KOGNITIVNÍ A BEHAVIORÁLNÍ NEUROVĚDA

1. KOGNITIVNÍ A BEHAVIORÁLNÍ NEUROVĚDA ŘÍZENÍ BEHAVIORÁLNÍHO STAVU VÝVOJ CNS A KOGNITIVNÍ VÝVOJ JAZYK A AFÁZIE EXEKUTIVNÍ FUNKCE

2. STRUKTURA PŘEDNÁŠKY • Řízení behaviorálního stavu – spánek, bdění, snění • Vědomí a pozornost • Kognitivní funkce a kognitivní vývoj • Jazyk a jeho neurovědné základy • Exekutivní funkce a dysfunkce

3. BEHAVIORÁLNÍ STAV ORGANISMU Spánek, bdění, snění Vědomí Pozornost

4. BDĚNÍ A SPÁNEK • Cirkadiánní rytmicita střídání bdění a spánku – spoje SCN do kmene – kontrola spánku a bdění • Nezbytná součást fungování NS (podráždění a útlum) • Bdění • waking, alertness, wakefulness, awareness • Vědomí ve smyslu consciousness – pojem mind • Sporné oblasti – definice pojmu, evoluční počátky, vztah k mozkovým funkcím

5. BDĚLOST • Bdělost • Bdělost a stav uvědomování si sama sebe a reality okolí • Bdělost – vigilita • Neurofyziologické mechanismy bdělosti • RF (ARAS), thalamus, hypothalamus • Probouzecí reakce (arousalreaction, Magoun, Moruzzi) RF » MK • Nespecifické působení ARAS • Podráždění smyslových orgánů, kůry a LS » ARAS • Bdění • ostražité (γ rytmus) • aktivní (β rytmus) • relaxované (α rytmus na eeg)

6. SPÁNEK • 1953 – Kleitman, Aserinsky • Eeg snímání během spánku • „NREM spánek je neaktivní mozek v aktivním těle a REM spánek je aktivní mozek v neaktivním těle“ • Charakteristika spánku • 4 cykly REM a non REM spánku • REM spánek 25% celkové doby spánku (6+2) • Spontánní probuzení se obvykle děje z REM fáze • Charakter periodicity spánku se v ontogenezi mění • Patofyziologické mechanismy spánku

7. NREM SPÁNEK • Spánek - non REM (pomalý, telencefalický, spánek s pomalými vlnami) • 4 stadia dle hloubky na eeg • Somnolence » hluboký spánek • Pomalé velké delta vlny – SWS • výrazný pokles metabolismu mozku a teploty tělní • Emg – svaly jsou aktivní, některé reflexy vybavitelné • somnambulismus • První non REM spánek trvá asi 90 min

8. REM SPÁNEK • REM - aktivovaný, paradoxní, rhombencefalický • nepravidelný eeg záznam • Ztráta svalového tonu • Převládá aktivita sympatiku • Sny, erekce • Mozek je responzibilní a tělo inhibováno • Začátek spánku – eeg vlny z pontinní RF (PGO, pontogenikulookcipitální vlny)

9. MECHANISMY SPÁNKU a BDĚNÍ • W. James –vztah bdělosti a vnímání • H. Magoun, G. Moruzzi – aktivace RF – arousal a bdělost • Klíčová komponenta – retikulární aktivační systém • Aktivita koreluje s bdělostí a REM spánkem • Tlumeny jsou v NREM spánku • Další oblasti podílející se na regulaci behaviorálního stavu • Noradrenergní neurony locuscoeruleus • Serotoninergní neurony nucleiraphae

10. MECHANISMY SPÁNKU a BDĚNÍ

11. MODELOVÁNÍ ŘÍZENÍ spánku a bdění • 2 modely vysvětlující behaviorální stavy • Neurobiologický • Psychofyziologický model • Vlivy externích a interních počitků zdůrazněny • Změny v úrovni senzorického arousalu a kognitivního výkonu během spánku • Vegetativní fce (cirkadiánní rytmus rekognice, TT, autonomní aktivity) jsou regulovány v koordinaci s ostatními • Narušení spánku ovlivňuje emoční a kognitivní funkce • Prolongovaná spánková deprivace je letální • Spánek – důležitá, ale nejasně zprostředkovaná udržovací funkce

