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F.X. Vollenweider - Wie findet die Botschaft ihren Weg ins Gehirn

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Wie findet die Botschaft ihren Weg ins
Gehirn? Was Fachleute der
Suchtprävention nie vergessen dürfen
F.X. VOLLENWEIDER
Psychiatrische Universitätsklink Zürich (PUK)
Behavioral Pharmacology and Brain Imaging Unit
and Heffter Research Center Zürich, Switzerland
Bewusste vs. Unbewusste
Informationsverarbeitung im Gehirn
In jedem Augenblick laufen
ca. 10’000 “ Filme”
gleichzeitig im Gehirn ab.
Nur einer von diesen (=one
stream of C.) ist uns bewusst
(=0.01%)!!!
(Sch mid, G. B. (2004)
Bewusste und nichtbewusste Wahrnehmung:
bottom up und top-down Regulation
Dieser eine, bewusste, innere „Film“ hat eine
Besonderheit:
Wenn das „Händeschütteln“
zwischen „bottom-up“, sinnesgetriebenen
Informationsflüssen und „top-down“
kortikalen Rückkopplungsflüssen einen
Schwellenwert übersteigt,
wird uns das das Wahrgenommene bewusst,
ansonsten bleibt es unbewusst.
Reizfilterung
> Selektion, Aufmerksamkeit auf neue und wichtige Reize
• Psychotische Syptome
Illusionen, Halluzinationen
Frühe Reizfilterung
Cortical gating: P50
Preattentional gating: PPI
Stimulus detection: ABR
Sensorische
Überflutung
• Denkstörungen
Aufmerksamkeit
Gedächtnis
• Verhaltensstörungen
Soz. Rückzug
Regulation der Reizaufnahme - Informationsverarbeitung im Gehirn
Abgleich mit
Gedächtnis
Äussere
Reize
z.B. visuelle
Stimulus
Detection
Innere Reize
z.B..Körpersensationen,
Gedanken/Erinnerungen
Cortex: „top down“
Modulation
Interpretation
Exekution/Planung
Stimulus
Prozessierung
präaatentiv vs attentiv
Filterung
emotionale Valenz
(limbic system)
„willed action“
autonomne
Handlung
z.B. Reflex
Reizdetektion und topographische Verarbeitung im Gehirn
Wie wird im Gehirn Information verarbeitet
1014 Neuronen
1 Neuron
104 „Zielneurone“
Synapsen: 10 120
1: Cell talking: Transmitter und Neurorezeptoren
A
Serotonin
Serotonin
Psilocin
Psilocin
130 Transmitter
•Serotonin
•Acetylcholin
•Dopamin etc
• ein Vielfaches von Rezeptoren
•
•Agonisten/Antagonisten
5HT1A
5-HT2A
5-HT6
5-HT3
5-HT7
B
Vollenweider al 1998
z.B:
Glutamate
GABA
Serotonin
Fellin et al. 2004
+
Glu
Net Output
2: Cell talking: elektrochemische Weiterleitung
HYPER
up states
HYPO
HYPO
Input Strength
Beispiel: visuelle Perzeption
Merkmals – Detektion
Multimodale Verarbeitung -Integration
Gestaltswahrnehmung
Rolle der Aufmerksamkeit, Emotionen
Gedächtnisabgleich > Langzeitspeicherung
Unbewusst vs bewusst ?
Merkmalsdetektion: neuronal Spezifität
z.B. Farbsehen
Modulärer Aufbau , Netzwerke
Brain mapping: fMRT, PET, 3D -EEG-ERP-LORETA
Spectral analysis
Source localize
• Prepulse detection
• P50, P300
PPI-EMG
EEG Recording
ICA
PPI/P50/P300-EEG/ERP
Clustering
Neurocognition
Subgroups by Attention-PPI-P50
PPI/H2O-PET
Vollenweider et al. 2006
Topographie und modulare Verarbeitung:
z.B. Farbe vs Schwarz-Weiss-Sehen
(beide)
Wo vs Was: Räumliche Ortung
ObjektKategorien vs
ObjetEigenschaften
Stirnhirn (Netzwerke)
Vom Merkmal zur Gestalt (binding)
Kanizsa Triangle Stimuli
Illusory
triangle
stimulus
Illusory
triangle
stimulus
Red line indicates response to non-triangle, black line is
response to triangle
1)V1/V2
2) Fro cx
3) back to V2
Komplexität der Bedeutung: Mooney Faces
Hintergrund
• Mooney Faces: Schwarz-weiss Zeichnungen
von Gesichtern mit „wenig“ Information (Mooney,
1955)
• Bei Drehung um 180° werden meist nur
unbedeutende schwarz-weiss Zeichnungen
wahrgenommen (Rodriguez et al. 1999).
