Large-scale brain networks and psychopathology Flashcards
Einleitung
- Funktionelle bildgebende Verfahren erlauben es mentale Prozesse im Gehirn zu untersuchen
- Die ersten 2 Dekaden nach der Entwicklung der Verfahren waren geprägt durch die Erforschung der Lokalisierung von Hirnfunktionen (wo im Gehirn ruft ein spezifischer kognitiver Zustand eine erhöhte „Aktivität“ hervor)
- Solche Analysen der neuralen Korrelate von Verhalten und Kognition sind geeignet das Gehirn in seine funktionellen Einheiten zu zerlegen und so Funktions-Struktur-Beziehungen aufzuzeigen
- Diese Sichtweise ist allerdings nicht ausreichend für die neurobiologische Beschreibung von Verhalten
- Die Kenntnis wo ein bestimmter Zustand „Aktivität“ im Gehirn erhöht, sagt uns nicht, wie diese Aktivitätsänderung vermittelt ist und was sie bedeutet
Die Verbindungen eines Areals (Konnektivität) bestimmen welche Informationen in dieses Areal gelangen und wohin diese weitergeleitet werden
Diese Konnektivität ist ein fundamentales Prinzip für die Funktionsweise des Gehirns
Würde jedes Neuron mit jedem anderen Neuron verbunden sein, hätte unser
Gehirn einen Durchmesser von ca. 12.5 Meilen (ca. 20 Kilometern) (Nelson & Bower, 1990)
• Wichtige Schlussfolgerung: Neuronen vernetzen sich nur mit einem Teil der anderen Neuronen
• Sie bilden spezifische Netzwerke
Das Gehirn besteht aus unterschiedlichen Hirnarealen die sich zytoarchitektonisch und/oder funktionell voneinander abgrenzen lassen
Bsp.: Primärmotorischer Kortex. Zytoarchitektonisch und funktionell gut abgrenzbar, eine Stimulation führt zu einer Bewegung
Diese Hirnareale sind mit anderen Hirnarealen verbunden und bilden so Netzwerke
Bsp.: Die Aktivität der Neuronen im Primärmotorischen Kortex wird beeinflusst von:
• Aktivierenden und hemmenden Einflüssen aus prämotorischen-, supplementär-motorischen und subkortikalen Arealen
• Diese interagieren mit präfrontalen und parietalen Regionen in denen z.B. die Entscheidung getroffen wird eine bestimmte Bewegung auszuführen
Generell lassen sich also zwei Organisationsprinzipien des Gehirns unterscheiden
Welche Hirnstruktur fällt Ihnen im Zusammenhang mit psychischen Störungen als erstes ein?
Wie in jede andere Struktur im Gehirn ziehen auch in die Amygdala verschiedene Projektionen aus anderen Hirnregionen. Sie ist somit keine autonom operierende Struktur, sondern Teil eines Netzwerks, bzw. Teil verschiedener Netzwerke
Aus der Bestimmung der amygdaloidalen Aktivität alleine lernen wir wenig über die Spezifität einer psychischen Störung
Vielversprechender ist die Betrachtung der Verbindungen zwischen den Amygdalae und anderen Hirnregionen
Bzw. die Betrachtung der Netzwerkarchitektur des Gehirns
Was sind „Large-Scale Brain Networks“?
Das Verständnis darüber wie kognitive Funktionen im menschlichen Gehirn entstehen hängt vom Wissen über seine „large-scale“ Verbindungen ab.
• Neurale Systeme die sich fast über das gesamte Gehirn erstrecken (globale Hirnarchitektur)
• Ein Netzwerk kann charakterisiert werden durch eine Ansammlung von Hirnregionen (Knoten; Hubs, Nodes) und die Verbindungen zwischen diesen Kontenpunkten (Kanten; Edges)
• Hirnnetzwerke können mittels struktureller Verfahren (Diffusions-Tensor- Bildgebung) oder funktioneller Messungen (z.B. Echo-Planar-Bildgebung) bestimmt werden
• Die veränderte Konnektivität zwischen den Hirnarealen ist ein Kernmerkmal der Psychopathologie
Netzwerkkomponenten
In der Geschichte der Erforschung der funktionellen Netzwerkarchitektur des Gehirns sind zwei wichtige Entdeckungen von besonderer Bedeutung:
- Die Entdeckung des „Default Mode Networks (DMN)“
- Die Entdeckung (weiterer) intrinsischer Netzwerke „Intrinsic Connectivity Networks (ICN)“
Intrinsische Konnektivität verschiedener Netzwerke im Resting- State.
Bei Resting-State Messungen gehen die Teilnehmer keiner bestimmten Aufgabe nach.