12. MODELOVÁNÍ ŘÍZENÍ spánku a bdění • Zobrazovací studie a studie lézí mozku u spánku a snění • Prokázaly rozdíly v regionální aktivaci mozku mezi bdělostí a spánkem • Na začátku spánku – povšechná deaktivace předního mozku a mozkového kmene • Další snižování aktivace • REM spánek – selektivní reaktivace kmene mozkového • Další reaktivované struktury: diencefalon, subkortikální LS, kortikální LS, některé kortikální asociační oblasti • Plus významná deaktivace dorsolaterálního prefrontálního kortexu (DL PFC)

13. FUNKCE SPÁNKU • Spánková deprivace krys – 4-6t vedla ke zhroucení organismu • Metabolická rovnováha, teplotní rovnováha, imunitní funkce • Obnovovací funkce – anabolické pochody • Hraje důležitou roli v hormonální regulaci • růstový hormon a gonadotropiny • Vliv na paměť • Po tréninku roste množství a délka REM spánku – druhý den je patrno zlepšení v naučeném • REM – konsolidace procedurální paměti • SWS – konsolidace explicitní deklarativní paměti

14. NARUŠENÍ SPÁNKU • Narušení spánku na podkladě cirkadiánních rytmů • Normální čas (timing) spaní je u dospělých 22:00-7:00 • Onemocnění narušující timing spánku • Primární • Non 24 hoursleepwakesy • DSPD – delayedsleepphasesy – pozdní vstávání (12-16) a pozdní uléhání • ASPS – advancedsleepphasesy – časné vstávání a neschopnost udržet si bdělost • Sekundární – prostředím podmíněné – mnohem častější • Jet lag – pásmová nemoc • Práce na směny

15. NARUŠENÍ SPÁNKU • Chronická aktivizace aminergního systému (sy) • Prolongovaný chronický stres a insomnie • Pokles aminergní aktivity v CNS – při depresi a narkolepsii • Respirační dysfunkce během spánku – sleepapnea • Respirační nepravidelnosti – mozkový kmen – změněná aktivita, která nutná pro REM spánek • Motorická dysfunkce během spánku - parasomnie • chození, mluvení, vrzání zubů, noční děsy • Motorická odpověď na výstupy motorických CPG, které jsou normálně inhibovány – u mladších jedinců

16. SNĚNÍ • Význam snů a snění není doposud objasněn • Není možno oddělit funkci snění od funkcí neurofyziologických procesů, které je produkují • Účel snů ani REM spánku není objasněn • Freud – výklad snů – cesta do nevědomí • Crick a Mitchison – imaginativní hypotéza funkce snů • „Odučovací“ mechanismus • Systémy pracující v parazitickém modu, chybné myšlenky – precipitace psychopatologie

17. SNĚNÍ • Sny mohou sloužit k modulaci emocionálních stavů v bdělosti • Výzkum – podle množství a délky REM spánku lze určit u koho se vyvine reaktivní klinická deprese po rozvodu • Sny mohou hrát roli v modifikaci asociativních sítí vzpomínek a naučeného materiálu • volnější asociace • Snad vysvětluje bizarní obsah snů v REM • Kreativní řešení problémů během spánku – Kekule, Mendělejev

18. VÝZKUMY SNĚNÍ • Modernizace původní aktivačně syntetické hypotézy snění (Hobson, McCarley, 1977) • Odlišné kognitivní charakteristiky snů od bdění • jako výsledek simultánní autoaktivace limbického mozku • konsekventní snová emocionalita a nápadnost • Spolu s deaktivací exekutivních struktur – sloužících logické a pracovní paměti • konsekventní snové bizardnosti a desorientaci (Hobson, 2000) • Studie Solmse (1997) • prokazuje, že DLO narušení má minimální vliv na snění • Spolu s relativní neaktivitou během REM spánku • vede ke zjevnému snížení paměťového, orientačního, a logického fungování při snění • Destruktivní léze multimodálních parietálních oblastí • globální ztráta snění • Léze vizuálního asociačního kortexu • vedou k nevizuálnímu snění • Aktivace supramarginálníhogyru a inferotemporálního kortexu (PET) • odpovídá vysoce vizuospaciální povaze snění • Diskonexe horního mozkového kmene od limbických prefrontálních struktur • vede ke globální ztrátě snění, při zachované aktivitě REM spánku a vysoce emotivní a osobní kvalitě snění

