Biopsych

• Einzelne Regionen (gelb → Verortung der Spiegelneurone bei Rhesusaffen)
• Nehmen einer Rosine von einem Tisch - Neuronales Aktivierungsmuster wurde gemessen.
• Sehen, dass eine andere Person die gleiche Handlung ausführt → aktiviert die gleichen Netzwerke
• Aktivierungshistogramm ist rechts abgebildet (Aktionspotentiale über die Zeit) , F5 Region als erste Region identifiziert

Diese Ergebnisse stammen nicht aus Einzelzellableitungen Aktivierung großer Netzwerke → Nachweis steht noch aus

• Einzelzellableitungen bei Makaken 
• fMRT-Ableitung beim Menschen 

Mögliche Funktion der Spiegelneurone

• Imitationslernen
  • Makaken imitieren praktisch nicht, auch die meisten anderen Tierarten lernen nicht durch Imitation
• Perspektivübernahme
  • Makaken scheinen kein Ich-Bewusstsein zu haben und scheitern bei einfachen ToM-Aufgaben
• Empathie
  • Empathie erfordert zumindest rudimentäre ToM-Kompetenz
• Möglicherweise sind Spiegelneurone notwendig aber nicht hinreichend für höhere sozial-kognitive Leistungen. 

• Menschen passen ihr Verhalten an die Erfordernisse sozialer Situationen an. Relevante Strategien:
  • Emotionsregulation, Täuschung, Kognitive Kontrolle, Selbstreflexion
• Emotionsregulation: Prozesse, mit denen Individuen
  • bewusst oder unbewusst versuchen,
  • die Art,
  • die Intensität oder
  • die Dauer .

.. von Emotionen in eine bestimmte Richtung zu beeinflussen. 

•  Reappraisal: Neu- oder Umbewertung der vorliegenden Situation „Wir haben das Fußballspiel zwar verloren aber insgesamt sehr gut gespielt. Das gibt uns einen Schub für die weiteren anstehenden Spiele.“ 
• Suppression: Unterdrückung des emotionalen Erlebens bzw. der emotionalen Reaktion „Wir haben das Fußballspiel verloren aber ich schlucke meinen Ärger hinunter.“

• Reappraisal reduziert
  • negativen Affekt
  • Hautleitfähigkeitsreaktion
  • Aktivierung der Amygdala
• Ergebnisse für Suppression weniger eindeutig. ! Möglicherweise erhöht Aufwand der Unterdrückung sogar Emotionen

• Ventrolateraler präfrontal Cortex --> Selektion Inhibition
• Anteriorer cingulärer Cortex --> Konfliktverarbeitung (auch Schmerzen)
• Dorsolateraler präfrontaler Cortex, posteriorer präfrontaler Cortex, Parietallappen
  • selektive Aufmerksamkeit, Abeitsgedächtnis

Entscheiden:

• Die (bewusste) Wahl zwischen mehreren Alternativen anhand von bestimmten Präferenzen, objektiven oder subjektiven Entscheidungskriterien und Wertmaßstäben
• Entscheidungen können rational, aber auch spontan bzw. zufällig erfolgen und von emotionalen und motivationalen Faktoren beeinflusst sein (Bauchgefühl)

Handeln :

•  Jede von menschlichen Motiven geleitete zielgerichtete Tätigkeit, sei es ein Tun oder ein Unterlassen.
• Voraussetzung ist bewusstes Entscheiden und Agieren, damit ist Handeln von einfachen automatischen Verhaltensweisen und Reaktionen abgrenzbar

Phineas Gage: Einer der ersten neuropsychologisch gut untersuchten Fälle

• 25-jähriger Bahnarbeiter
• Bei einem Arbeitsunfall schoss durch eine Explosion eine Eisenstange durch seinen Kopf
• P.G. überlebte und erholte sich körperlich weitgehend

In Folge des Unfalls zeigten sich dramatische Verhaltens- und Persönlichkeitsveränderungen:

• Vor dem Unfall:
  • fleißig, zuverlässig, moralisch, höflich
• Nach dem Unfall:
  • verantwortungslos, aufbrausend, unbeständig, vulgär
  • Probleme der Entscheidungsfindung zum eigenen Nachteil, mangelnde Inhibition, wenig beeinflusst von Wissen, impulsiv
  •  Probleme der sozialen Anpassung: Veränderung von moralischen Werten, Wesens und Persönlichkeitsveränderung 

• massives Netzwerk, das motorische, perzeptuelle und limbische Regionen miteinander verknüpft
• Projektionen zu fast allen Regionen im parietalen und temporalen Kortex sowie zu prä-striären Regionen des Okzipitallappens
• Nicht an Sensorik und Motorik beteiligt: muss also darüber hinausgehende komplexe Aufgabe haben
• Erhält Projektionen von subkortikale Regionen wie Thalamus, Basalganglien, Cerebellum und Kerne im Hirnstamm → duch große Anzahl von Afferenzen und Efferenzen :Ideale Position, die verschiedenen Prozesse im ZNS zu koordinieren! 

• VLPFC = ventro-lateraler präfrontaler Cortex, Brodmann-Areal (BA) 45 + laterale Anteile von BA 47/12
• DLPFC = dorso-lateraler präfrontaler Cortex, BA 9/46 ein frontopolarer oder anteriorerpräfrontaler Bereich (anteriorer PFC, BA 10)
• Orbitofrontaler Bereich = (OFC, BA 10, 11, 47/12, 13, 14, ventrale Anteile des BA 45)
• FMPFC = fronto-medialer präfrontaler Cortex, insbesondere der anteriore cinguläre Cortex (ACC; BA 24, 25)
• VMPFC = ventro-medialer präfrontaler Cortex (Somatic markerhypothesis)
• Frontales Augenfeld (BA 8)
• Sprachmotorische Broca-Areal (BA 44)

Präfrontalcortex:

• Expansion des Frontalcortex ist in der Evolution des Menschen assoziiert mit dem Auftreten höherer kognitiver Funktionen
• Der Frontallappen (beim Menschen ca. 1/3 des Cortex) besteht aus motorischen und prämotorischen Regionen sowie dem Präfrontalcortex
• Präfrontalcortex ≈ Hälfte des gesamten Frontalcortex beim Menschen → Sehr viel kleineres Verhältnis bei Nicht-Primaten
• Vor allem der Anteil der weißen Substanz ist im Vergleich zu anderen Spezies stark ausgeprägt

• Patienten mit Läsionen in Teilen des Frontallappens zeigen charakteristische Beeinträchtigungen, vor allem bei exekutiven Funktionen:
  • Haften an (irrelevanten) Details und haben Probleme beim Aufgabenwechsel (Perseveration)
  • Stimulus-getriebenes Verhalten (Disinhibition), unreifes und enthemmtes Auftreten
  • Vermindertes Urteils-und Planungsvermögen
  • Unbedachtes und vorschnelles Handeln (erhöhte Impulsivität)
  • Ähnlichkeiten bestehen zum Verhalten kleiner Kinder (noch unzureichende Reifung des Präfrontalcortex) sowie zu Patienten mit frontotemporaler Demenz = Morbus Pick
  • (selektiver Verlust von Neuronenpopulationen in Frontal- und Temporallappen)
• „Frontalhirnsyndrom“: eine Beschreibung von Folgen einer lokalisierten Störung im Gehirn, nicht von einem eigenständigen Krankheitsbild → Name legt nur nahe was die Annahme über die Ursache der Störung ist, nicht wie sich die Krankheit äußert

• Exekutive Funktionen erlauben Menschen (im weiteren Sinne: höhere Lebewesen) ihr Verhalten unter Berücksichtigung der Bedingungen ihrer Umwelt zu steuern. Als Synonym werden oft auch die Begriffe „kognitive Kontrolle“ oder „Supervisory Attentional System (SAS)“ benutzt. 

