properties—such as efficient informationpassing, robustness, adaptability, resilience—and,more importantly, the divergent functionalitieswithin a fixed structure. Many characterizationssuggest that the structural architecture of the brainmay reflect a compromise between wiring costsand the computational imperatives above (15).Structural brain networks exhibit small-worldness(14) and modularity (15). Small-worldness indi-cates a short average path length between all nodepairs, with high local clustering, whereas modu-larity denotes dense intrinsic connectivity within amodule but sparse, weak extrinsic connectionsbetween modules.
More recently, the rich-club phenomenonmayoffer a more cogent description of networks thatfacilitate dynamic and diverse brain functions(Fig. 1C), in which rich-club hubs (heavily con-nected nodes) are highly interconnected to pro-mote global communication amongmodules (16).Rich-club organization is seen in a wide rangeof neuronal systems from the neuronal systemsof Caenorhabditis elegans (17) and the macaquecerebral cortex (18) to the human brain (16). Inhumans, rich-clubs have been found to include
the precuneus, superior frontal and superior pa-rietal cortex, hippocampus, putamen, and thala-mus (16) (Fig. 2B).
Several organizational properties of structuralbrain networks have been studied; for example, acomputational modeling study showed a relatively
Fig. 1. Node, edge, and organization in the brain network. (A) Schematic of the multiscalehierarchical organization of brain networks: from neurons and macrocolumns to macroscopic brain areas.A network is composed of nodes and their links, called edges. A node, defined as an interacting unit of anetwork, is itself a network composed of smaller nodes interacting at a lower hierarchical level. (B)Depictions of “edges” in a brain network, as defined by three types of connectivity: structural, functional,and effective. Structural connectivity refers to anatomical connections and (macroscopically) is usuallyestimated by fiber tractography from diffusion tensor MRI (DTI). These connections are illustrated withbroken lines in the bottom images. Functional and effective connectivity are generally inferred from theactivity of remote nodes as measured by using BOLD-fMRI or EEG/MEG signals. Functional connectivity,defined by the correlation or coherence between nodes, does not provide directionality or causality and istherefore depicted without arrows. Because effective connectivity is estimated by using a model ofneuronal interactions, it can evaluate directionality. This is illustrated by the one-sided arrows. Adjacency(or connectivity) matrices subserve graph theoretical analyses of brain systems and encode structural andfunctional connectivity between pairs of nodes. (C) Rich-club organization describes many aspects of thehierarchical (modular) brain. As shown in this (simplified) schematic, the brain is highly modular, withnodes integrated locally through strong short-range edges (thin gray lines). Rich-club hubs are denselyinterconnected among themselves (mainly through long-range edges in thick black lines). These hubsfacilitate intermodular communication or global integration that may be contextualized via weaker long-range connections (dotted lines). Brain functions can be characterized by local integration within segregatedmodules for specialized functions and global integration of modules for perception, cognition, and action.Context-dependent global integration recruits a subset of modules with different configurations thatnuances the collaboration between different modules. See also (2).
1 NOVEMBER 2013 VOL 342 SCIENCE www.sciencemag.org1238411-2
The Heavily Connected Brain
Degeneration Inflammation
Synchronisation
LEBEN biologische
Prozesse
LIFESTYLE ökologische
Ausgestaltung
LIEBE kognitive
Bewertung
(epi-)Genetik
Anatomie
Physiologie
Bindung Altruismus
(Selbst-) Akzeptanz
Ernährung Bewegung
Sozialkontakte
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Mea
n tim
e si
nce
last
enc
ount
er (i
n m
onth
s)
Degree of feeling of emotional distance
1
20
60
(adapted from: Gamble, Gowlett & Dunbar, 2016)
Building intimate relationships (Bonding) The importance of meeting other people...
Der Mensch ist ein soziales Wesen (er benötigt Kommunikation und
emotionale Nähe)
neuronale Verschaltungsmuster
Zellzahl, Synapsendichte, Myelinisierung, Verschaltungsmuster, Plastizität
komplexe Kommunikations-
strukturen Sprache, Schrift, Gestik
mentale Repräsentation
Flexibilität,Theory of Mind (ToM), Zeitverarbeitung
Multiple Gedächtnissysteme
deklaratives, prozedurales, Alt- u. prospektives Ged.
emotionale Multiperspektivität
Freude, Wut, Angst, Ekel, Trauer, Überraschung,
Empathie, Ironie, (Selbst-)mitleid, Scham
Antizipation
Ironie, Humor
Empathie, Altruismus
Unser Gehirn - ein „Beziehungsorgan“...