19. VĚDOMÍ Definice vědomí Pozornost Narušení pozornosti

20. VĚDOMÍ • Consciousness • Výkonnostní funkce • Motivace a vůle • Pracovní paměť a pozornost • Paměť deklarativní a implicitní • Crick a Koch (1995) – model zrakového vědomí • Předpoklady definice pojmu consciousness • Ne předčasně • Zvířata X lidé • Podoby vědomí • Problém vazby (bindingproblem) – problém významu

21. VĚDOMÍ • Retikulární ascendentní aktivační systém • Neurobiologický podklad vědomí (awareness) • Několik neuronálních systémů, vzájemně spolupracujících • Souvislost arousalu (část vědomí) a orientované pozornosti • Úlohy zatěžující orientovanou pozornost + fMRI • Zátěž orientované pozornosti – ventrolaterální část thalamu • Ost. – PFC, PMA, gyrus cinguli, gyrus fusiformis, mozeček, horní část temenního laloku • Interakce pozornosti a vědomí – v thalamu

22. VĚDOMÍ • Vědomí je jeden z nejzáhadnějších fenoménů • Spojeno určitým způsobem s mozkem – exaktní povaha tohoto vztahu – klasický problém psychofyzického dualismu • Vědomí – je schopnost něco prožívat (zakoušet – experience) • Základní charakteristika fenomenálního aspektu vědomí – zdůrazňuje subjektivitu • Neurobiologie svobodné vůle (volních aktů) – dalším aspektem psychofyzického problému • Pocit chtění něco vykonat (feeling ofagency) – předchází o 200ms jednání • Předchází změny v mozku – mediální PMA, ACC (fMRI) • Vědomí u jiných živočišných druhů • Arousal a stavy vědomí

23. POZORNOST • Limitace v množství informace – mechanismus pozornosti • Vztah pozornosti a senzorické percepce – nejčastěji vizuální • Variabilita a flexibilita pozornosti • Pozornost zaměřuje vnímání k vnitřním a vnějším podnětům • s/bez doprovodných orientačních pohybů • Neglectsy - deficit prostorové pozornosti, narušení frontálního, parietálního kortexu a ACC, subkortikálních struktur a aferentací do kortikálních oblastí

24. POZORNOST • Funkce pozornosti • Detekce signálů • Selektivita (výběrovost) – Colin Cherry 1953 – fenomén kokteilové party • Dělení pozornosti • Kognitivní neurověda a pozornost • Posnerova teorie (1995) • Näätänenova práce s evokovanými potenciály • Psychofarmakologický přístup • Marcelův model vztahů mezi percepcí, pozorností a vědomím

25. POZORNOST • Orientovaná pozornost • DLPFC, střední část čelních laloků, zadní temenní a horní spánková kůra, thalamus, BG – aktivita vyšší vpravo • Continuous Performance Test • Zadní systém pozornosti – senzorické rameno pozornosti • Projevem okruhu RF – thalamus – LS – MK • Navazuje anatomicky na systém odpovídající za probouzecí reakci (ARAS) • Jeho poškození – senzorický neglect • Přední systém pozornosti – motorické rameno pozornosti • Zaměřuje se na hybnou akci – systém záměru • Projevem okruhu – thalamus – kortex – striatum • Jeho poškození – motorický neglect • Oba systémy tvoří funkční celek

26. POZORNOST • Lokalizace pozornostního systému v frontálním a parietálním laloku – výzkumy • U primátů – LIP (laterální intraparietální pole) a FEF (frontální oční pole) • Spoje do sítnice • neurony LIP kódují reprezentaci významnosti podnětů (salientrepresentation, priority maps) • integrují i informace z jiných zdrojů a jsou modulovatelné • U lidí - zobrazovací studie – frontální lalok, parietální lalok, ACC • Další oblasti – horní parietální lobulus (SPL), frontální oční pole (FEF), suplementátní oční pole (SEF), přední cingulum (ACC) – pozornostní síť prostorové pozornosti