Emotionale Valenz und Speicherung
Emotionale Reaktionen und Gedächnisbildung
Polymodal
Unimodal
sensory
association
Entorhinal
2
Primry
cortex
3
sensory
Hippocampus
1
Lateral nc
of Amygdala
4
Sensory
Emotional
Thalamus
responses
Behavioral
Basolateral
Emoti onaler
1 feature
2 objects
3 concepts
4 context
Autonomic
nucleus
Stimulus
Endocrine
Central
Basomedial
nucleus
nucleus
Gedächtnisbildung
Kurzzeit G. > Langzeit G.
Cortisol (Stress) verstärk LG
Emotionale Valenz und Belohnungssystem
Limbisches System (learning
( learning,, memory
memory,, emotion
emotion):
):
Nc.. Accumbens
Nc
Accumbens,, Amygdala
Amygdala,, Cingulum
Cingulum,, Thalamus ant.
Beziehung zu: Hippocampus - Parahippocampus
Frontalcortex,,
Frontalcortex
Hypothalamus
„top down“: Rolle der Aufmerksamkeit
Ist Aufmerksamkeit für die Wahrnehmung/Bewusstsein notwendig?
> ist für Wahrnehmnung nicht unbedingt notwendig (Modulation)
Erhöhte Aufmerksamkeit auf Stimulus
Distraktoren (Zahlenreihen)
hohe
Parallele Verarbeitung ist Begrenz
70
60
Global PPI
50
40
30
20
10
R= 0.54, p<0.05
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
RVP Total hits
Fehlerrate vs Ablenkung
22
24
26
28
niedrige
7 Kriterien für die bewusste Handlungsanweisung
auf eingehende Reize
Wahrnemung / Sinneseindrücke
Selektive Aufmerksamkeit (Modulation)
Arbeitsgedächtnis / Innere Bilder und Sprache
Lernfähigkeit, Bewertung (Interpret) > Speicherung
--------------------------------------------------------Neue Kombinationen erfassen
Monitor - Ich = freier Wille (umstritten)
Handlungsanweisung (Exekutive Funktionen)
„Wir haben nicht über alle Information die Oberhand“
„private“ Welten des Bewusstseins
Ereignisse
Fertigkeiten
Amygdala
Emotinale Reaktionen
Speicherung - Gedächtnisbildung: Long term
potentiation (LTP)
wiederholte Stimuli/hohe emotionale Bedeutung
Kandel 1998
(long term depression: LTD)
NMDA receptor complex
Glutamate/NMDA > LTP
> gene expresssion > >Spines, stukturelle Veränderung
Dopamine moduliert Glutamatwirkung (z.B. Stimulantien)
Modulation der Gedächtnisbildung
durch Dopamin und Endorphine
Beispiel: Opiate und Kokain
Veränderung der Genexpression (early genes: CREB, cFOS)
ist ein Charakteristikum hoch integrierter neuronaler Systeme
plastische Reaktion auf Umgebungsreiz: „Suchtgedächtnis“
Vernetzung von Belohnung und Gedächtnis
Limbisches System mit Amygdala (Emotionen)
Gedächtnissystem mit Hippocampus
Belohnungssystem (Endorphine : Rush, Euphorie, Dopamin: Motivation, craving)
Formen des Gedächnisses:
1) Nichtassoziatives Lernen: Sensibilisierung
wiederholte Drogenzufuhr
Droge wird attraktiver, verhaltensaktiver (z.B. motorische Aktivität)
Aktivität)
Bevorzugung wird zu Zwang (liking > wanting)
Verstärktes Attribuiieren von Bedeutung sowohl der Perzeption als auch der
Repräsentation mentaler Stimuli und deren Wirkungen
Sensibilisierung kann über Wochen/Monate ohne weitere Zufuhr anhalten
anhalten
Rückfall nach Abstinenz
2) Einfache Klassische Konditionierung
Neben Glutamat spielen auch Dopamin-, Serotonin- und Noradrenalin
