2: Cognitive Neuroscience Flashcards
Was ist kognitive Neurowissenschaft?
Untersucht die physiologischen Grundlagen der
Kognition
Bsp: Gil trifft Mary im Park
Chemische Prozesse -> Aktivierung von Neuronen -> Aktivierung von Gehirnstrukturen -> Aktivierung von Gruppen von Gehirnstrukturen -> Wahrnehmung
Bsp: Gil erinnert sich an Mary
Chemische Prozesse -> Aktivierung von Neuronen -> Gehirnspeicher -> Aktivierung des Speichers -> Erinnerung
=> Mehrere Analyseebenen:
• “Behavioral”: Wahrnehmung und Erinnerung
• Physiologisch: Unterschiedliche Prozesse werden untersucht
-> Jede Sichtweise trägt mit eigener Information zum Gesamt-Puzzle bei
Was sind Neuronen?
• Neuronen sind spezialisierte Zellen, die Informationen im ZNS empfangen, verarbeiten und
weiterleiten
• Neuronen bestehen aus Dendriten, Zellkörper und
einem Axon (+Endknöpfchen)
-> Nervenzelle entscheidet: Gebe ich eine Information weiter? -> Das ermöglicht Kognition
Rezeptorzellen = Sonderform von Neuronen: Empfangen Signal und geben es weiter
-> entscheiden auch darüber, ob Signal weitergeleitet wird oder nicht
Entdeckung der Neurone
Frühe Einfärbungen und Abbildungen von Gehirn-Gewebe (19. Jh): Man konnte keine Zellkörper erkennen, hat daher angenommen dass es ein kontinuierliches Netz von Nervenbahnen gibt („nerve net“)
Golgi (ca. 1870) entwickelt Färbetechnik (Golgi Staining), die nur 1% der Zellen schwarz einfärbt
Ramon y Cajal erkennt Zellkörper, Dendriten und Axone; Beschreibt neuronale Netzwerke aus verbundenen Neuronen -> Nobelpreis 1906
Was passiert im Axon?
Ruhepotential: innen und außen unterschiedliche Konzentrationen der gleichen positiv (Na+, K+) und negativ (Cl-) geladenen Ionen
- > Inneres der Zelle hat negative Spannung (z.B. -70mV)
- > Zellmembran ist nicht permeabel, Ionenkanäle bei Ruhe geschlossen
Wenn Aktionspotenzial Schwelle übertritt:
Natrium (Na+) strömt ein -> Depolarisierung (wird weniger negativ = -40mV)
Nach AP: Kalium strömt aus (K+) -> Ladung in Faser wird wieder negativer => dadurch ist Ruhepotential (-70mV) irgendwann wieder hergestellt
Natrium-Kalium-Pumpe -> pumpt Natrium rein und Kalium raus, mehr positive Ladungen werden raus- als reingepumpt -> dadurch Spannungsdifferential. Dieser Prozess braucht Energie -> Zelle verbraucht Energie -> ATP-Verbrennung, Natrium-Kalium-ATPase
-> Einer der vielen Gründe, warum Gehirn viel Energie braucht. (Wenn keine Energie mehr da ist, könnte man nicht mehr denken.)
Auslösung eines Aktionspotenzials
Nur wenn Depolarisierung groß genug ist, wird
Aktionspotential ausgelöst:
• Beim Rezeptor: Stimulation muss Schwelle überschreiten
• Beim Neuron: Ein ankommendes Aktionspotential reicht im Normalfall nicht aus; Hinreichende Depolarisierung erfordert zeitliche oder
räumliche Summation
• Genau diese Eigenschaft von neuronaler Kommunikation ermöglicht die komplexen Funktionen des Gehirns und ist somit die Grundlage von Kognition!
Depolarisierung = exzitatorisch (+) -> nähert sich Schwelle Hyperpolarisierung = inhibitorisch (-) -> entfernt sich von Schwelle
Eigenschaften von Aktionspotentialen
• APs bewegen sich entlang des Axons
• Die Höhe der Depolarisierung ist konstant (= für einen Zelltyp -> für verschiedene Zelltypen unterschiedliche Höhe der Depolarisierung) und unabhängig von der Reizintensität
• Reizintensität wird in erhöhter Feuerungsrate
(mehr APs pro Zeitinheit) kodiert
• Refraktärphase von ca. 1ms
• Spontanaktivität ohne Stimulus: bedeutet: wenn keine Reize vorhanden, z.B. Augen zu und dunkel, dennoch Aktivität im Axon -> Körper kann dies als “nichts” einschätzen
Auf welchen Ebenen können Informationen im Gehirn repräsentiert werden?
