Das Frontalhirn: Phineas Gage und die Folgen II

1. Das Frontalhirn: Phineas Gage und die Folgen II Seminar: Klassische Fälle der Neuropsychologie Dozent: Prof. Mecklinger Referenten: Michael Hoppstädter & Daniel Straß Das Frontalhirn

2. Das Frontalhirn: Phineas Gage und die Folgen II • Teil I: Die funktionelle Architektur des präfrontalen Kortex Karnath & Thier (2005) Kap. 43 • Teil II: Manifestationen von Frontalhirnschädigungen Karnath & Thier (2005) Kap. 45 Das Frontalhirn

3. Teil I:Die funktionelle Architektur des präfrontalen KortexKarnath & Thier (2005) Kap. 43 • Neuronaler Aufbau des PFC & Speziesunterschiede • PFC als Kontrollinstanz  Testverfahren bei Frontalhirnschädigungen • Bias-Signale: die Theorie von Miller & Cohen am Beispiel des Stroop-Effekts • Dopaminerges System und Verhaltensbewertung • PFC und Arbeitsgedächtnis Das Frontalhirn

4. Neuronaler Aufbau des PFC • Präfrontaler Kortex  vorderer Frontallappen • Zytoarchitektonische Abgrenzung: - hinterer Frontallappen  agranulär klar abgrenzbare Körnerzellschichten fehlen (Schichten II u. IV), Riesenpyramidenzellen im Motorkortex - PFC  granulär abwechselnde Pyramiden- u. Körnerzellschichten, keine Riesenpyramidenzellen Das Frontalhirn

5. Neuronaler Aufbau des PFC • Übergangszonen: • Makake Frontales Augenfeld (BA 8 / Sulcus arcuatus)  Sakkaden u. langsame Augenfolgebewegungen gr. Pyramidenzellen + Körnerzellschicht IV • Mensch Broca-Repräsentation (BA 44 u. 45 / G. frontalis inf.) Das Frontalhirn

6. Neuronaler Aufbau des PFC • Neuronale Verbindungen des PFC ( reziprok) • Thalamus: N. dorsomedialis (MD) • Septale Kerne • Amygdala • Cortex piriformis • Cortex temporalis inferior • Tegmentum • Thalamus: Pulvinar, N. ventr. ant., Nn. intralam. rostr. • Hippocampus • Gyrus cinguli • Substantia nigra • Neokortex, z.B. parietal, inferotemporal Das Frontalhirn

7. Neuronaler Aufbau des PFC • Besonderheiten • Keine reziproke Verbindung zu den Basalganglien (efferent) • Einziger neokortikaler Teil mit Efferenzen zu Hippocampus und Septum • Afferenzen aus dem Hirnstamm • L. coeruleus (noradrenerg)  unselektiv • Raphé-Kerne (serotonerg)  sens. Regionen • Tegmentum (dopaminerg)  PFC Theorie Übermittlung dopaminerger Signale führt zu Verhaltenwechsel / adäquatem Verhalten Das Frontalhirn

8. Speziesunterschiede • Anteil des PFC am Cortex • Katze 3,5 % • Makake 11,5 % • Mensch 29,0 %  PFC als menschlichster Teil des Gehirns mögliche Grundlage für Konzepte / Perspektiven Bewusstsein / Selbstbewusstsein soziale Interaktion Das Frontalhirn

9. PFC als Kontrollinstanz • Einfache, stereotype Verhaltensweisen laufen automatisiert ab (schnelle Auslösung,aber schlechte Anpassung) • PFC kontrolliert Verhaltenanpassung aufgrund interner und externer Randbedingungen  Beobachtungen von Patienten mit Frontalhirnschädigungen Das Frontalhirn

10. Wisconsin Card Sorting Test (WCST) • Sortierung von Karten nach Form, Farbe, Anzahl • periodisch alternierende Sortierungsregel  erfolgreiche Auswahl der richtigen Antwort bedarf Verhaltensanpassung an Sortierungsregel • Menschen und Primaten mit Läsionen im PFC haben Anpassungs- schwierigkeiten! Das Frontalhirn

