Lernziele Vorlesung 3 PDF

Lernziele Vorlesung 3 Lernziele der 3. Vorlesung im Modul -0001 ü Verschiedene bildgebende Verfahren und deren Einsatzgebiete kennen ü Vor- und Nachteile der MRT, EEG, TMS Methodik ü Strategien zur motorischen Leistungssteigerung...

Lernziele Vorlesung 3 Lernziele der 3. Vorlesung im Modul -0001 ü Verschiedene bildgebende Verfahren und deren Einsatzgebiete kennen ü Vor- und Nachteile der MRT, EEG, TMS Methodik ü Strategien zur motorischen Leistungssteigerung ü Möglichkeiten der Neuromodulation mittels nicht-invasiver Hirnstimulation ü Faktoren die die Effektivität der Neuromodulation beeinflussen Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Das Konzept der „Neuroplastizität“ Was ist die neurophysiologische Grundlage für motorisches Lernen? Neuroplastizität (Konorski 1948, Hebb, 1949) Historische Sicht der Neuroplastizität über die Lebensspanne Neuronale Veränderungen Frühkindliche Entwicklung „hard-wired“ des Gehirns Alter Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Funktionelle Anpassungen des Gehirns: Beispiele Tiermodell Periphere Stimulation Jenkins et al., J Neurophysiol 1990 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Funktionelle Anpassungen des Gehirns: Beispiele Tiermodell Motorisches Lernen Nudo et al., J Neurosci 1996 durch Prof. Patrick Ragert, PhD Training wird das Gehim morganisiert BNW, Uni Leipzig Perspektiven beim Menschen Wie kann man motorisches Lernen beim Menschen untersuchen werden? Verhalten Hirnfunktion Hirnstruktur motorische Kontrolle/ fMRT, EEG, graue und weiße Lernen Hirnstimulation Substanz (MRT) Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Motorisches Lernen: Dem Gehirn beim Arbeiten zusehen Hirnfunktion fMRT, EEG, Hirnstimulation Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Motorisches Lernen: funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) Nicht-invasives, bildgebendes Verfahren um physiologische Funktionen des Gehirns darzustellen Starkes Magnetfeld! (1.5-7 Tesla, Erdmagnetfeld 48 μT), keine Röntgenstrahlung! Macht Durchblutungsveränderungen im Gehirn sichtbar (diese Korrelieren mit neuronaler Aktivität) Misst Veränderungen im Hämoglobin (oxy- zu desoxy-Hb), nicht neuronale Aktivität direkt! Simple motorische Aufgaben können im fMRT durchgeführt werden und statistisch gegen Ruhephasen verglichen werden Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Wie funktioniert die MRT? Innerhalb des MRT Geben schwache hochfrequente Radiowellen ab die von Bilder aus Birbaumer, Schmidt: Biologische Psychologie, Springer Verlag einem Empfänger (Spule) registriert werden Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig MRT Sicherheitsaspekte Starkes Magnetfeld! Keine Metallteile mit in den Scanner bringen! Werden durch magnetische Anziehung beschleunigt und können (schwere) Verletzungen hervorrufen! Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig MRT Sicherheitsaspekte Bevor eine MRT Untersuchung durchgeführt wird müssen die Probanden/ Patienten ein „Screening“ durchlaufen Keine Metallteile am/im Körper: v Herzschrittmacher v Metallimplantate (Cochlear Implantat) v Zahnimplantate (normale Füllungen ok) v Tattoos, Piercings v Clips (bei z.B. Schlaganfallpatienten) Schwangerschaft (Ausschluss durch Urin Test) MRT während Untersuchung sehr laut! Kopfhörer Beengte MRT Röhre (ca. 60 cm Durchmesser) kann Probandin mit Haarklammer. Links: mit Haar- zu Platzangst führen! klammer. Rechts: ohne Haarklammer Source: Jorge Jovicich Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Lernstudien: Lernbedingte Veränderungen des motorischen Systems Die Rolle des primären Motorkortex (M1) beim motorischem Lernen (Frühphase des Lernprozesses) 3 Wochen Training 8 Wochen nach Training Karni et al., Nature 1995 Karni et al., PNAS 1998 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig fMRT Diagnostik im Spitzensport: Beispiel einer „Einzelfallanalyse“ = braucht weniger neurorale Resourcen braucht nicht wenig. I Spanische 2. Liga Bewegung Fuß (nach rechts/ links)1Hz Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Motorisches Lernen: Elektroenzephalographie (EEG) Elektroenzephalographie (EEG) Nicht-invasives Verfahren zur (direkten) Messung von neuronaler Aktivität Misst summierte elektrische Aktivität durch Aufzeichnung von Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche (5-100 μV) Elektroden dienen als Ableitungsort Zu messen sind: u.a. Amplituden oder Hirnwellen in unterschiedliche Frequenzbereichen Spontane Hirnaktivität/ evozierte Potentiale (durch externe Stimuli) messbar Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig  Unterschiede in der Erregbarkeit des Somatosensorischen Systems (S1) bei Sportlern? SEP nach N. tibialis Stimulation SEP nach N. medianus Stimulation Tennisspieler Nicht-Sportler Fußballspieler Nicht-Sportler Murakami et al., Clin Neurophysiol 2008 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Nicht-invasive Hirnstimulation Verfahren zur Messung der Hirnaktivität im motorischen System Transkranielle Magnetstimulation (TMS) v „Transkraniell“: Durch die Schädeldecke hindurch v Nutzt das Prinzip der „elektromagnetischen Induktion“ kortikospinaler v Kann Hirnbereiche aktivieren (durch Auslösung von Aktionspotentialen) Trakt v TMS Effekte sind am Muskel über MEPs messbar! (Erregbarkeit vs. Inhibition) Rückenmark MEP (motorisch-evoziertes Potential) α- motoneuron Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Sicherheitsaspekte der nicht-invasiven Hirnstimulation Nicht-invasive Hirnstimulation ist nicht ohne Risiken für die Versuchsperson! Etablierte Sicherheitsrichtlinien (Wassermann, 1998) Update 2009 (Rossini et al. 2009) Risiko zur Auslösung eines epileptischen Anfalls besteht! (bislang 23 Fälle bei „Normalprobanden“) Andere Nebenwirkungen: v Synkope (Ohnmacht) v Schmerz (Kopfschmerz) v Hörbeeinträchtigung v Akute kognitive Veränderungen (Depression) v Hautverbrennungen ( insbesondere bei tDCS) v Langzeiteffekte unbekannt! Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Sicherheitsaspekte/ Kontraindikationen der nicht-invasiven Hirnstimulation Kontraindikationen v Epilepsie (auch in der Familie) v Metallteile/Clips nahe des Stimulationsortes v Implantierte Schrittmacher, biomedizinische Geräte (Cochlea Implantat, med. Pumpe) v Medikamente die zentralnervös Wirksam sind (z.B. Antidepressiva, Schmerzmittel etc.) v Neurologische Vorerkrankungen v Schwangerschaft v Schwere Kopfverletzungen Daher ist ein gründliches neurologisches Screening wichtig!!! Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Diagnostik trainingsbedingter Anpassungen der kortikospinalen Erregbarkeit Kartierung (Mapping) der kortikalen Hand Repräsentation in M1 5 Tage Training einer seriellen Reaktionszeitaufgabe (SRTT) Rechte (trainierte) Hand Linke (nicht trainierte) Hand Gruppe 1: Trainingsgruppe Gruppe 2: mentales Üben Pascual-Leone et al., Annu Rev Neurosci 2005 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Vor- und Nachteile der Untersuchungsmethoden Klausur ! Wann nehme ich welche Räumliche Auflösung= wo passiert etwas im Gehirn? fMRT Zeitliche Auflösung= wann passiert etwas im Gehirn? Sehr gute räumliche Auflösung (µm Bereich) Schlechte zeitliche Auflösung (Bereich von Sekunden) nicht genau sagen · kann wann EEG Geringe räumliche Auflösung (cm Bereich) Sehr gute zeitliche Auflösung (Bereich von ms) TMS Gute räumliche Auflösung (mm-cm Bereich) Sehr gute zeitliche Auflösung Ideal: Kombination von Techniken! (Bereich von ms) Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig  Motorisches Lernen und strukturelle Veränderungen des Gehirns Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Motorisches Lernen: Die Hirnstruktur verändert sich ständig! Hirnstruktur graue und weiße Substanz (MRT) Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Motorisches Lernen: Strukturelle Magnetresonanztomographie Strukturelle Magnetresonanztomographie (sMRT) Anatomische Bilder der grauen Substanz (Auflösung < 1mm) Fasertrakte (weiße Substanz) sichtbar machen Je höher die Feldstärke desto besser die räumliche Auflösung (Aufnahmen) sMRT als Diagnostik in der Klinik (Hirntumore, Bewegungserkrankungen, Schlaganfall etc.) Forschung: „Cross-sektionale“ Studien (Gruppenvergleich) ODER „Longitudinale“ Studien (Lernstudien) hier: sMRT vor/nach Lernen Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Unterschiede in der Hirnstruktur bei Experten: Musiker Vergleich zwischen Musikern und Nicht-Musikern Gaser et al., J Neurosci 2003 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Besonderheiten in Hirnmorphologie bei Leistungssportlern: Einzelfallanalysen Speerwurf Weitsprung ♂ 27 Jahre, ehem. deutscher Meister ♂ 30 Jahre, ehem. deutscher Vize-Meister ♂ 28 Jahre, PB > 7.9 m Unterschiede in der Hirnstruktur zwischen Leistungssportler und Nicht-Sportler? Taubert, Wenzel, Draganski, Kiebel, Ragert,Krug ,Villringer, PLoS One 2015 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Unterschiede in der Hirnstruktur bei Experten: Leistungssportler Speerwerfer (> 80 m) Weitspringer (>8 m) Weitspringer (>7.9 m) Speicherung y = 13 y = 11 y = 18 hochkomplexer Bewegung Striatum L R t t t 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 Speerwerfer (> 80 m) Weitspringer (> 8 m) Weitspringer (> 7.9 m) Signalstärke Striatum (graue Substanz) Taubert, Wenzel, Draganski, Kiebel, Ragert,Krug ,Villringer, PLoS One 2015 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig  Nature versus Nurture? (Anlage oder Umwelt) Sind die Unterschiede in der Hirnstruktur/ Hirnfunktion durch Training induziert oder waren die Unterschiede schon vorher da?! Antwort: Schwierig….ABER Trainingsstudien im Labor können helfen….. Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Lerninduzierte Veränderungen der Hirnstruktur I Veränderungen der grauen Substanz durch motorisches Lernen (pre- post Design) young adults old adults Intraparietal sulcus MT/V5 hippocampus 4 jugglers vs. controls [%] Grey matter change 3 2 1 0 nucleus scan1 scan2 scan3 accumbens 3 month juggling Draganski et al., Nature 2004 Boyke et al., J Neurosci 2008 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Lernbedingte Veränderungen der Hirnstruktur: Korrelation mit Verhalten 15 Min/Tag SPFT SPFT SPFT SPFT SPFT Sequentielle Pinch Force Aufgabe (SPFT) MRT Tag1 Tag2 Tag3 Tag4 Tag5 MRT 8 DLPFC 6 vPMC M1 T-score 4 2 0 T-Wert L R P A y=-24 y=49 120 100 Δ SPFT [%] 80 60 Lernrate korreliert mit 40 Hirnveränderungen! 20 0 85 90 95 100 105 110 115 96 98 100 102 104 106 108 110 112 96 98 100 102 104 106 -20 Δ M1links [%] Δ PMCrechts [%] Δ DLPFCrechts [%] Gryga, Taubert, Dukart, Vollmann, Conde, Sehm, Villringer, Ragert, Front Syst Neurosci 2012 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Individuelle Unterschiede in der Hirnstruktur vor dem Lernen: Bezug zur motorischen Leistung?! Sequenzieller pinch force task (SPFT) Können interindividuelle Unterschiede in der Hirnstruktur den Lernerfolg vorhersagen? FOR REF SPFT improvements day1-day5 [%] 120 10 100 8 Hirnstruktur vor dem Lernen sagt 80 6 strukturelle Neuroplastizität voraus 60 40 4 M1 mean crus2 20 2 VI vPMC 0 L R 0 y=-76 DLPFC -20 T-score Gryga, Taubert, Dukart, Vollmann, Conde, Sehm, Villringer, Ragert, Front Syst Neurosci 2012 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig  Kann die individuelle motorische Lernleistung weiter gesteigert werden? Beispiele von Intensivierungsstrategien Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Steigerung motorische Lernleistung: Lernen durch Beobachtung Intervention (20 min/Tag über 3 Tage) Vortest (pre) AO- Golf putting beobachten (Video) Nachtest (post) Golf putting Golf putting 1-5 m Distanz zum Loch 1-5 m Distanz zum Loch 45 Gruppenvergleich: 40 Variabler Fehler [cm] Beobachtung (AO) 35 Aktives Training (Golf putting) 30 Kontroll Gruppe 25 20 vorher nachher 1 Woche später Kim et al., J Applied Sci 2011 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Steigerung motorischer Leistung: Nicht invasive Hirnstimulation Transkranielle Gleichstromstimulation + (tDCS) schein anodale tDCS Sham tDCSM1 =keine Stimulation kathodale tDCS 35 * * * Verbesserung im SPFT [%] 30 25 20 15 Nitsche et al., J Physiol 2003, J Neurophysiol 2009 10 5 0 sham tDCSM1 tDCSpre-SMA tDCSSMA Vollmann, Conde, Sewerin, Taubert, Sehm, Witte, Villringer, Ragert, Brain Stimul 2012 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Nicht-invasive