Sie sollen ihre Gedanken schweifen lassen.
Über unterschiedliche niederfrequente Oszillationen lassen sich einzelne Netzwerke isolieren.
Das menschliche Gehirn ist intrinsisch in distinkten funktionellen Netzwerken organisiert denen die Prozessierung bestimmter Informationen zugeordnet werden kann.
Wie wurden die Netzwerke entdeckt und woher kennt man die Funktionen die ihnen zugewiesen werden?
Aus den zahlreichen intrinsischen Netzwerken die identifiziert wurden, scheinen drei von besonderer Bedeutung für das Verständnis von höheren kognitiven Funktionen und Dysfunktionen
Das zentral exekutive Netzwerk (CEN)
Das Salienznetzwerk (SN)
Das Default Mode Netzwerk DMN)
-> Die Kenntnis über die Funktion der Netzwerke wird aus den Lokalisations- studien abgeleitet
Beispiele höherer kognitiver Prozesse
Soziale Kognition:
Die mentale Fähigkeit, mit der Menschen soziale Informationen verarbeiten, insbesondere deren Enkodierung, Speicherung, Abruf und Anwendung auf soziale Situationen.
Sprache:
Die mentale Fähigkeit, die mit der Kenntnis eines Systems von Objekten oder Symbolen, wie beispielsweise Klängen oder Zeichenfolgen, verbunden ist, die auf verschiedene Weise nach einem Regelwerk kombiniert werden können, insbesondere um Gedanken, Gefühle oder Anweisungen zu kommunizieren
Logisches Denken:
Die mentale Fähigkeit, Schlussfolgerungen, Urteile oder Ableitungen aus Fakten oder Annahmen zu ziehen.
Metaanalytische Befunde aus Aktivitätsstudien
Gemeinsamkeiten neuraler Grundlagen kognitiver Prozesse
Unterschiede neuraler Grundlagen kognitiver Prozesse
Was bedeutet Konnektivität?
Stehen Areale in direkter oder enger Verbindung, sollten ihre Aktivitätsmuster erhöhte Synchronizität aufweisen
Bei entsprechend hoher Synchronizität lässt sich eine Korrelation der Signalstränge nachweisen
• Aufgabenbasiert
• Ruhemessungen (Resting-State)
Meilensteine im Verständnis der Hirnorganisation
Abbildungen: Beispiele für Unabhängigkeitsanalysen (Independent Component Analysis, ICA)
Durch ICAs können also unterschiedliche Netzwerke im Gehirn identifiziert werden
Aber woher kennen wir die Funktion der Netzwerke?
Modell der Interaktion zwischen den 3 „Hauptnetzwerken“
Das zentrale exekutive Netzwerk (Central Executive Network, CEN)
- Frontoparietales System mit den Hauptknotenpunkten in dorsolateralen präfrontalen Kortizes (dlPFC) und lateralen posteriorparietalen Kortizes (PPC)
- Funktionen: z.B.: Informationen im Arbeitsgedächtnis halten und Verarbeiten, Entscheidungen treffen, Problemlösen im Kontext zielgerichteten Verhaltens
- Die Funktionen sind bekannt aus zahlreichen Studien, die kognitive Prozesse untersucht haben
- Viele psychische Störungen sind durch Defizite in diesen Funktionen charakterisiert
- Funktionen: z.B.: Informationen im Arbeitsgedächtnis halten und Verarbeiten, Entscheidungen treffen, Problemlösen im Kontext zielgerichteten Verhaltens
- Die Funktionen sind bekannt aus zahlreichen Studien, die kognitive Prozesse untersucht haben
- Viele psychische Störungen sind durch Defizite in diesen Funktionen charakterisiert
- Bsp.; „Problemlösen“ bei Angstpatienten besteht oft aus Vermeidung der Situation,bei unzureichender Rekrutierung kognitiver Kontrollressourcen
- Netzwerkstörungen entstehen z.B. durch: Beeinträchtigungen der Konnektivität im Netzwerk, abnormale Rekrutierung von Regionen die typischerweise nicht zum CEN gezählt werden und beeinträchtigtem Zugriff auf saliente aufgabenrelevante Stimuli
Das Salienz Netzwerk (Salience Network, SN): Hauptknotenpunkte und Funktionen?