Teilbereiche:

• Setzen von Zielen
• Strategische Handlungsplanung
• Einkalkulieren von Hindernissen
• Entscheidung für Prioritäten
• Impulskontrolle und Selbstbeherrschung
• bewusste Aufmerksamkeitssteuerung
• Zielgerichtete Handlungsplanung/-ausführung
• Adaptive Handlungssteuerung und –korrektur

Kognitive Funktionen

• Arbeitsgedächtnis
• Aufgabenwechsel
• Inhibition
• Reaktionsüberwachung

• Das Arbeitsgedächtnis ist ein System zur temporären Speicherung, Manipulation und Überwachung von nicht mehr in der Umwelt zur Verfügung stehender Information
• Es erlaubt die Integration aktuell vorhandener, perzeptueller Informationen mit gespeicherten Inhalten.
• Es ist wichtig für Ziel-orientiertes im Gegensatz zu Stimulus-getriebenem Verhalten

Nachweis mithilfe der Delayed-response task (a): es wird die Funktion des Arbeitsgedächtnisses untersucht

• Affe beobachtet wo das Futter versteckt wird
• Sicht wird verdeckt (mehrere Sekunden bis Minuten)
• Affe soll das Futter finden.

Affen mit Präfrontalläsion zeigen selektive Beeinträchtigung im Delayedresponse task (Arbeitsgedächtnis) Associative memory task (b): untersucht assoziatives Lernen

• Es wird gelernt (Langzeitgedächtnis) dass das Futter immer unter dem Kreuz ist
• Keine Beeinträchtigung bei Läsionen im Präfrontalcortex

•  Einzelzell-Ableitung im lateralen Präfrontalcortex 
• Cue zeigt die den Ort an, worauf später reagiert werden soll (Futter)
• Reaktion kann erst nach dem Go-Signal erfolgen
• selektive neuronale Aktivität während der Warteperiode (bevor Display wieder geöffnet wird = ↑, Zeitpunkt der Öffnung wird im Experiment variiert)
• Neuronales Korrelat der aktiven Repräsentation während der perzeptuellen Abwesenheit des Stimulus

• lateraler Präfrontalcortex dient als flexibler und transienter Speicher für Informationen, die aus anderen neuronalen Netzwerken (Langzeitgedächtnis) zugänglich gemacht werden
• Information wird nicht permanent im Präfrontalcortex gespeichert, sondern dort nur so lange im Arbeitsgedächtnis aktiv aufrechterhalten, wie sie aufgabenrelevant ist → Erkennbar am nachlassen der Gehirnaktivität, wenn eine Information nicht mehr aufrecht erhalten werden muss
• Domänenübergreifende Funktion → Farbe, Form und Ort hier dargestellt.

• Task-Switching erlaubt den flexiblen Wechsel zwischen kognitiven Strategien oder Aufgaben.
• Die Fähigkeit zum Aufgabenwechsel kann mit dem Wisconsin Card Sorting Test (WCST) erfasst werden:
  • Probanden müssen einzelne Karten einem von vier Stapeln zuordnen.
  • Das Kriterium (Anzahl, Farbe, Form) wird vorab nicht bekannt gegeben
  • Nach korrekter Zuordnung wird positives Feedback gegeben, nach falscher Zuordnung ein negatives.
  • Probanden müssen mit Hilfe des Feedbacks schlussfolgern, nach welcher Regel die Karten sortiert werden müssen
  • Nach jeweils 10 Durchgängen wird das Zuordnungskriterium unerwartet und ohne Ankündigung gewechselt. → Patienten mit Frontalhirnläsionen perseverieren, das heißt sie ordnen weiterhin die Karten nach dem alten, aber jetzt falschen, Regel zu
• Switchkosten: Höhere Reaktionszeiten, Fehlerraten in Wechseldurchgängen

Aufgabe:

• Adaptation des WCST für eine Bildgebungsstudie (fMRI): Patient soll Karten dem richtigen Stapel zuordnen
•  Schwierigkeit unterscheidet sich darin, wie viele korrekte Möglichkeiten es für eine Zuordnung gibt

Ergebnisse:

• Beim Wechsel der Zuordnungskategorie kommt es zu einer Aktivierungszunahme im lateralen Präfrontalcortex.
• Aktivierungsänderung ist abhängig von der Anzahl der möglichen neuen Dimensionen (Aufgabenschwierigkeit). Je mehr Dimensionen (also Möglichkeiten für eine korrekte Zuordnung), desto stärker ist die Aktivität im Gehirn
• Zusätzliche Relevanz von Inhibition (Unterdrückung der alten Regel)

• Inhibition erlaubt es geplante Handlungen flexibel zu stoppen
• Die Inhibitionsfähigkeit kann mit dem Stop-Signal Task erfasst werden
• 1. Probanden müssen auf die Richtung eines dargestellten Pfeiles reagieren.
• 2. Sobald ein Ton erklingt, sollen sie ihre Reaktion jedoch unterdrücken.
• 3. Die Stop-Signal Reaktionszeit (SSRT) beschreibt wie lange der Ton vor der Reaktion kommen muss, um eine erfolgreiche Reaktionsinhibition zu erreichen.
• → Je länger die SSRT, desto schlechter die Inhibitionsleistung. 16 12.Warum lassen

Delayed-response task und Inhibition aktivieren zwei Gruppen von Neuronen im lateralen Präfrontalcortex:

a) Neurone, die während des Delays aktiv sind (Arbeitsgedächtnisrepräsentation)

b) Neurone die beim Test aktiv nichtzutreffende Orte hemmen

→ Hemmende Neurone liegen anterior zum frontalen Augenfeld (Gyrus frontalis inferior)

→ Arbeitsgedächtnis wird ebenfalls im präfrontalen Cortex lokalisiert

→ beide Neuronengruppen liegen sehr nahe beieinander

ACC: Anteriorer Cingulärer Cortex

• koordiniert verschiedene Prozesse wie Arbeitsgedächtnis, Aufgabenwechsel und Inhibition und erlaubt die Detektion von Verhaltensfehlern

Meta-Analyse:

• Aktivierungen der spezifischen Regionen bei verschiedenen Aufgaben, die eine Überwachungskomponente beinhalten. 18 14.W

• Aufgabe (Flanker Task): Probanden müssen so schnell wie möglich auf den mittleren Pfeil reagieren
• Aufgabenschwierigkeit wird von unterschiedlichen (kongruenten vs. inkongruenten) Distraktoren beeinflusst
• Ergebnisse: Die Negativierung des EKP nach Fehlern ist stärker als nach korrekten Durchgängen (Error Related Negativity, ERN)
• → Die ERN wird im ACC generiert
• → Die ERN tritt nicht auf, wenn der Fehler nicht bemerkt wird
• → Korrelat der Reaktionsüberwachung

• Neuronenpopulationen in der Area tegmentalis ventralis (VTA) sowie der Substantia Nigra bilden das dopaminerge mesolimbische System
• Relevante Projektionen: → Nucleus accumbens → Striatum (Nucleus caudatus und Putamen) → Hippocampus → Medialer Präfrontalcortex (Orbitofrontalkortex und Ventromedialer Präfrontale Kortex)

• Messen der Aktivität dopaminerger Neurone in der Area tegmentalis ventralis (VTA) von Affen → signalisieren einen Vorhersagefehler („prediction error“)

1. Positiver Vorhersagefehler: Reaktion ist positiv bei unerwarteten positiven Ereignissen (nichts erwartet, aber etwas bekommen)

