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Das GehirnDas Gehirn

Einführung in die TerminologieHirnregionen

Cognitive Bodyspaces: Learning and Behavior

HirnregionenNeuronen

Neuronale Strukturen

http://www.neurovia.umn.edu/INC/images/brain.gif

ÜÜ

Hirnperspektiven

Hirnareale

Modulare Funktionalität

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0d/Brain_chrischan_600.gif

EINFÜHRUNGEINFÜHRUNG

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Das Gehirn Das Gehirn ‐‐ AnsichtenAnsichten

NeuroantomieNeuroantomie“oben “oben –– unten” , “vorne unten” , “vorne –– hinten”hinten”

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“oben / unten” , “vorne / hinten”“oben / unten” , “vorne / hinten”

• Im Gehirn:– Anterior (davor, 

Vorderseite, auch Frontal) / Posterior (dahinter, hinten)

– Dorsal / Ventral (zum Bauch hin)

– Medial (innen, mittig) / Lateral (außen)

• In der WirbelsäuleD l / V t l ( i– Dorsal / Ventral (wie ursprünglich)

– Caudal – zum Ende der Wirbelsäure hin – also zum Schwanz

SchnitteSchnitte

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Schnitte Durch das GehirnSchnitte Durch das Gehirn

• Schnitte:Schnitte: – Horizontal (ventral –dorsale Verschiebung)

– Sagittal (medial‐lateral Verschiebung)

– Coronal (Aneriore / t i V hi b )posteriore Verschiebung)

Ein Gehirn Ein Gehirn –– Laterale AnsichtLaterale Ansicht

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Hirngebiete Hirngebiete –– LateralansichtLateralansichtaus Biological aus Biological PsychologyPsychology, Rosenzweig, , Rosenzweig, BreedloveBreedlove, Watson (2005), Watson (2005)

Hirngebiete Hirngebiete –– Mediale Mediale SaggitalansichtSaggitalansichtaus Biological aus Biological PsychologyPsychology, Rosenzweig, , Rosenzweig, BreedloveBreedlove, Watson (2005), Watson (2005)

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Hirngebiete Hirngebiete –– Mediale Mediale SaggitalansichtSaggitalansicht

Hirngebiete Hirngebiete –– Basale (von unten) AnsichtBasale (von unten) Ansichtaus Biological aus Biological PsychologyPsychology, Rosenzweig, , Rosenzweig, BreedloveBreedlove, Watson (2005), Watson (2005)

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GroßhirnhälftenGroßhirnhälften

Gehirn Gehirn –– Koronale AnsichtKoronale Ansicht

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Gehirn Gehirn –– KoronalerKoronaler Schnitt Schnitt ((MedialMedial‐‐PosteriorPosterior))

httphttp://de.wikibooks.org/wiki/Neuroanatomie:_Grobaufbau_des_Gehirns://de.wikibooks.org/wiki/Neuroanatomie:_Grobaufbau_des_Gehirns

1. Cerebrum2. Thalamus3. Mesencephalon ‐Midbrain4. Pons5. Medulla oblongata6. Medulla spinalis ‐ Spinal chord

1. Medulla spinalis2. Decussatio pyramidum3. Hilum nuclei olivaris inferioris4. Nucleus olivaris inferior5. Pons6. Arteria cerebri posterior (?)7 (Tractus cerebellorubralis)

8. Nucleus ruber9. Ventriculus tertius10. Thalamus11. Capsula interna12. Putamen13. Capsula interna / Claustrum / 

Capsula extrema

14. Nucleus caudatus (Corpus)15. Stria terminalis et Vena 

thalamostriata superior16. Lamina affixa / Ventriculus 

lateralis, Pars centralis17. Taenia choroidea / Plexus 

choroideus ventriculi

Gehirn Gehirn –– Koronaler Schnitt (MedialKoronaler Schnitt (Medial‐‐Posterior)Posterior)

7. (Tractus cerebellorubralis) Capsula extrema choroideus ventriculi lateralis

18. Fornix, Crus19. Corpus callosum, Truncus20. Gyrus cinguli21. Fissura longitudinalis 

cerebri22. Gyrus frontalis superior (?)23. Insula24. Sulcus lateralis25. Ventriculus lateralis, Cornu 

temporale26. Hippocampus27. Gyrus parahippocampalis28. Crus cerebri29. Substantia nigra

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Evolutionäre Evolutionäre EntwicklungEntwicklung

EndhirnTelencephalonGroßhirn (Cortex)