11. Antisakkaden • Antisakkade = schnelle Augenbewegung auf einen nicht markierten Ort gegenüber einem Lichtreiz  erfordert Inhibition der Augenbewegung zum Lichtreiz hin (= Prosakkade) • PFC-geschädigte Patienten führen überwiegend instruktions-widrige Prosakkaden aus! • Kognitive Kontrolle der Sensomotorik gestört • Aber: Tierbefunde deuten darauf hin, dass Augenbewegungen wie Antisakkaden vom anderen Arealen gesteuert werden (front. Augenfeld, suppl. Augenfeld, dorso.-lat. PFC) Das Frontalhirn

12. Bias-Signale: die integrative Theorie des präfrontalen Kortex (Miller & Cohen, 2001) • Aufgabe des PFC ist Generierung von Bias-Signalen • neuronales Muster, das die Verarbeitung in anderen Strukturen modifiziert • Förderung des mappings: Umsetzung von neuronalen Eingangsgrößen in sichtbares Verhalten • Auswahl des jeweiligen Verhaltens aufgrund des inneren und äußeren Kontextes Bias verstärkt hemmt gewünschtes Verhalten unerwünschtes Verhalten Verhalten wird ausgeführt Das Frontalhirn

13. Bias-Signale am Beispiel des Stroop-Effekts • Benennung des Wortes • Benennung der Farbe Selektive Zuwendung zu einem der Merkmale • besondere Forderung der Aufmerksamkeit bei Inkongruenz zw. beiden Merkmalen • ohne spez. Instruktion wird der Wortinhalt bevorzugt • Inhalt dominierend  verbale Antwort: z.B. grün Das Frontalhirn

14. Bias-Signale am Beispiel des Stroop-Effekts • stärkere Verbindung zw. Repräsentationen von Wortinhalt und verbaler Antwort • schwächere Verbindung zw. Repräsentationen von Wortfarbe und verbaler Antwort Instruktion: Benenne Wortfarbe! präfrontales Bias Verstärkung der Bindung zw. Farbe und Antwort • Farbe nun dominierend  verbale Antwort: z.B. ROT (Modell von Cohen et al., 1990) Das Frontalhirn

15. Bias-Signale am Beispiel des Stroop-Effekts Das Frontalhirn

16. Bias-Signale: die integrative Theorie des präfrontalen Kortex (Miller & Cohen, 2001) • Schlussfolgerung • Der präfrontale Kortex ist nicht Teil der Reiz-Reaktions-Sequenz, sondern eine übergeordnete Kontrollinstanz, die mittels neuronaler Bias-Signale Verhalten moduliert, indem für den inneren und äußeren Kontext wünschenswerte Verhaltenweisen in ihrer Auswahl verstärkt und damit ihre Ausführung begünstigt wird. • Kontextabhängige Weichenstellung Das Frontalhirn

17. Anatomische Implikationen • PFC muss über inneren und äußeren Kontext informiert sein • PFC muss Möglichkeit zur sensomotorischen Kontrolle haben externer Kontext interner Kontext Eingänge aus sens. Eingänge aus limbischem Assoziationskortex System, Hippocampus, • Laterale + dorsale ventralem Tegmentum Anteile des PFC (Erinnerungen/Erfahrungen/ Bedürfnisse/Wünsche) Das Frontalhirn

18. Dopaminerges System und Verhaltensbewertung • dopaminerger Eingang als entscheidende Einflussgröße für Auswahl adäquater Bias-Signale • kein stetiger Dopaminausstoß, sondern phasische Komponente • Entladung bei unerwarteter Belohnung • Inhibition bei Ausbleiben der Belohnung nach Konditionierung auf neutralen Stimulus • Dopaminsignal unterstützt in PFC die Bildung neuer Zielrepräsentationen und entsprechenden Verhaltens Das Frontalhirn

19. Dopaminerges System und Verhaltensbewertung …eine unerwartete Möglichkeit Aktivität: Gehen Aussenden eines Dopaminsignals an den PFC Alternativ-verhalten wird begünstigt Aktivierung eines Bias Das Frontalhirn

20. Dopaminerges System und Verhaltensbewertung • durch das Bias wird ein alternatives Verhalten begünstigt • ist die mögliche Belohnung durch das Alternativ-verhalten zu erreichen, so wird die Wahrschein-lichkeit der Auslösung des Verhaltens erhöht • Fehlleitungen im Dopaminsystem: • Belohnungssignale können inadäquaten Einfluss auf den PFC nehmen, Folge davon sind Verhaltenanomalien wie sie nach Frontalhirnschädigungen zu beobachten sind z.B.: Perseverationen Das Frontalhirn