2. Vorhersagefehler = 0: Reaktion ist neutral bei erwarteten positiven Ereignissen (etwas erwartet und etwas bekommen)

3. negativer Vorhersagefehler: Reaktion ist negativ (Ausbleiben neuronaler Aktivität) bei Ausbleiben erwarteter positiver Ereignisse (etwas erwartet, aber nichts bekommen)

→ Neuronale Wertrepräsentation

• Aufgabe: Probanden ziehen nacheinander von 4 Kartenstapeln
• Die Stapel unterscheiden sich nach ihrem langfristigen Ergebnis: A & B haben einen negativen; C & D einen positiven Erwartungswert
• Ergebnis: Probanden lernen über viele Durchgänge hinweg, eine Präferenz für C & D auszubilden

VP werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten gefragt, warum sie von bestimmten Stapeln ziehen

Phasen:

• Pre-punishment: Bevor erste Verluste aufgetreten sind ( VP wissen nicht, warum sie von bestimmten Stapeln ziehen)
• Pre-hunch: Andeutung eines Strategiewechsels ohne Einsicht in den Task (VP zeigen im Verhalten schon eine Präferenz für guten Stapel, geben aber immer noch an willkürlich zu entscheiden)
• Hunch: Intuitives Wissen über Verhaltenskonsequenzen (VP sagen, sie hätten beim guten Stapel einfach ein besseres Gefühl)
• Conceptual: Konzeptuelles Wissen über Verhaltenskonsequenzen (VP sagen aus, dass ein Stapel zu mehr Gewinn führt)
• → Antizipatorische Hautleitfähigkeitsreaktionen (SCRs; Zeitraum in dem sie sich für eine Karte entschieden haben, diese aber noch nicht aufgedeckt ist) gehen einher mit besserem Wahlverhalten

• Somatische Marker (= emotionale Informationen in Form von physiologischem Arousal) unter-stützen Entscheidungsfindung
• OFC/ vmPFC erstellt Assoziationen zwischen komplexen Situationen und Somatischen Veränderungen
• OFC/ vmPFC identifiziert frühere Situationen mit ähnlichem somatischem Profil und unterstützt so eine schnelle Entscheidungsfindung in Bezug auf die höchste Belohnungswahrscheinlichkeit
• Bezug zu Phineas Gage: hatte Läsion des OFC/vmPFC
• → schlechtes/schwieriges Entscheiden durch fehlende somatische Marke

• Pierre Paul Broca untersuchte Patienten mit Sprachstörungen (=Aphasie).
• Beobachtung: intaktes Sprachverständnis, beeinträchtigte Sprachproduktion
• Autopsien nach dem Tod der Patienten → Beobachtung einer Läsionen in der linken Hemisphäre zwischen Frontal- und Temporallappen
• Schluss auf eine Lateralisierung der Sprachproduktion in der linken Hemisphäre

• Der Balken, also das Corpus callosum, ist die größte Kommissur (also Verbindung) im Gehirn zwischen den beiden Hemisphären, die interhemisphärischen Transfer ermöglicht. Es existieren aber außerdem subkortikale Faserkreuzungen.
• Über diese Faserkreuzungen können z.B. schon auf der Höhe des Rückenmarks Informationen ausgetauscht werden.
• Obwohl der Balken durchtrennt ist, werden dadurch einfache sensorische und motorische Fähigkeiten nicht beeinträchtigt.

• Nachweis durch einen Versuch von Myers & Sperry mit Split Brain Katzen.
  • Gruppen: Experimental- Kontrollgruppe.
  • Experimentalgruppe: Durchtrennung des Corpus callosum
  • Kontrollgruppen: keine Durchtrennung → Austausch zwischen den Hemisphären also prinzipiell möglich
  • Durchführung:
    • 1. Katzen lernen visuelle Diskriminationsaufgabe mit einem abgedeckten Auge
    • 2. Danach: Wechsel der Augenabdeckung auf das andere Auge und erneutes Lösen der Aufgabe
  • Ergebnisse:
    • Beim Erlernen der Aufgabe keine Unterschiede zwischen den Gruppen
    • Nach Wechsel der Augenabdeckung auf das andere Auge 