ZwischenhirnDiencephalon

MittelhirnMesencephalon

HinterhirnMetencephalonMetencephalonBrücke+ Kleinhirn

NachhirnMyelencephalonVerlängertes Mark

Gehirnentwicklung 1. MonatGehirnentwicklung 1. Monat((aus aus http://ebn24.com/?http://ebn24.com/?page=59&kapitel=61page=59&kapitel=61 ))

• 25 Tage:– Neuralrohr

• Gebildete Neuronen wandern zu ihrem Bestimmungsort

• 40 Tage:– Grundstruktur 

vorhanden:Groß‐Groß , Zwischen‐,Mittel‐,Hinterhirn,Rückenmark

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GehirnentwicklungGehirnentwicklung2. Teil2. Teil(aus http://ebn24.com/?page=59&kapitel=61 )(aus http://ebn24.com/?page=59&kapitel=61 )

• 50 Tage: − Telencephalon, 

DiencephalonDiencephalon

• 100 Tage: − Cerebral Hemisphere

• 4.‐6. Monat: − Strukturierung des 

Grosshirns, Grundaufteilung

− Feinstrukturierung des Kl i hi d dKleinhirns und anderer

• 5.‐9. Monat:− Starkte Faltenbildung im 

Grosshirn

Gehirnteilgebiete Gehirnteilgebiete –– ÜberblickÜberblick(aus (aus Biological Biological PsychologyPsychology, Rosenzweig, , Rosenzweig, BreedloveBreedlove, Watson (2005, Watson (2005) )) )

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HirnteilstrukturenHirnteilstrukturen• Telencephalon (medial + ventral)

– Basal Ganglia (Zentralganglien)• Aufgaben: Unterstützung der 

motorischen Kontrolle

– Limbisches System(unter Anderen)

Hi k & F i L &• Hippokampus & Fornix: Lernen & Episodisches Gedächtnis

• Amygdala, Olfactory Bulb: Emotionen & Geruch

• Diencephalon– Thalamus

• Viele Kerne• Kontrollzentrum aller eingehenden 

sensorischen Infos (außer Geruch)– Hypothalamus

Vi l N l i (K )

• Medulla– Körperfunktionskontrolle– Übergang zum Rückenmark

• Kleinhirn (Cerebellum)– Sehr klare drei‐schichtige Struktur– Purkinje Zellen– Körnerzellen (Granule cells)

Verdrahtet über die Brücke (Pons) zum Rest• Viele Nuclei (Kerne)• Aufrechterhaltung der 

Köperfunktionen (Herz, etc.)

• Mesencephalon– Superior Colliculus: Visuelle 

Kontrolle– Inferior Colliculus: Auditive Kontrolle– Ältere Kontrollsysteme

– Verdrahtet über die Brücke (Pons) zum Rest– Automatisierung und Stabilisierung der 

Verhaltenskontrolle

• Cerebral Cortex (Telencephalon, dorsal)– Meist sechs‐Schichtige Struktur (isocortex)– Kolumnare Struktur– Pyramidenzellen

TelencephalonTelencephalon ((GrosshirnGrosshirn): ): GenauereGenauere EinteilungenEinteilungen

• Frontal lobe– Precentral gyrus (Primary motor cortex, 4) – Superior frontal gyrus/Frontal eye fields (6, 8, 9), Middle frontal gyrus (46), 

Inferior frontal gyrus/Broca's area (44‐Pars opercularis, 45‐Pars triangularis)– Orbitofrontal cortex (10, 11, 12, 47)– Prefrontal cortex, Premotor cortex– Precentral sulcus ‐ Superior frontal sulcus ‐ Inferior frontal sulcus ‐ Olfactory sulcus

• Parietal lobe• Parietal lobe– Somatosensory cortex (Primary (1, 2, 3, 43), Secondary (5)), 

Precuneus (7m) ‐ Parietal operculum– Parietal lobules (Superior (7l), Inferior (40)), Angular gyrus (39)– Intraparietal sulcus, Marginal sulcus

• Occipital lobe– Primary visual cortex (17), (Cuneus, Lingual gyrus, Lateral occipital gyrus (18, 19))– Calcarine fissure

• Temporal lobe– Primary auditory cortex (41, 42), Superior temporal gyrus (38, 22/Wernicke's area), Middle temporal gyrus (21), 

Inferior temporal gyrus (20)– Fusiform gyrus (37) Medial temporal lobe (Amygdala, Parahippocampal gyrus (27, 28, 34, 35, 36)Fusiform gyrus (37) Medial temporal lobe (Amygdala, Parahippocampal gyrus ( 7, 8, 34, 35, 36)