Mehrsprachigkeit
Präferenzen
Abstr
ahie
ren
Sozialkompeten
z
Täuschen, Lügen
Die Stressreaktion als „Überlebensgarant“
Adrenalin/Noradrenalin (Nebennierenmark)
Cortisol (Nebennierenrinde)
Autonomes Nervensystem (Sympathikus): bewirkt Anstieg der Herz- frequenz, des Blutdrucks, erhöhte Aufmerksamkeit, Schwitzen, etc. (schnelle Reaktion -“first wave”)
Endokrine Reaktionen: Aktivierung der Hypo-
thalamus-Hypophysen- Nebennierenrinden-
Achse, Immunsuppression (langsame Reaktion – “second wave”)
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Stress als „Alarmreaktion“ Die bei einer Stressreaktion freigesetzten
Hormone versetzen unseren Körper in einen Alarmzustand der überlebenswichtige
Verhaltensweisen in Gang setzt und dadurch unser Überleben sichert.
Gefahr
Ausschüttung von „Steuerhormonen“
Ausschüttung von „Stresshormonen“
physische und psychische Reaktionen
Dämpfen/Beenden
d. Reaktion
Soziale Faktoren
Gehirn
Immun- system
(epi-)Genetik
Bedrohung
Stress
Zurückweisung
Hirnstamm- nuclei
Verhalten
Soziale Signal-Transduktionstheorie der Depression (nach Slavich & Irwin, 2014)
Vernachlässigung
dACC
Amygdala
IL-1b IL-6
TNF-a CRP
Hypothalamus
Insula
z.B. NFkB IL-1,6,8; TNF-Gene
z.B. HPAA u. SYMP-Aktivierung
z.B. somato-vegetative u. kognitive Symptome
(„Sickness Behavior“)
IL-8
negative Bewertung
Sorge ...
Angst ...
Depression
Die Hypothese der „somatischen Marker“ (nach A. Damasio)
Emotionale Erfahrungen sind im Menschen verkörperlicht und beeinflussen unsere Entscheidungsverhalten. Somatische Marker entstehen aus bereits erworbenen Erfahrungen und markieren die Konsequenzen einer Handlung mit einer positiven oder negativen Emotion. Der ventromediale präfrontale Kortex spielt hierbei eine wesentliche Rolle. Bei Zerstörung dieser Struktur werden die beim Abruf normalerweise zugleich mit aktivierten somatischen Marker nicht mehr mitaktiviert, ergo beim aktuellen Verhalten nicht berücksichtigt.
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Emotionale Ereignisse aktivieren die Amygdala und werden mit Hilfe des Hippo- campus gespeichert. Beim Erleben des Ereignisses werden die physio- logischen Reaktionen als Folge des Zusammenspiels zwischen ventromedialen präfrontalen Kortex und Insula kodiert, d.h. es werden „somatische Marker“ für dieses Erlebnis gesetzt. Bei einer erneuten „echten“ oder „gedachten“ Konfrontation werden die selben physiologischen Mechanismen reaktiviert.
Ventromedialer präfrontaler Kortex
Amygdala
Hippocampus
Insula
Praktische Auswirkung am Beispiel des Patienten Elliot...
Elliot emerged as a man with a normal intellect who was unable to decide properly, especially when the decision involved personal or social matters..“ (A. Damasio, 2000)
= CTRL = PAT
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Konflikt
Arbeitsplatz Konflikt
Arbeitsplatz
6
Folgen der Dauerstress-Reaktion
„normale“ Hippocampus-Zelle
„gestresste“ Hippocampus-Zelle
Cortisol
Adrenalin/Noradrenalin
Wahrnehmungsschwelle
Unterschwellige Körperreaktionen/Symptome
Bewusste Wahrnehmung
Angst Erschöpfung
Schmerzen
Folgen des neokortikalen “Kontrollverlustes“ („loss of stimulus-control“)
Stress
Unterschwellige Körperreaktionen/Symptome
Wahrnehmungsschwelle
Angst
Schmerzen Erschöpfung
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Stress als Auslöser psychosomatischer Störungen (ein multifaktorielles Modell)
„Vulnerable“ Persönlichkeit
Somatisierung
A (epi-)genetische
Bedingungen
C Psychosoziales
Umfeld
Stress
B archaische
Verhaltensprogramme