• Weitere Ergebnisse:
  • Kontrollgruppe bleibt bei nahezu 100% der Leistung (Transfer von einer in die andere Hemisphäre hat stattgefunden beim ersten Lernen der Aufgabe. Beide Hemisphären haben die Informationen bekommen. Daher muss Aufgabe nicht noch einmal neu erlernt werden.)
  • Bei der Experimentalgruppe ist die Leistung zu Beginn so schlecht als würden sie die Aufgabe das erste Mal machen. Es hat kein interhemisphärischer Transfer von gelernten Assoziationen stattgefunden.
  • →Kein Informationsaustausch der visuellen Informationen, wenn der Balken durchtrennt ist. Interhemisphärischer Transfer gelernter Assoziationen findet jedoch statt, wenn der Balken nicht durchtrennt wurde, ist also möglich! 

1. Wada-Test: Kurzzeitige Narkotisierung einer Hemisphäre

1. Dichotischer Hörtest: Simultane, akustische Stimulation beider Ohren mit unterschiedlichen Informationen (z.B. Ziffern) (z.B. um eine mögliche Dominanz einer Hemisphäre für eine bestimmte Qualität auditiver Stimuli zu untersuchen)

2. Funktionelle Bildgebung: Nicht-invasive Messung der neuronalen Aktivität und anschließende Bestimmung der relativen Aktivierung je Hemisphäre

1. Callosotomie: Durchtrennung des Corpus callosum („Split-Brain“) und jeweils Beobachtung, was die einzelnen Hemisphären bei der Durchführung von Aufgaben oder Präsentation von Stimuli noch können oder erkennen. 

• „Split- Brain“: die teilweise oder vollständige Durchtrennung des Corpus callosum.
• ➢ Es ist interessant zu beobachten, dass die beiden Hemisphären in vielen Situationen auch weitgehend unabhängig voneinander agieren können und nicht in allem auf einen Transfer angewiesen sind. Sie agieren bis zu einem gewissen grad autonom.

• Man konnte beobachten, dass sich voneinander getrennte Hemisphären nach Durchtrennung des Corpus Callosum trotzdem auf anderem Weg „helfen“ können.
• ➢ Ein Beispiel ist das „helping- hand“ Phänomen. Wird z.B. ein Stimulus nur der rechten Hemisphäre präsentiert und danach gefragt, kann diese Hemisphäre nicht darauf reagieren, den Stimulus also nicht sprachlich identifizieren, da die linke und nicht die rechte Hemisphäre meistens für die Spracheproduktion zuständig ist. Die rechte H. erkennt aber trotzdem den Stimulus und kann der linken H. anders Zeichen geben, z.B. durch motorische Reaktionen, um was es sich handelt. Dann kann die linke H. wiederum diese Informationen versprachlichen und ausdrücken, was die rechte H. erkannt und „gesehen“ hat.
• ➢ Die Hemisphären können sich also gegenseitig „aushelfen“ bei Dingen und Funktionen, die eben nur oder vor allem in einer Hemisphäre lateralisiert sind. 

Lateralisierung bedeutet, dass Fähigkeiten oder bestimmte Merkmale auf einer Seite ausgeprägter sind. Eine Idee für evolutionären Nutzen könnte sein, dass Spezialisierung ja nicht unbedingt von Nachteil ist. Spezialisierung führt zu Qualität. Rechtshänder können z.B. Dinge mit der rechten Hand besonders gut. Vielleicht ist das besser als mit beiden Händen Dinge weder besonders gut noch besonders schlecht zu können.

Eine andere Idee wäre, dass nicht erst ein Austausch zwischen den zwei Hemisphären stattfinden muss, was zur Folge hat, dass Signalwege verkürzt werden, wenn sie innerhalb einer Hemisphäre bleiben.

Es gibt hier jedoch weitere Ideen und Ansätze.