• Cingulate cortex/gyrus– Subgenual area (25), Anterior cingulate (24, 32, 33), Posterior cingulate (23, 31), Retrosplenial cortex (26, 29, 30)

Callosal sulcus• Interlobar sulci/fissures

– lateral: Central (frontal+parietal), Lateral (frontal+parietal+temporal), Parietoöccipital– medial:Medial longitudinal, Cingulate (frontal+cingulate), Collateral (temporal+occipital)

• White matter tracts– Commissural fibers ‐ Association fibers Internal capsule (Anterior limb, Genu, Posterior limb), Corona radiata, 

External capsule, Lamina terminalis, Extreme capsule, Semioval center– Olfactory tract, Terminal stria

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VerarbeitungslokalisationVerarbeitungslokalisation

Ganz Grobe Funktionale VerteilungGanz Grobe Funktionale Verteilung(nach Nichols & (nach Nichols & NewsomeNewsome (1999), Nature, 402)(1999), Nature, 402)

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Neuronentypen

Synapsen & Informationsweiterleitung

Bildgebende Verfahren

INFORMATIONSINFORMATIONS‐‐ÜBERTRAGUNGÜBERTRAGUNG

Neuronenarten & Andere ZellenNeuronenarten & Andere Zellen• Morphologie der Zelle

– Unipolar– Bipolarp– Multipolar

• Funktionelle Unterscheidung– Sensorische Neuronen (afferente 

Neuronen)– Motorische Neuronen– Interneuronen

• Lokal oder Intersegmental– Pyramidenzellen, Körnerzellen, 

Sternzellen, etc.• Gliazellen

– Schwannzellen (zur Myelenisierung)

– Andere mit vielen Funktionen– Feuerrythmuskontrolle (?)

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NeuronenformenNeuronenformen

http://www.mind.ilstu.edu/curriculum/neurons_intro/neurons_intro.php

Neuronen: Struktur und AktivitätenNeuronen: Struktur und Aktivitäten

• Zellkörper mit Dendriten– Zellmembranen‐potential

D l i ti d h Sti l ti– Depolarisation durch Stimulation• Exzitation• Inhibition

• Axon– Axonhügel als Schranke– Leitet Aktionspotentiale weiter– Spezialisiert für verlustfreie Weiterleitung

M li hi h b hl i di– Myelinschicht beschleunigt die Weiterleitung

• Synapsenkontakte– Zu anderen Neuronen (deren Dendriten)– Muskeln und andere Zellen

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(aus Biological Psychology, Rosenzweig, Breedlove, Watson (2005) )

InformationsweiterleitungInformationsweiterleitung• Neuron hat bis zu 10.000 

Synapsen

S• Synapse– Spalt zwischen Axon & 

Dendrit– Aktionspotential löst 

Ausschüttung von Transmittern (Botenstoffen) aus

– Rezeptor nimmt bestimmte Botenstoffe nach Schlüssel‐Botenstoffe nach SchlüsselSchloss Prinzip auf

– Resultierende Stimulation oder Inhibition wird an der Membrane zum Axon weitergeleitet

– Enzyme trennen angedockte Transmitter

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(aus Biological Psychology, Rosenzweig, Breedlove, Watson (2005) )

AktionspotentialAktionspotential

• Schwellenwert kontrolliert Aktionspotentialauslösungp g– Anionen und Kationen 

innerhalb und außerhalb des Axons

– Natrium‐Kalium‐Pumpe zur Aufrechterhaltung des Potentials

• Nächste Synapse• Nächste Synapse– Auslösung der 

Neurotransmitter‐ausschüttung

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VisualisierungsmethodenVisualisierungsmethoden

• Elektrische Zellenaktivität– EEG – Elektroenzephalogramm

• Auflösung: Zeitlich: Millisekunden, Räumlich ~1cm2

• Sauerstoffkonzentration– PET – Positron Emission Tomography– fMRI – functional Magnetic Resonance Imaging 

(Magnetresonanztomographie  ‐ fMRT)• Auflösung: Zeitlich: Sekunden, Räumlich: ~2mm3

• Mikroelektroden (Aktivität einzelner Zellen, invasiv)( , )– Einzelne Neuronen (~.01mm3 ‐ .1mm3) oder Neuronencluster

(cortical columns, <0.1mm3)– Multiple Electrodemicrodrive Array (~200 Zellen in einer 

Teilstruktur <1mm3 ) 