• Hauptknotenpunkte: dorsale ACC Regionen und Bereiche des anterioren insulären (AI) Kortex
• Funktion: z.B. Detektion, Integration und Filterung relevanter externer und interner Informationen, komplexe Hirnfunktionen wie Bewusstsein, Kommunikation, Sozialverhalten, Integration, sensorischer, emotionaler und kognitiver Information
• Zuweisung von Salienz (was ist der
momentan wichtigste interozeptive oder externe Reiz) und Initiierung eines adäquaten Verhaltens
• ACC Regionen: detektieren Fehler und Unstimmigkeiten (auch homöostatische)
• Insuläre Regionen: empfangen konvergente eingehende Signale multipler sensorischer Modalitäten (z.B. visuell, auditiv) und weisen simultan Aufmerksamkeit zu
• sind mit der Einbindung nachfolgender Netzwerke (z.B. CEN) in Verbindung gebracht wurden
Das Salienz Netzwerk (Salience Network, SN) - Insulare Regionen
- Insuläre Regionen: empfangen konvergente eingehenden Signale multipler sensorischer Modalitäten (z.B. visuell, auditiv) und weisen simultan Aufmerksamkeit zu
- Verarbeiten interner Signale im Zusammenhang mit autonomen Prozessen (Herzschlag, Hautleitwert, Atmung) → interozeptive Wahrnehmung
- Eine Hauptfunktion ist die Detektion von verhaltensrelevanten Stimuli
- Die Detektion verhaltensrelevanter Stimuli ist eine essentielle Komponente fast aller kognitiven Aufgaben
- sind mit der Einbindung nachfolgender Netzwerke (DMN/CEN) in Verbindung gebracht wurden
- Wenn ein salientes Ereignis detektiert wurde, ermöglicht das SN die durchgängige Prozessierung der Information durch die Initiierung geeigneter transienter Signale die Aufmerksamkeitsnetzwerke und das CEN einkoppeln und das DMN unterdrücken.
Das Salienz Netzwerk (Salience Network, SN) - ACC Regionen
- Anteriorer zingulärer Kortex (Anterior cingulate cortex, ACC)
- ACC Regionen: involviert in die Reaktionswahl und Konfliktüberwachung
- Hohes Ausgangssignal an motorische Regionen, direkte Verbindung in die Wirbelsäule und zu den subkortikalen okkulomotorischen Regionen was die direkte Kontrolle über die Motorik ermöglicht
- ACC und AI sind über spezielle Neurone Verbunden die eine besonders schnelle Informationsübertragung ermöglichen (Van Economo Neurone; 1 Dendrit, 1 Axon, großer Zellkörper)
- Somit ist es bestens gerüstet um nicht nur die Aufmerksamkeit, sondern auch die motorische Reaktion auf saliente sensorische Stimuli auszurichten
Das Salienz Netzwerk - Subkortikale Knotenpunkte, Amygdalae, ventral tegmentale Areale (VTA)
- Subkortikale Knotenpunkte (unterhalb des Kortex liegend)
- Amygdalae: stehen mit der Zuweisung emotionaler Salienz (insb. Bedrohung) in Zusammenhang
- ventral tegmentale Areale (VTA): stehen mit der Zuweisung belohnungsbezogener Salienz (Lernen) in Zusammenhang
Das Salienz Netzwerk - saliente Ergebnisse
Im Sinne des hier besprochenen Salienz- Netzwerks sind saliente Ereignisse solche die:
• Abweichungen darstellen in einer sonst konstanten Abfolge
• Überraschende Ereignisse
• Angenehme oder belohnende Stimuli
• Selbst relevant (Entscheidungsrelevant) sind
• Emotional relevant sind
• Das SN dient im Gegensatz zum dorsalen Aufmerksamkeitsnetzwerk zur Aufrechterhaltung stabiler Salienz
• Schnell und automatisch (Filterung aufgrund perzeptueller Eigenschaften)
Das Salienz Netzwerk - Konzeptualisierung der Salienz in der Psychopathologie
Wichtig: ein Ereignis, dass salient für eine
Gruppe ist, muss es nicht für eine andere sein!
Beispiele:
• die relative Salienz für soziale Stimuli wie Gesichter, Augen, Blicke ist in Personen
mit Autismus vermindert was zu schlechter sozialer Kompetenz führt
- spezifische Utensilien für den Drogenkonsum sind salient für Kokainabhängige Patienten nicht aber für Angst- oder Schmerzpatienten
- In der Schizophrenie ist die Fehlattribution von Salienz zu internen und externen Events ein Kernsymptom der Störung und kann die Entstehung von psychotischen Symptomen wie Illusionen und Halluzinationen erklären.