27. CSTC KLIČKY a POZORNOST • Kortiko-striato-thalamo-kortikální kličky a chování • Selektivní pozornost • Klička dorzální ACC-dno striata- thalamus – ACC • ACC – klíčový uzel pozornosti, emotivity a rysů chování • Dorzální část ACC– hodnotí funkce – jako např. self monitorování projevu • Narušení této kličky • Vyšetřujeme např. Stroopovým testem • Setrvalá pozornost • DLPFC- horní kaudatum (striatální komplex)-thalamus – DLPFC • Narušení této kličky • Vyšetřujeme např. CPT

28. CSTC KLIČKY a POZORNOST

29. NARUŠENÍ POZORNOSTI • Syndrom opomíjení (neglect) • Vizuospaciální opomíjení • Porucha pozornosti pro poloprostor • Extinkce • Allestezie • Anozognozie, anozodiaforie, non-belonging syndrom • ADHD – anatomické odchylky • Patologická symetrie ncl.caudatus • Menší globus pallidus • Menší pravá PFC • Menší mozeček • Dysfunkce frontostriatového funkčního obvodu • PFC – zpomalený processing • Overaktivace/hypoaktivace dorzální části ACC (předního cingulárního kortexu – Stroopův test

30. ZRAKOVÉ VYHLEDÁVÁNÍ • Pozornost - výběr podnětu ze sledované scenérie • paradigma zrakového vyhledávání • Zrakové vyhledávání je limitováno v kapacitě • FIT Feature IntegrationTheory – Tresmanová, Gelade, 1980 • Filtr ve velmi časné fázi – pop-out • ST SimilarityTheory – Duncan, 1984 • Filtr v relativně pozdní fázi zpracování informace – místo vstupu do pracovní paměti • znaky A a B u jednoho objektu • stejný znak u dvou odlišných objektů

31. KOGNITIVNÍ FUNKCE Kognitivní vývoj a vývoj CNS Plasticita Stárnutí Kognitivní funkce

32. KOGNITIVNÍ VÝVOJ • Základní koncepty • Maturace mozku pokračuje do adolescence • Ztlušťování kortexu během vývoje • Nárůst množství dendritických trnů • Množství synapsí nejprve roste a potom klesá • Některé struktury jsou téměř kompletní při narození • Nárůst množství bílé hmoty během dětství a adolescence • Myelinizace • Metabolický obrat mozku nejprve roste a potom klesá • DLPFC – jedna z posledních oblastí, které maturují

33. KOGNITIVNÍ VÝVOJ v 1.roce • Inhibice časný subkortikálních odpovědí rozvojem kortexu • Spojení anatomického vývoje vizuálního systému s funkčním rozvojem • Vývoj ventrálního vizuálního proudu a reprezentace objektů • Vývoj dorzálního vizuálního proudu a prostorová pozornost a prostorová lokalizace • Časné objevení prekurzorů deklarativní paměti ve vývoji • Orientace v obličejích, rekognice matčina obličeje, imitace faciální exprese jsou přítomny již při narození • Tvoření kategorií vizuálních podnětů ve věku 3 měsíce • Hemisférální rozdíly ve zpracování tváří ve věku 4 měsíců • Strach z neznámých tváří se objevuje mezi 7-9 měsícem • Vztah vizuálního vyhledávání k vývoji PFC • Rychlý a prolongovaný vývoj jazyka

34. KOGNITIVNÍ VÝVOJ – stárnutí • Nárůst průměrné délky života • Proměnlivé efekty stárnutí na paměť • Animální modely kognitivního a neurobiologického stárnutí • Neurobiologie poklesu paměti spojeného s věkem • Neuronální ztráta je difuzní v celém mozku • Narušení paměti není nutně vázáno na hippokampální narušení • Hippokampální spoje jsou narušeny během stárnutí • Exekutivní funkce se zhoršují s věkem • Subkortikální struktury jsou citlivé ke stárnutí