Bsp: Gaby ist in Günthers Gehirn repräsentiert als:
• Abbild auf Retina
• Serie von Aktionspotentialen im Sehnerv
• Feuerungsmuster im primären visuellen Cortex
• Feuerungsmuster in höheren Arealen
=> Hierarchische Verarbeitung: Repräsentation wird immer komplexer abstrakter -> von direktem (umgekehrtem) Abbild auf Retina über Reaktion auf bestimmte Muster (feature detectors) bis zu komplexem Satz von Aktivierungen in neuronalen Netzwerken (sensory coding)
Verschiedene Theorien, wie Neuronen Informationen kodieren
(1) Repräsentation durch einzelne Neuronen
• Hubel & Wiesel (1960s): Feature detectors –
Neuronen, die auf einen bestimmten Reiz bzw. bestimmte Muster reagieren
(2) Sensory Coding:
• Gruppen von mehreren Neuronen kodieren
bestimmte Informationen
Feature detectors
Hubel und Wiesel (1960s): Neuronen im visuellen Cortex von Katzen, die spezifisch auf bestimmte Muster (z.B. schräger Balken) bzw. sogar bestimmte Bewegungen bestimmer Muster (z.B. schräger Balken, der sich nach rechts bewegt) reagieren
Gross et al. (1972): Neuronen im visuellen Cortex von Affen, die ebenfalls auf bestimmte Muster reagieren (z.B. auf Affenhand -> höchste Feuerungsrate; niedrigste bei Kreis, Rechteck)
Sensory Coding
- Specificity Coding: ein bestimmtes Neuron kodiert eine Information (“Großmutterzelle”)
- > Einwand: Man hat nicht genügend Neuronen, um jede Person, jeden Gegenstand etc. darzustellen - Population Coding: eine große Gruppe von Neuron kodiert eine Information
- Sparse Coding: eine kleine Gruppe von Neuron kodiert eine Information
- > Population und Sparse Coding im Prinzip dasselbe, aber: Kleine reagierende Gruppe macht spezifischeres Erkennen möglich
=> meistens sparse coding, evtl manchmal auch population coding
Neuropsychologie
Auswertung von Funktionsausfällen bei bestimmten
Läsionen
Beispiel Sprache:
• Läsion von Broca Areal: Beeinträchtigung der
Sprachproduktion (frontal: höhere Verarbeitung)
• Läsion von Wernicke Areal: Beeinträchtigung des
Sprachverständnisses (temporal: hören)
Verschiedene Lappen im Gehirn
Frontallappen: reagiert auf alle Sinne -> höhere Ebende der hierarchischen Verarbeitung
Temporallappen: Hören, auch: Geschmack und Geruch (seitlich an Ohren)
Parietallappen: Haut, sensomotorischer Cortex (oben)
Okzipitallappen: Sehen (hinten)
EEG
= Elektroenzephalographie
misst Spannungsveränderung -> vermutlich direktes Resultat von Aktionspotentialen
- Wichtige Methode der kognitiven Psychologie
- Vorteile: Zeitliche Auflösung
- Nachteile: Räumliche Zuordnung der Signale
MRT
= Magnetresonanztomographie (Engl. Magnetic Resonance Imaging: MRI)
• Messung von Durchblutung (indirekt, durch
Hämoglobin/Sauerstoffverbrauch)
• Wichtige Methode der kognitiven Psychologie: Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)
Aktivität bei Aufgabe - Aktivität bei Ruhe => Veränderung kann man interpretieren -> Farbliche Kodierung von
Ansteigen oder Absinken der relativen „Gehirnaktivität“ (des Sauerstoffverbrauchs)
• Einzelne “Punkte“ sind tatsächlich dreidimensionale Würfel, sog. Voxel
Vorteil: Aktivität spezifischer Areale bei spezifischen Aufgaben sichtbar machen
Nachteile:
- zeitliche Auflösung -> Aufgabe muss lang andauern, schneller Veränderungen können nicht erfasst werden -> dafür EEG benutzen
- Messen nicht Aktivierung von Nervenzellen (=Aktionspotentiale o.ä.) sondern nur Durchblutung, auch nur indirekt durch Sauerstoffverbrauch (Messung der Hämoglobinmoleküle in diesem Bereich)
Also: kein direktes Messen der Aktivität, aber ableitbar, denn: um Ruhepotentiale wiederherzustellen wird Energie benötigt
PET
Positronen-Emissions-Tomographie
• Injektion und Sichtbarmachung radioaktiver “Tracer” für bestimmte Funktionen, z.B. Glukose- oder Sauerstoffaufnahme
Spezifischere Messung unterschiedlicher Aktivitäten
Vorteil: Man kann aus großer Bandbreite von Tracern wählen und damit verschiedene Gehirnfunktionen untersuchen
Nachteil: Injektion -> nicht beliebig häufig anwendbar
In der Psychologie häufig Glukose als Tracer, da Glukoseverbrauch Indikator für Hirnaktivität
