mysl jako fyziologické psychologie i „mozek v informačním...
TRANSCRIPT
1
Fyziologické psychologie IInformačni processing, zobrazení mozku a modely
nemocné (i zdravé) mysli.
Psychiatrické centrum Praha
Centrum neuropsychiatrických studií
3. LF UK Praha
Podporováno grantem IGA MZ ČR a CNS LN00B122 MŠMT ČR
Mysl jako„Mozek v informačním toku“
Metaphora:
VýstupMotorická nebo kognitivní
odpověď
Reprezentace a operantní funkce
Zpracování informace na úrovni neuronuZpracování informace na úrovni neuronuNeuron:
- pomalý (1-2 ms), časté chyby- S:R=10000:1
- informace na synapsi= Xn.Wn
- zpracování informacev neuronu
= porovnání vážené hodnoty vstupus prahovou hodnotoupro výstup
- paralelní
HebbovaHebbova neuronální síť (1949)neuronální síť (1949)
A B CInput Output Input Output Input Output
1.5
1.5
1.5
1
-11
0.6
0.6
0.6
-0.5
2
-0.5
(Kandel ER, 1989.)
Mechanismy evoluce N.S.:
1. Koincidence vstupů
2.Posílení synaptického přenosu
3.Remodelace synapsí
1.5
1.5
1.5
1
-110.6
0.60.6-0.5
2
-0.5 (D. Hebb, 1949)
Od neuronu k mentálnímu stavu Paralelně distribuované sítě
Informační processing
Rozpoznání = aktivační vzorec na vstupní vrstvě odpovídá známému aktivačnímu vzorci na vrstvě výstupní (zpracování je paralelní, t = 1-2 ms)
Porovnání
výstupní vstupní vrstva
1.5
1.5
1.5
1-11
0.60.6
0.6-0.5
2-0.5
2
Mozek a teorie skrytých vrstev
Input
107
Output
107Neurony 2x1010
Nauta a Freitag, 1990
0.1 % přímé spojení s Input-Output
Proč jich je tolik?
Jones a Hoskins, 1987
Velké oči
Vrásky
↓
Dotknout se
Políbit na líce
Nabídnout jídlo
Velké uši
Mužnost
Přátelskost
↓
Dotknout se
Flirtovat
Nabídnout jídlo
Velké zuby
Velké uši
Velké oči
↓
Utíkat
Křičet
Hledat myslivce
Červená Karkulka
.
.
Velké uši
Velké zuby
Přátelskost
Vrásky
Mužnost
Velké oči
Utíkat !
Hledat myslivce !
Políbit na tvář !
Dotknout se !
Nabídnout jídlo !
Křičet !
Flirtovat !
Jones a Hoskins, 1987
Dvojvrstevná neuronální síť
Modelování „funkce“ Červené Karkulky
84 spojení
Velké uši
Velké zuby
Přátelskost
Vrásky
Mužnost
Velké oči
Utíkat !
Hledat myslivce !
Políbit na tvář !
Dotknout se !
Nabídnout jídlo !
Křičet !
Flirtovat !
(Jones a Hoskins, 1987
Crick 1989)
Trojvrstevná neuronální síť
↑ efektivní (generalizace obecných aspektů)
↑ ekonomické (šetří spojení)
39 spojení
Skrytá vrstvaSkrytá vrstvaSkrytá vrstva
Červená Karkulka
.
. Kortiko-kortikální spojení
(Mumford, 1992)
I.
II.
III.
IV.
VI.
V.
I.
II.
III.
IV.
VI.
V.
Vstupní vrstva Vstupní vrstva Vstupní vrstva Výstupní vrstva Výstupní vrstva Výstupní vrstva
ThalamusThalamusThalamus
3
Evoluce neuronálních sítí(Edeleman, 1993)
Zkušenostní selekce
Sekundární repertoár
Skupiny neuronů: nezávislé, integrované, přesahující se, dosažitelné různými cestami
Mechanismy evoluce N.S.:
1. Koincidence vstupů
2.Posílení synaptickéhopřenosu
3.Remodelace synapsí
Vývojová selekce
Primární repertoár
VSTUPY
Redukce synaptické konektivity
VSTUPY
Fyziologický vývoji: redukce synaptickédenzity na 60%
(Huttenlocher, 1976)
Zkušenost → eliminace slabších spojení (Murphy, 1998)
V dospělosti je každé nové spojení je kompenzováno stejnou synaptickou eliminací
UCLA School of Medicine
Vývoj mozku Metabolismus a synaptické prořezávání
Frontální a prefrontální kortex
•fylogeneticky i ontogeneticky•nejmladší část neokortexu•nejpozději myelinizuje
Hierarchické uspořádání
primární motorická kůra-reprezentace a řízení elementárních pohybů
premotorická kůra-zprostředkuje komplexní pohyby (cíl a trasa)
prefrontální kortex (asociační oblast frontálního laloku)
Funkce prefrontálního kortexu
B) operantní funkce↓
Aktivace schématkomplexní stimul (gestalt)
↓komplexní odpověď “nyní to, potom to a jestliže předtím tamto, tak nyní toto”
Schémata –formování (zapojování) neuronálních sítí 1.časová koincidence vstupů2. modulace synapse3.zesílení jejich mohutnosti
A) reprezentační funkce
č e rv e n á ž lu tá
z e le n á m o d rá