21. PFC und Arbeitsgedächtnis • PFC wichtig zur Einschätzung des subjektiven Nutzens eines Verhaltens • Einzelne Neurone repräsentieren bereits erwarteten Nutzen • Studie mit Einzelableitungen an Affen (Watanabe,1996) • Zielgerichtete Handlung nach Verzögerung • Reiz wird temporär in definierter Raumposition präsentiert  Position muss in Warteperiode erinnert werden  richtungsspez. Aktivierung von Einzelneuronen im PFC = Grundlage eines räuml. Arbeitsgedächtnisses Das Frontalhirn

22. PFC und Arbeitsgedächtnis • Aber: Aktivierung ist bei versch. Zielobjekten auch abhängig vom subjektiven Nutzen der zielgerichteten Handlung und damit der Belohnung!  PFC als Teil des Arbeitsgedächtnisses • unterschiedliche Teile des PFC bedienen verschiedene sensorische und motorische Systeme Das Frontalhirn

23. PFC und Arbeitsgedächtnis • raumspezifische Gedächtnisinhalte PFC oberhalb Sulcus principalis  Verbindung zur Dorsalbahn • formspezifische Gedächtnisinhalte PFC unterhalb Sulcus principalis  Verbindung zur Ventralbahn • In Nachbarschaft des S. principalis Neurone, die sowohl Form als auch Position repräsentieren  Anzeichen für nötige Integration von Information für eine ganzheitliche Wahrnehmung Das Frontalhirn

24. Gliederung • Überblick über die Wesensänderung nach präfontralen Schädigungen • Störungen der Exekutivfunktionen - Verhalten - Regelverstöße („rule-breaking“) - Antizipation - Arbeitsgedächtnis - „Theory of mind“ • Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen - Die Theorie von Shallice und Norman - Grafmans Modell - Die somatische Markerhypothese • Kurzer Exkurs in eine aktuelle Forschung Das Frontalhirn

25. Wesensänderung nach präfrontalen Schädigungen Unterscheidung in 2 Hauptrichtungen 1. Antriebsstörung mit einer allgemeinen Reduktion von Aktivität 2. Enthemmung des Verhaltens Das Frontalhirn

26. Antriebsstörung mit einer allgemeinen Reduktion von Aktivität • akinetischer Mutismus als Vollbild der Störung (beidseitige Insulte der A.cerebri anterior) => Patienten zwar wach, zeigen aber keinerlei Reaktion auf Umweltreize (wie erstarrt) • Leichtere Störungsform (meist auch bilaterale präfrontale Läsionen) • => allgemeine Reduktion von allen spontanen oder reaktiven Handlungen, allgemeine Trägheit, Patienten sind klaglos und tolerant, schwächere Wahrnehmung von Sorge, Angst, Schmerzen,... Das Frontalhirn

27. Enthemmung des Verhaltens • Am ehesten hervorgerufen durch orbito-frontale oder ventro-mediale Läsionen - Patienten äussern sich im Umgang mit anderen häufig frech oder kränkend - Teilweise „Witzelsucht“ - Labile Stimmung, eher gehoben; kann allerdings auch schnell umschlagen - Rigidität im Verhalten, was zu Probleme im Alltag führt Das Frontalhirn

28. Störungen der Exekutivfunktionen • „Exekutivfunktionen dienen dazu, Handlungen über mehrere Teilschritte hinweg auf ein übergeordnetes Ziel zu planen, Aufmerksamkeit auf hierfür relevante Informationen zu fokussieren und ungeeignete Handlungen zu unterdrücken“ • Allgemeine Annahme, dass der präfrontale Kortex an den Exekutivfunktionen wesentlich beteiligt ist • Allerdings auch vermutete Beteiligung anderer kortikaler und subkortikaler Strukturen wie medialer Thalamus, Nucleus caudatus oder Globus pallidus • Umfassende Störung dieser Funktion nennt sich „dysexekutives Syndrom“ (tritt meist nach ausgedehnten, diffusen und bilateralen Läsionen auf) Das Frontalhirn

29. Störung im Verhalten • Betroffene wirken interessenlos, gleichgültig und sorglos • Wenden sich seltener neuen Reizen zu • Handlungen häufig nicht durch Ziele geordnet und motiviert • Unfähig, Teilschritte, die zur Erfüllung eines Ziels vonnöten sind, zu erkennen • Störung beim Erkennen von Regeln • Produktion irrelevanter Planfragmente Das Frontalhirn