Schichtenaufbau des Klein‐ und Großhirns

Kortikale Säulen

Repräsentationshomunculi

STRUKTURENSTRUKTUREN

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Kleinhirn Kleinhirn –– CerebellumCerebellumRegelmässiger Aufbau:Drei Schichten

Purkinje‐ und Körnerzellen:Santiago Ramón y Cajal (May 1, 1852 – October 17, 1934) 

Schichten in der Schichten in der GroßhirnrindeGroßhirnrinde

• Lamina I (Stratum moleculare):– Zellärmster Teil– Entsteht zu erst – Zellen sterben (Programmierter 

Zelltod)• Lamina II (Stratum granulosum externum): 

– Kleinere bedornte Sternzellen.• Lamina III (Stratum pyramidale externum): 

– Kleinere Pyramidenzellen, • Lamina IV (Stratum granulosum internum)

– Primärafferente bedornte Sternzellen (erhalten Projektionen aus anderen Hirnarealen)

– In der Hör‐, Seh‐ und sensiblen Rinde besonders groß– Fehlt fast völlig in motorischen ArealenFehlt fast völlig in motorischen Arealen

• Lamina V (Stratum pyramidale internum)– Große Pyramidenzellen zur Projektion aus der Rinde– Im Motorkortex besonders groß

• Lamina VI (Stratum multiforme): – Verschiedene Pyramiden‐ und bedornte Sternzellen– Interneurone.

• White Matter

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Clevere HautsensorikClevere Hautsensorik

CortikaleCortikale Säulen Säulen ((CorticalCortical Columns)Columns)

• Zu erst von Vernon B. Mountcastle, in 1950s identifiziert.

• Säulen mit etwa .2‐.8mm Durchmesser mit jeweils anderen Rezeptiven Feldern

• Darin 50‐100 Minisäulen (minicolumns) mit 80‐120 Neuronen (~.04mm)– Identische Rezeptive Felder– Andere Eigenschaften der Felder

• Hubel & Wiesel (1977)Hubel & Wiesel (1977) identifizierten funktionale Organisation im Visuellen Cortex– Einfache Zellen 

(Kantenorientierungen)– Komplexe Zellen (Kantenbewegungen)

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HomunculiHomunculiPrimärer Motorcortex Somatosensorischer Cortex

PhantomPhantom‐‐GliedmaßenGliedmaßen

Mehr Info: Ramachandran & Blakeslee (1998). Phantoms in the Brain: Probing the Mysteries of the Human Mind. 

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Visueller Pfad

Vom Sehen zum Greifen

VERARBEITUNGSPFADEVERARBEITUNGSPFADE

Visueller Verarbeitungspfad IVisueller Verarbeitungspfad I

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Visueller Verarbeitungspfad IIVisueller Verarbeitungspfad II

Dorsale & Ventrale Visuelle Dorsale & Ventrale Visuelle VerarbeitungspfadeVerarbeitungspfade

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Vom Sehen Zum Greifen Vom Sehen Zum Greifen (stark vereinfacht und alles eher bidirektional)(stark vereinfacht und alles eher bidirektional)

• Visuelle Vorverarbeitung– Retina– Lateral Geniculare Nucleus (LGN)

Z V1– Zu V1• Visuelle Analyse

– V1, V2– V4 (was ist es)– S2 (wo und wie liegt es relativ zu mir)

• Objekterkennung– Inferiore Temporallappen– Was ist das Objekt wirklich?

• Greifentscheidung– Präfrontaler CortexPräfrontaler Cortex– Lohnt es sich, dorthin zu greifen?

• Motorischer Cortex– OK – ich greife… – Wie mache ich das am Besten?

• Bewegungsausführung und Kontrolle– Rückenmark, Zerebellum und andere 

Stationen dazwischen– Muskelkontrolle

ZusammenfassungZusammenfassung

• Wie sieht das Gehirn aus– Ansichten und Schnitte

Ab h i F l P i l O i l T l– Abschnitte – Frontal, Parietal, Occipetal, Temporal– Module und Funktionalitäten

• Wie funktionieren Neuronen– Neuronenaufbau– Informationsübertragung mit Aktionspotential und neuronale 

Botenstoffe– Neuronentypen und –strukturen– Bildgebende Verfahren

• Gehirnstrukturen– Regelmäßiger Schichtenaufbau der Großhirnrinde und des Kleinhirns– Kortikale Säulen (cortical columns)– Homunculi

• Verarbeitungspfade: visuelle bis motorische (stark vereinfacht)