Das Salienz Netzwerk: SN-Organisation in Bezug auf dessen Hauptafferenzen und –efferenzen
AI: erhält sensorischen Input, affektive, motivationale und viszerale Signale, die biologische Salienz und kognitive Anforderungen wiederspiegeln
dACC: hat eine dominante Rolle in der Reaktionswahl, Verhaltenssteuerung und Modulation der autonomen Reaktivität
Das Default Mode Netzwerk (DMN) -Hauptknotenpunkte
- Hauptknotenpunkte: Regionen der medial-präfrontalen (mPFC) und posterior-zingulären Kortizes PCC, außerdem medial temporale Regionen und Teile der Gyri angulares
- Dorsomediales präfrontales Subsystem (dMPFC-System):
- dorsomedialer präfrontaler Kortex (dMPFC), temporo-parietale Übergangsregion (TPJ), lateraler temporaler Kortex (LTC) und temporalpol (TempP)
- Assoziiert mit: Abruf Vergangener und/oder Imagination künftiger Ereignisse
- Mediotemporales Subsystem (MTL- System):
- ventraler medialer präfrontaler Kortex (vmPFC), posterior-inferioren Parietallappen (piPL), retrosplenialer Kortex (Rsp) und parahippocampalen Kortex (PHC)
- Assoziiert mit: Gedanken über mentalen Status von sich oder Anderen, insbes. Wenn affektive Informationen auf die eigene Person bezogen werden
Das Default Mode Netzwerk (DMN) - Unterschied zum CEN und DMN
• Im Gegensatz zum CEN ist das DMN normalerweise deaktiviert (entkoppelt) während der Bearbeitung von Stimulus- gesteuerten Aufgaben
• Dies ist ein weiteres fundamentales Prinzip der Hirnorganisation: Die neurale Aktivität ist in manchen Regionen unterdrückt und damit entkoppelt, während andere Regionen explizit aktiv in die Aufgabenbearbeitung eingebunden werden
• Rechts: Beispiel Wortproduktionsaufgabe
• Aufgabenabhängige Aktivierung in CEN-
Regionen (rot)
• Aufgabenabhängige Deaktivierung in
DMN-Regionen (blau)
Das Default Mode Netzwerk (DMN) - Metaanalyse über neun PET-Studien in denen verschiedene kognitive Aufgaben (goal directed behavior tasks) bearbeitet wurden
Metaanalyse über neun PET-Studien in denen verschiedene kognitive Aufgaben (goal directed behavior tasks) bearbeitet wurden
Allen Studien war gemein, dass es während der Bearbeitung der Aufgaben zu einer Abnahme der metabolischen Aktivität in medial-präfrontalen und posterior parietalen Regionen kam
Die Deaktivierung dieser Regionen war also aufgabenunabhängig
Allen Studien war gemein, dass es während der Bearbeitung der Aufgaben zu einer Abnahme der metabolischen Aktivität in medial-präfrontalen und posterior parietalen Regionen kam
Die Deaktivierung dieser Regionen war also aufgabenunabhängig
Während der Ruhebedingung (wach mit geschlossenen Augen) zeigte sich diese spezifische aufgabeninduzierte Deaktivierung nicht
oben: Deaktivierung während der Aufgaben
unten: Grundumsatz während Ruhe „Resting-State“
Das Default Mode Netzwerk (DMN) - Funktionen
- Funktion des DMN: z.B. interne Repräsentation der Welt, selbstreferenzielle Prozesse, episodischer Gedächtnisabruf, Zukunftsplanung, autobiographischer und episodischer Gedächtnisabruf, Emotions- regulation (implizit), sozial-kognitive Prozesse, internal speech, …
- Im Kollektiv und in Interaktion mit anderen Netzwerken unterstützt das DMN die Konstruktion von Modellen individuell bedeutsamer Ereignisse
- Da diese Prozesse für die klinische Psychologie von besonderer Bedeutung sind, gibt es relativ viel Forschung in diesem Bereich
- Fast jede psychische Störung (incl. Morbus Alzheimer, Schizophrenie, Depression) konnte bisher mit Veränderungen im DMN assoziiert werden. Sie spiegeln Störungen in der Selbstkontrolle und Selbstüberwachung wieder
- Z.B. ängstliches Grübeln bei der Generalisierten Angststörung
Das Default Mode Netzwerk (DMN) - 2 Bereiche in dem Veränderungen auftreten können
• Warum sollten sich die
Netzwerkfunktionen zwischen Patienten und Gesunden unterscheiden?
• Molekulare Veränderungen z.B. in Neurotransmittern, Glucoseverwertung
• Zelluläre Veränderungen z.B. kleinere Soma, kürzere Dendriten, niedrigere Anzahl
Triple Network Model of Psychopathology GRAFIK
Chronnectome fingerprinting
Die Verbindungen zwischen den Netzwerkknoten haben keinen stationären Charakter – sondern einen dynamischen
Aktuelle Ansätze untersuchen daher die Dynamische funktionelle Integration (Chronnectome)
