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Neurobiologie Teil 2: 1. „Fusion und Zentralisierung – nur politisch ?“ – Nervensysteme 2. „Neues umgibt Altes“ – Das Gehirn 3. „Die Mutter aller Musen“ – Gedächtnis 4. „Wenn man den Kanal voll hat“ – Synaptische Plastizität
Das Gehirn
H i r n s t a m m
Cortex („Neopallium“) Basalgangien Amygdala Hippocampus
Telencephalon
• • • •
Diencephalon
• Hypothalamus / Thalamus • Corpora Mammilaria
Mesencephalon
• Nucleus ruber (Kern) • Substantia Nigra (Kern)
Metencephalon
• Pons • Cerebellum • Hirnnervenkerne
Myelencephalon
• Medulla oblongata • Hirnnervenkerne
anatomisch
Das Gehirn
s o m a ti s c h
Cortex
(höhere kognitive Funktion)
Kerngebiete •
Basalganglien (Nucleus caudatus / Putamen / Globus pallidus)
Thalamus
(Schaltzentrale)
Limbisches System
a u t o n o m
• • •
(Emotionen) Hippocampus • Fornix Gyrus Cinguli • Amygdala Corpora Mammilaria
Hypothalamus
(autonome Zentrale)
Kerngebiete •
Hirnstammnervenkerne
F a s e r n
• •
Assoziationsfasern (Intrahemisphärisch) Projektionsfasern (extrahemisphärisch) (Pyramidenbahnen)
•
Kommissurale Fasern (interhemisphärisch) (Balken)
funktional
Gedächtnis / Lernen • Die Begriffe „Gedächtnis“ und „Lernen“ gehen Hand in Hand, so daß eine Trennung in den folgenden Einteilungen nur begrenzt Sinn macht
Langzeit-
Kurzeit-
Ultrakurzeit-
• (auch Arbeitsgedächtnis) • (auch sensorisches Gedächtnis) • Frontalhirn • Hält nur für den Augenblick der Wahrnehmung • Inhalte persistieren Minuten bis Stunden • Der Übergang vom Kurz- zum Langzeitgedächtnis ist abhängig von Wiederholungen, Assoziationen, Bedeutsamkeit, Emotionen, Aufmerksamkeit, insbesondere die Verarbeitungstiefe (Intensität der Codierung) entscheidet über einen Verbleib im Langzeitgedächtnis • Hält lebenslang • Über alle Cortexareale verteilt • Ist dynamisch
Deklaratives-
Nicht-Deklaratives-
(auch explizites Gedächtnis) Etwas lernen über die Welt „wissen“ Bewusst abrufbar Kreativer Prozess, aktive Synthese und Rekonstruktion bei Codierung und Abruf • Anatomische Strukturen: • Neuronale Repräsentationen im gesamten Cortex • Für Übergang vom Kurz- zum Langzeitgedächtnis sind Hippocampale Strukturen im medialen Temporallappen entscheidend (Entorhinaler, perirhinaler, parahippocampaler Cortex und Subiculum) • • • • •
Episodisches• Biographischer Inhalt • Zeitlich und örtlich definierte Ereignisse
Semantisches• Allgemeines Faktenwissen
• • • • •
(auch implizites Gedächtnis) Lernen, wie etwas zu tun ist „können“ Unbewusste Fähigkeiten Anatomische Strukturen: • Kleinhirnrinde und Kerne • Amygdala • Striatum, Basalganglien • Neocortex • Verlängertes Rückenmark
Prozedurales• z.B. motorische Fähigkeiten oder Gewohnheiten
Priming • Bahnung, ein Reiz beeinflusst unbewusst das spätere Verhalten
Nicht assoziatives• Gleiche Reize führen ohne zeitliche Abhängigkeit zu verändertem Verhalten
Habituation
• Reizgewöhnung (an denselben Reiz)
Sensitivierung
• Empfindlichkeitssteigerung (durch anderen Reiz)
Assoziatives-
• unterschiedliche Reize führen mit zeitlicher Abhängigkeit durch Verknüpfung zu verändertem Verhalten
Klassische Konditionierung
• Zeitliche und wahrscheinliche Beziehung zwischen zwei Reizen)
Operante Konditionierung • Beziehung zwischen Verhalten und darauffolgenden Reizen
Synaptische Plastizität postsynaptisch
präsynaptisch