35. KOGNITIVNÍ FUNKCE • Chování (komplexní mozkové funkce) • Kognitivní funkce vč. pozornosti a paměti • Emoce, vč. motivace • Exekutivní funkce, vč. motorických dovedností • Jejich vyšetřování je spjato s obtížemi – technickými a konceptuálními • Metody • Kazuistiky • Zobrazovací metody in vivo • Experimenty na nonhumánních primátech

36. ASOCIAČNÍ KORTEX • 75% všech tkání mozku • Zodpovědný za zpracování informací mezi senzorickým vstupem a motorickým výstupem • Jejich rozličné funkce se často označují jako kognice • Dostává a integruje informace z velkého množství zdrojů, ovlivňuje velké množství chování • Vstupy do asociačního kortexu • Výstupy z asociačního kortexu • Definovány exkluzí • Většina jejich funkcí je neznámá a neprozkoumaná

37. 1primární motorická korová oblast • 2 premotorická korová oblast • 3 frontální okohybné pole • 4 Brocova motorické centrum řeči • 6 primární senzitivní oblast • 7 sekundární senzitivní korová o. • 8 suplementární senzitivní korová o. • 9 primární zraková korová oblast • 10 sekundární zraková korová oblast • 12 primární sluchová korová oblast • 13 sekundární sluchová korová oblast • 14 suplementární sluchová oblast • 15 chuťová korová oblast • 16 vestibulární korová oblast • 18 sekundární čichová korová oblast • 20 frontální asociační korová oblast • 21 parietální asociační korová oblast • 22 Wernickeho centrum řeči • 23 temporální asociační korová oblast • 24 okcipitální asociační korová oblast obrázek přejat z Čihák, 1997

38. ASOCIAČNÍ KORTEX • Parietální asociační kortex – „pozornostní neurony“ • Deficit pozornosti a percepce – neglect sy • Temporální asociační kortex – „rozpoznávací neurony“ • Deficity v rekognici, identifikaci a pojmenovávání známých objektů - agnozie • Frontální asociační kortex – „plánovací neurony“ • Deficity v plánování komplexních chování • Diverzita frontálních funkcí – pestrost projevů

39. SENZITIVNÍ PERIODY VE VÝVOJI • Senzitivní periody – vychází z etologie (Tinbergen, Lorenz) • Chování - závisí na zvláštním typu zkušenosti během omezeného časového období v časném dětství • Abnormální zkušenost - abnormální vzorce mozkových spojení • Základní schopnosti • stereoskopické vidění, zraková ostrost, koordinace očních bulbů • Vyšší schopnosti • temperament u krys, sociální chování, jazykové schopnosti, schopnost vnímat tvary a tváře aj. • Imprinting - rychlé funkční a strukturální změny

40. AKVIZICE JAZYKA • jasný vztah mezi věkem expozice jazyku a stupněm dokonalosti jeho zvládnutí • Určité aspekty jazyka – gramatika, syntax, produkce a porozumění hláskám X sémantika a velikost slovníku • Během prvních měsíců percipují děti fonémy všech jazyků • Kolem 1. roku života dítě tuto schopnost ztrácí – schopnost rozlišit podobné fonémy, které nejsou vyslovovány druhými kolem • Pokud dítě není vystaveno jazyku do puberty – ztrácí tuto schopnost úplně

41. BINOKULÁRNÍ VIDĚNÍ • Oční reprezentace – binokulární vidění • Raná vizuální zkušenost - množství vizuálního kortexu zapojeného do zpracování vstupů z každého oka • Vrůstání axonů do vizuální kůry – soutěž mezi aferentací z pravého a levého oka • Po narození se otevírá kritická perioda • Oči jsou koordinovány a používány stejně - kolem 4. měsíce • Narušení – kongentiální katarakta, narušení jednoho oka, „patching“

42. FILIALNÍ IMPRINTING • Rozpoznávání rodiče je esenciální pro přežití mláděte • Rychlé učení – vytvoření jedinečného blízkého vztahu = filial imprinting • Zahrnuje učení vizuální, sluchové, čichové a chuťové • krátká dobře definovaná senzitivní perioda v časném postnatálním životě • Učení během senzitivního období – mladí vykazují vrozené preference pro imprinting normálních podnětů