Hirnstimulation: mögliche Effekte Mögliche Effekte der nicht-invasiven Hirnstimulation (NIBS) auf Verhaltensebene bei jungen Erwachsenen meine angst NIBS kann: Motorisches Lernen steigern Aufmerksamkeitsprozesse steigern Kreativität steigern aufmerksamkeit Arbeitsgedächtnis steigern etc.... Kognitich fördern aus: Levasseur-Moreau et al. Frontiers in Human Neuroscience 2013 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig tDCS Applikation zur Optimierung motorischer Leistungsvoraussetzungen tDCS Effekte auf die Kraftausdauer tDCS Anode M1, tDCS Anode M1, Kathode Stirm Kathode Schulter Vergleichbare Effekte für Maximalkraft, Ausdauerleistungsfähigkeit Hirnstimulation weckt aktuell auch enormes Interesse im Bereich des Spitzensports Angius et al. Neuroscience 2016 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Positive Effekte der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) Effekt der tDCS auf die Absolutkraft (Maximalkraft) tDCS über dem kortikalen Beinareal in M1 Tanaka et al., Exp Brain Research 2009 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Positive Effekte der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) tDCS über dem Cerebellum und M1 (cross-over, doppel-blind Studie) Kenville et al., Brain Sci 2020 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Positive Effekte der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) tDCS über dem Cerebellum und M1 (cross-over study) Kenville et al., Brain Sci 2020 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Positive Effekte der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) Effekt der tDCS auf die Ausdauerleistung (sportlicher Kontext) Anodale tDCS über M1 Beinareal Ausdauerleistung um 15% gesteigert! 90 rpm +80% peak power (so lange wie möglich) Vitor-Costa et al., PLoS One 2015 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Positive Effekte der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) Effekt der tDCS auf komplexes motorisches Lernen Anodale tDCS über M1 Beinareal + Kaminski. Hoff, Villringer, Ragert Clin Neurophysiol 2016 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Einsatz der nicht-invasiven Hirnstimulation bei (neurologischen) Erkrankungen Positive Effekte der Hirnstimulation bei unterschiedlichen Krankheitsbildern v Parkinson‘s Disease v Tinnitus v Depression (FDA approved) v Drug Addiction v Dystonia Super, oder?! v Schizophrenia v Migraine (FDA approved) v Alzheimer‘s Disease NEIN, nicht wirklich…….. v Autism v Epilepsy Bislang nur klinische Studien v ADHD mit kleinen Fallzahlen v Dementia v Opsessive Compulsive Disorders Sehr variable Effekte mit v Chronic Pain Disorders meist „schwach“ signifikanten v Sleep disorders Ergebnissen v Multiple sclerosis v Chronic fatigue v ….etc. etc. jedes Jahr kommen neue positive Effekte bei anderen Patientengruppen hinzu!! Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Variabilität der nicht-invasiven Hirnstimulation Faktoren die die Effektivität der nicht-invasive Hirnstimulation beeinflussen können Interindividuelle Variabilität bezüglich der Sehr gut untersucht Effekte der + Steigerung Gut untersucht Hirnstimulation 50 Wenig untersucht 40 120 Young 30 100 Physically NMDAR- 20 very active AG Focussed DA-AG 80 Age ACh-AG 10 tDCS Effekte [%] Fitness % change Afternoon NE-AG Female (Aerobic Synaptic 60 Exercise) History * Time of 0 Gender Day 40 MW Sedentary Pharma -10 sedentary Morning Old Attention cology 20 Steigerung -20 Genetics 0 -30 NMDAR- BDNF SNP: Hemmung Distracted ANT Val66Met, -20 -40 GABAR- Met66Met AG -40 -50 - Inhibition adopted from Ridding and Ziemann, J Physiol 2010 Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig Zusammenfassung IV v Das Gehirn ändert beim Lernen seine Funktionsweise v Sequenzlernen führt zu erhöhter Hirnaktivität im motorischen System (innerhalb und zwischen Hemisphären) v Neben der Veränderung der Hirnfunktion kommt es auch zu lernbedingten strukturellen Veränderungen (auch nach kurzem Üben!) v Motorische Lernleistung kann („künstlich“) gesteigert werden (Beispiele: Lernen durch beobachten, Hirnstimulation) Prof. Patrick Ragert, PhD BNW, Uni Leipzig