eine wichtige Rolle
US: Unkonditionierter Stimulus (z.B. Lichtblitz/Drogenmilieu)
CS: Belohnung (z.B. Banane/Droge)
• Der Genuss (Banane/Droge_Euphorie)
ist jedoch nicht mit erhöhtem
DA gekoppelt,
sondern eher mit opioidergen und
serotonergen Prozessen
Schulz et al. 2001
DA--cell Aktivität
DA
• Naltrexon hemmt den Genuss/Euphorie)
3) Perceptual Prime (oder episodes Gedächnis)
Beispiel Kokain-Video)
Front of Brain
Amygdala
not lit up
Amygdala
activated
Back of Brain
Nature Video
Cocaine Video
Amygdalaaktivierung> emotionale Reaktion
NIMH
Beispiel „alcohol-cue“
erhöht Dopaminkonzentration im Striatum des Gehirn
> Motivation, Motorik > „wanting“
Braus et al 2001
mGluR: Glutamatrezeptoren in Stirnhirn
Einfluss auf LTP und LTD
vermehrte Glutamat Ausschüttung
über metabotrope mGLUII/III
(mindestens 12 metab. Rezeptoren)
Drogen
Nikotin
Naturstoffe
Cannabinoide
Muscimol
Opium
Mescalin
Morphin
Psilocybin
Heroin
Methadon
Codein
Alkohol
LSD
Ephedrin
MDMA, MDE
Amphetamin
Methamphetamin
Cocain
2-CB
GHB
Medikamente mit
Suchtpotential
Synthetische
(Designer) Drugs
Pethidin
Fentanyl
PCP
Ketamin
PUK-ZH
Drogen und Rezeptoren und Neurotransmitter
Opiate: agonists at mu, delta and kappa receptors > sec. dopamine
Cocaine: indirect agonists at dopamine receptors
Amphetamine indirect agonists at dopamine receptors
Ethanol: Facilitates GABA-A and inhibits NMDA glutamate receptor function
Nicotine: Agonist at nicotinic acetylcholine receptors > sec. DA release
Cannabinoids: Agonists CB1 and CB2 receptors
Phencyclidine: Antagonist at NMDA receptors
Hallucinogens: 5-HT2A receptors
Sensorische Reizfilterung
Amphetamine
Kokain
Opiate
Halluzinogene
Akut
Gedächtnisbildung
Vollenweider et al. 2006
90
80
70
60
RV P
Verschlechterung der
Aufmersamkeit
100
50
40
30
20
10
0
- 10
0
10
20
30
40
50
PPI
60
70
80
90
1 00
Zusammenfassung
Wahrnehmung: bewusst vs unbewusst
Reize und Stimuli aus der Umwelt
werden entschlüsselt, prozessiert und bewertet
Speicherung: wiederholte Reize, emotionale Bedeutung
Gedächtnis: neuronales Substrat (neue Netzwerke)
wichtige Botenstoffe dabei sind Dopamin, Endorphine und
Glutamat
Abhängigkeit: „falsches lernen“
Pulse
120
dB (A)
100
80
60
40
20
0
0
20 40 60 80 100 120
startle response
msec
Prepulse + Pulse
120
100
dB (A)
80
60
40
20
0
0
20 40 60 80 100 120
msec
Reduced response
Prepulse Inhibition (PPI-EMG):
Brainstem mediated sensory gating
measured by electromyographic recording.
gh
hi
g
ti n
ga
lo
w
g
ti n
ga
Pulse-Alone Condition
P50-Suppression (EEG-ERP):
Cortical mediated sensory gating
measured by electroencephalographic recording.
High P50-Suppression
Prepulse-Pulse Condition
Low P50-Suppression
Acoustic Evoked Brainstem Potentials (ABR):
Early Processing of auditory Information.
I & II: various sections (distal & proximal) of the 8th cranial nerve
III: cochlear nucleus (auditory pons)
IV: superior olivary complex, cochlear nucleus, lateral lemniscus
V: lateral lemniscus, inferior colliculus
VI & VII: thalamus (medial geniculate body)
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