43. JAZYK A AFÁZIE Vývoj jazyka Neurovědný základ jazyka Afázie

44. JAZYK • Arbitrální symboly + specifický význam » vyjadřování myšlenek a emocí slovy • Několik oblastí v mozku • Asociační kortex čelního a spánkového laloku • Většinou levá hemisféra • Senzorická reprezentace slov a symbolů • levý temporoparientální kortex • Reprezentace k motorickým povelům pro mluvení • levý čelní kortex • Emoční (afektivní) obsah jazyka • pravá hemisféra • Regiony zodpovědné za symbolickou reprezentaci a komunikaci (hluchoněmí – znakový jazyk)

45. JAZYK • Lokalizován i lateralizován • Reprezentace jazyka v mozku ≠ okruhy motoriky úst atd. ani okruhy sluchové percepce • Týká se systému symbolů – symbolická reprezentace • Syntax, gramatika, intonace • rozpoznatelné bez ohledu na modus reprezentace, porozumění a exprese • Příspěvek pravé hemisféry k jazyku • prozodické elementy (emocionální a tónické aspekty) • narušení - aprozodie

46. LOKALIZACE JAZYKOVÝCH FUNKCÍ • začátek 19.století – Paul Broca, CarlWernicke • Kazuistiky a post mortem nálezy • Rozlišení 3 základních druhů afázie • Motorická (produkční) • Senzorická (receptivní) • Konduktivní • Mapování jazykových funkcí – 1930 – WilderPenfield • Perisylviánská kůra levé hemisféry, velká variabilita • Nejnovější nálezy – zobrazovacích metod – PET, fMRI • Potvrzení lokalizace funkčním vyšetřením CNS – při verbálních testech

47. LOKALIZACE JAZYKOVÝCH FUNKCÍ • Unimodální a multimodální asociační kůry v laterálních částech obou hemisfér • Oblasti odpovídají abstraktnějším typům analýzy • 98% praváků – centra jazyka v levé hemisféře • 60-65% leváků – centra v levé hemisféře • 15-20% leváků má jazykově dominantní pravou hemisféru • Zbytek – obě hemisféry stejnou měrou • Anatomicky – planumtemporale – asymetrické • Funkce nedominantní hemisféry • Zpracovává jazyk na úrovni diskurzu, přenesené významy • Zhodnocuje tón diskurzu • Všeobecnější úroveň, povšechná strukturu podnětů

48. LOKALIZACE CENTER JAZYKA obrázek přejat z Wikipedie

49. PROPOJENÍ JAZYKOVÝCH CENTER • Spoje • Mezi sebou, k DLPFC • k laterální temporální kůře, nepřímé spoje do LS • Modalita jazyka ovlivňuje lokalizaci • písmo – kortex blíže vizuální oblasti • znakový jazyk – kortex blíže pohybovým oblastem ruky než úst • Ostatní struktury podílející se na řeči • temporální lalok– reprezentace významu podstatných jmen • precentralní gyrus a PMA – význam slov • SMA – iniciace řeči, aktivace systému • ACC – nespecifická aktivace při verbálních položkách • BG – procedurální paměť pro motorické funkce – správné aspekty tvoření slov • Mozeček

50. OSVOJOVÁNÍ JAZYKA • Dědičná vloha modifikovatelná prostředím (nature X nurture) • Výzkumy – komunikace živočichů, zobrazovací metody, kritické periody • Obecný typ vývoje jazyka – všeobecné » specifické • 2-6 měsíců – broukání (cooing) • 6-12 měsíců – žvatlání (babbling) • 12-18 měsíců – izolovaná slova • 1-3 roky – dvouslovné kombinace a telegrafický jazyk • 3-4 roky – základní dospělá struktura vět • Vyladění na jazykové prostředí • Biologická předpřipravenost k osvojení jazyka • NoamChomsky (1962,1975) • vrozený modul jazykového vývoje (LAD – languageacquisition device)