30. Störung im Verhalten • Patienten sind in hochstrukturierten Umwelten (z.B. Kliniken) durchaus unauffällig • Sofort auffällig, wenn die jeweilige Situation „die Organisation und das Planen des Verhaltens über einen längeren Zeitraum bei gleichzeitiger Berücksichtigung mehrerer Teilaspekte“ erforderlich macht • Patienten weisen ebenfalls Beeinträchtigungen bei der Kontrolle von Handlungen auf (lernen nicht aus Fehlern, keine Anpassung an veränderte Bedingungen,...) Das Frontalhirn

31. Regelverstöße („rule breaking“) • Patienten können Anweisungen verbal wiederholen, zeigen aber dennoch davon abweichendes Verhalten • Scheint eher ein allgemeines Problem darzustellen, wenn die Patienten mit neuen Situationen konfrontiert werden • Tritt nicht nur bei Patienten mit Frontalhirnläsionen auf sondern auch bei Menschen mit geringer Intelligenz Das Frontalhirn

32. Antizipation • Handlungsmodelle werden häufig aktiv unter Berücksichtigung des gesamten Situationskontext entworfen • Existieren noch keine überprüften Handlungsmodelle, werden Antizipationsprozesse (das unbewusste Bilden von Erwartungen) aktiviert • Bei Patienten mit Läsionen um frontalen Kortex ist diese Fähigkeit gestört Das Frontalhirn

33. Arbeitsgedächtnis • Exekutivfunktionen und das Arbeitsgedächtnis stehen in engem Zusammenhang • Patienten mit Läsionen im Frontalhirn zeigen signifikante Defizite bei Aufgaben, die räumliches und visuelles Arbeitsgedächtnis betreffen • Aber • Auch Patienten mit entfernten Temporallappen oder Amygdala und Hippocampus zeigen diese Defizite => Das Arbeitsgedächtnis beruht ebenso wie die Exekutivfunktionen auf einem Zusammenwirken verschiedener kortikaler und subkortikaler Hirnareale Das Frontalhirn

34. „Theory of mind“ • Bildgebende Verfahren haben gezeigt, dass beim Lösen von „Theory of mind“-Aufgaben vorallem im präfontalen medialen Kortex Aktivität zu verzeichnen ist • Patienten mit Schäden in diesem Bereich schneiden deswegen bei „Theory of mind“-Aufgaben schlechter ab, da sie nicht in der Lage sind, Schlussfolgerungen über das Verhalten anderer Menschen zu ziehen Das Frontalhirn

35. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen Theorie von Shallice und Norman • Unterscheidung von automatischen (unbewussten) und aktiven (Aufmerksamkeit erfordernden) Prozessen der Informationsverarbeitung • Handeln und Kognition basieren auf hoch spezialisierten Programmen (Schemata), die hierarchisch geordnet, zielorientiert und oft wiederholt und können spezifische, überlernte Handlungen und Fertigkeiten kontrollieren Das Frontalhirn

36. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen • Schemata können auf verschiedene Art und Weise ausgelöst werden, z.B. durch andere Schemata oder externe Faktoren (Trigger) • Um in Situationen angemessen zu handeln, ist eine Auswahl geeigneter Schemata vonnöten • Hier werden zwei verschiedene Prozesse angenommen: „contention scheduling“ (CS) und „supervisory attentional system“ (SAS) Das Frontalhirn

37. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen • CS steht für die automatische, direkte und durch Trigger aktivierte Selektion von geeigneten Schemata • CS basiert auf fixen Regeln und ist so schnell, aber unflexibel • Bei schwierigen kognitiven Problemen ist dieser Prozess zum Erreichen eines Ziels nicht ausreichend Das Frontalhirn

38. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen • SAS steht für ein generelles, hierarchisch übergeordnetes Planungsprogramm • SAS kann mit Schemata aller Hierarchieebenen und unabhängig von aktivierten Triggern arbeiten • SAS ist sehr flexibel, dafür aber langsam • Sobald es für ein Problem kein geeignetes Schema gibt, wird das SAS aktiv, entwickelt Lösungsstrategien, führt Entscheidungsprozesse herbei und kontrolliert deren Erfolg Das Frontalhirn

39. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen • Das SAS wird von Shallice als die zentrale Funktion des Frontalhirns angenommen Belege für und gegen dieses Modell • Reduzierte Leistungsfähigkeit von Personen mit Läsionen im Frontalhirn bei Problemlöseaufgaben („Tower of London“) (Shallice und McCarthy & Carlin et al.) • PET und fMRT-Studien haben aber gezeigt, dass bei solchen Aufgaben ein weites Netzwerk kortikaler Strukturen beteiligt ist, was gegen eine Dichotomie von SAS im Frontalhirn und CS in anderen Hirnregionen spricht Das Frontalhirn

40. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen Grafmans Modell • Das Wissen über die Abfolge von Ereignissen wird durch ein neuronales Netz repräsentiert, das aus einzelnen „managerial knowledge units“ (MKU) besteht • Eine MKU ist eine Gedächtniseinheit, die das Wissen über die Ereignisse zu einem gewissen Thema beinhaltet • MKUs enthalten neben dem Thema auch die zeitliche Struktur einer Ereignisfolge und werden sowohl während der aktiven Ausübung als auch bei der verbalen Beschreibung eines Ereignisses ausgeführt Das Frontalhirn

41. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen • Nach Grafman existieren drei verschiedene Ebenen der Wissensrepräsentation in MKU: - die abstrakte Ebene - die kontextfreie Ebene - die kontextabhängige Ebene • Auf der abstrakten Ebene werden unklare und mehrdeutige Erfahrungen rationalisiert und verstanden; sie beinhaltet das Wissen über Ereignisse wie Beginn, Ende oder Intention von Vorgängen Das Frontalhirn

42. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen • Die kontextfreie Ebene enthält Repräsentationen über Ereignisfolgen, die in verschiedenen Kontexten erlebt bzw. ausgeübt werden können • Auf der kontextabhängigen Ebene ist jenes Wissen repräsentiert, das nur in einem bestimmten Kontext verstanden und umgesetzt werden kann • Zusätzlich unterscheidet Grafman nicht nur verschiedene Ebenen sondern auch die Gestalt von MKU nach linguistischer Form (Listen oder Skripte) und bildhafter Form (visuelle Szenen) Das Frontalhirn

43. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen Die somatische Markerhypothese • Damasio et al. Gehen davon aus, dass neben rationalen kognitiven Prozessen beim Denken und Entscheiden noch eine zweite Instanz involviert ist • Diese Instanz nennen sie die somatischen Marker, die konkret alle viszeralen und nichtviszeralen Prozesse, die im Körper ablaufen, meinen • Zusätzlich postulieren sie ein zerebrales „Surrogat“, welches somatische Zustände und Prozesse simuliert, ohne sie auszulösen Das Frontalhirn

44. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen • Bei allen komplexen Entscheidungsvorgängen werden diese somatischen Marker miteinbezogen • Sie sorgen dafür, dass alternative Handlungsmöglichkeiten bewertet werden und eine langfristig erfolgreiche, sozial verträgliche und konstruktive Handlung einer möglichen destruktiven vorgezogen wird • Für die Generierung dieser Marker ist das limbische System zuständig Das Frontalhirn

45. Kognitive Modelle menschlicher Frontalhirnfunktionen Belege für und gegen die Theorie der somatischen Marker • Personen mit Läsionen im Frontalhirn schneiden beim „Iowa Gambling Task“ signifikant schlechter ab, als gesunde Versuchspersonen (Damassio und Damassio; Bechara et al.; Anderson et al.) • Maia u. McClelland fanden jedoch heraus, dass die „Iowa Gambling Task“ nicht isoliert unvernünftige Risikobereitschaft misst sondern vielmehr die Intaktheit zusätzlicher exekutiver Elemente wie Arbeitsgedächtnis und Antizipation erfordert Das Frontalhirn

46. Kurzer Exkurs in eine aktuelle Forschung • Passend zu den Befunden, dass Patienten mit Schädigungen im Frontalhirn ein sozial häufig nicht angepasstes Leben führen, sind folgende Ergebnisse: • Hauser und Damassio haben solche Patienten mit verschiedenen Dilemmata konfrontiert • Dabei fällt auf, dass einige Patienten NICHT der allgemein gültigen Moral folgen sondern für sie der Zweck alle Mittel heiligt • Es wird also angenommen, dass eine Art angeborene Moral im Frontalhirn lokalisiert ist Das Frontalhirn