• synaptische Zellstruktur des • Synaptische Zellstruktur des empfangenden Neurons sendenden Neurons • (auch Potenzierung) • Stunden bis Tage oder lebenslang
Langzeit • Abhängig von neuer Proteinsynthese und Schaffung neuer anatomischer Strukturen
homosynaptisch
heterosynaptisch
• Synapse wird in derselben Bahn modifiziert
• Synapse wird durch andere Bahn modifiziert
Verstärkung
• (auch Bahnung)
LTP (long-term potentiation)
STP (short-term potentiation)
• Sekunden bis Minuten
LTD (long-term depression)
STD (short-term depression)
• Zumeist begrenzt auf physiologische Veränderungen in bestehenden synaptischen Signalwegen
Kurzeit
Abschwächung • (auch Depression)
Habituation • homosynaptische Depression
• Proteinkinase A → MAPK → Transkriptionsfaktor CREB 1 und CREB 2 a) → Ubiquitin-Hydrolase → Proteinkinase A dauerhaft aktiv b) → Genaktivierung → weitere Proteinsynthese, Einbau neuer Kanäle und Ausbildung neuer Synapsen
Sensitivierung • heterosynaptische Verstärkung
Konditionierung • aktivitätsabhängige präsynaptische Verstärkung − Timing ist entscheidend (0,5 Sekunden Abstand) − Zusammentreffen der Signale wichtig
LTP (long-term potentiation)
• Ca2+-Kanäle → Transmitterausschüttung
• Modulierender Transmitter → metabotroper Rezeptor → Adenylatcyclase → CAMP → Proteinkinase A temporär aktiv → Ca2+-Kanäle → PAZ • Rechtzeitige Depolarisierung → Ca2+-Kanäle → Calmodulin → Adenylatcyclase → CAMP → Proteinkinase A abhängig temporär aktiv → Ca2+Kanäle → PAZ • Verstärkte Depolarisierung → Mg2+ blockierte Kanäle (NMDA) → Ca2+-Einstrom → Calmodulin → Calmodulin-Kinase/Tyrosinkinase/PKC → retrogrades Signal → neue AMPA Rezeptoren
Synaptische Plastizität Ebenen der Neuroplastizität: • Synapse – Sekunden bis Stunden • Neuron – Wachstum – Tage bis Wochen • Kortikale Repräsentationen – Monate bis Jahre Verschiedene Aspekte der Neuroplastizität: • Ein Engramm bezeichnet alle an einem Gedächtnisinhalt beteiligten Aspekte, die in vielen verschiedenen Gehirnregionen codiert werden. Jedes deklarative Engramm ist eine dynamische Struktur, und daher jede Erinnerung eine aktive Synthese und Rekonstruktion (subjektiv und fehleranfällig) • Deklaratives und nicht-deklaratives Gedächtnis sind fast immer verknüpft • Übergang von Kurz- zu Langzeitgedächtnis ist abhängig von der Intensität der Codierung (Verarbeitungstiefe) • Die enorme Parallelität der neuronalen Verarbeitung erlaubt eine kaum abzuschätzende Vielfalt der Nutzung gleicher Neuronenpopulationen für verschiedene Aufgaben • Ein und dieselbe Gruppe synaptischer Verbindungen eines Reaktionsweges kann verschiedene Formen des Lernens speichern • Der gleiche Second Messenger (cAMP) vermittel Kurz-wie Langzeitveränderungen der synaptischen Plastizität • Gedächtnisspeicherung erfolgt in denselben Hirnstrukturen, die auch an der Wahrnehmung und Verarbeitung sensorischer und motorischer Erfahrungen beteiligt waren, und ist daher das Ergebnis von Veränderungen an den neuronalen Synapsen, die Bestandteil der neuronalen Repräsentationen der ursprünglichen Verarbeitung sind. • Stille synaptische Verbindungen, die zwar vorhanden sind, aber im Normalfall nicht der synaptischen Kommunikation dienen, können zwecks plastischer Veränderungen kurzfristig rekrutiert warden • Wichtig für die Konditionierungsreaktionen innerhalb des assoziativen nicht deklarativen Lernens ist zeitliche Nähe und Wahrscheinlichkeitsbeziehung, nur dann erfolgt eine aktivitätsabhängige synaptische plastische Veränderung