m o d rá č e rv e n á
č e rv e n á ž lu tá
č e rv e n á č e rv e n á
m o d rá
m o d rá če rv e n á
ž lu tá če rv e n á m o d rá če rv e n á
z e le n á
ž lu tá
z e le n á
Stroopův testSlovo versus barva
Horáček,2001
4
zelená červená žlutá m odrá
m odrá zelená červená červená
žlutá červená m odrá červená
žlutá m odrá žlutá červená
m odrá m odrá žlutá červená
červená m odrá červená m odrá
Stroopův testSlovo versus barva
Horáček,2001
Stroopův testStroopův testPozornost a exekutivní funkce
Kongruentní stim.:červená žlutá modrá zelená žlutá modrá červená
Anter. cingulum
N. accumbens
RL Gl. Pallidus
MD talamus
Premotor. ctx (SMA)
Putamen
DL G. Pallidus
VL,VA, CM talamus
PCP a odd. MR IKEM, 1999Iniciace Inhibice
Blumer a Benson, 1975
Inkongruentní stim.:žlutá modrá zelená červená žlutá modrá zelená
Verbální Verbální fluencefluenceSpontánní tvorba slov podle určitého pravidla (např. první písmeno)
G. FS
L.PS
G.C
G. FM
G. FI
G. TS
(PCP a odd. MR IKEM, J.Horáček a J.Tintěra, 2000)
Schizofrenie:
Snížení synaptickékonektivity
MRI: Monozygotic twins discordant for schizophrenia
(Španiel and Hájek, Prague Psychiatric Center, 2000)
18FDG PET odráží bazální metabolismus mozku: synaptickou denzitu a aktivitu
fMR odráží míru aktivace mozku při úkolu
% prořezaných synapsí
Počet detekovaných slov
Spontánní halucinování v tichu
Processing
„externí“ řeči
80%40%
90%
60%
30%
Efekt synaptického prořezání na halucinace
Počítačový model (Hoffman a McGlashan, 1997)Pozitivní příznaky, Ralph Hoffman (1987,1995)
16 let-axonální prořezání-fixace zkušenosti
Excesivní axonální prořezání (SCH)
Není možný update sítě
Autonomní fungování sítě
není kontrolována vstupy
Parasitické fokusy
vč. amalgamace atraktorů
5
Role monoaminů v neuromodulaci
Modulace korového zpracování informací (Glu a GABA)
Ovlivnění poměru:
Signál/šum
DopaminSerotoninNoradrenalin
Interakce 5Interakce 5--HT, D a HT, D a GluGlu
Substantia Nigra
A9
Ventrální tegmentum
A10
STRIATUMLimbickýsystém
PFC
— 5-HT
— D
— Glu
— GABA
Mediální
Raphe
Dorzální
Raphe
Ereshfski, 1999
Role dopaminu ve zpracování informací (signál/šum)
Hypodopaminergní stav
PFCHyperdopaminergní
stav
Nc.Acc.
Cíl terapie:
zvýšit D snížit D
(Spitzer, 1995)
SebeorganizujícíSebeorganizující KohonenovaKohonenova síť a bludysíť a bludy(Spitzer, 1995)
Každý neuron vstupní vrstvy je spojený s každýmneuronem vrstvy výstupní a naopak
T. Kohonen
SebeorganizujícíSebeorganizující KohonenovaKohonenova síť a bludysíť a bludy
Excitační spojenís blízkými
a inhibiční spojení se vzdálenými
neurony výstupní vrstvy
Dopamin zesiluje silný signál a oslabuje slabý
signál
(Spitzer, 1995)
SebeorganizujícíSebeorganizující KohonenovaKohonenova síť a bludysíť a bludy
Excitační spojenís blízkými
a inhibiční spojení se vzdálenými
neurony výstupní vrstvy
Dopamin zesiluje silný signál a oslabuje slabý
signál
(Spitzer, 1995)
Role dopaminu ve zpracování informací (signál/šum)
Hypodopaminergní stav
PFCHyperdopaminergní
stav
Nc.Acc.
Cíl terapie:
zvýšit D snížit D
(Spitzer, 1995)
6
Aktivace sémantických map
Dopamin
↓ DopaminuPorucha konitivních funkcí
Spitzer, 1999 p=0.001
Kopie
Reprodukce po 3 min.
1818FDG PETFDG PET a Rey-Osterrieth Complexní Figura
Prefrontální kůra
Amygdala
Přední cigulum
Hipokampus18FDG PET: schizofrenie (N=48) vs. zdravé kontroly (N=17)
(Horáček, Kopeček, PCP, CNS,2002)
DopaminSerotonin
Noradrenalin
MetodikafMRI: Vision 1.5T (G=25 mT/m, SR=125mT/m/ms), GE EPI sequence: TE = 54ms, TR = 4s, FA = 90°, FOV=230mm, MA:128x128, 24 slices, slice thk = 4mm, voxel size: 1.8x1.8x4mm.
Epoch related potentials
128 images = 4 x (8 rest / 8 stim)
total time: 5 min
Kognitivní aktivace:
1. Stroop test
2. Verbal fluene (F, A, S; CZ verze: N, K, P)
18FDG PET: schizofrenie (N=48) vs. zdravé kontroly (N=17)
p=0.05 s Bohnferonniho korekcí
Animální model SCH a účinku farmak
0min 60 min 120 min 215 min
Lokomoční aktivitaEthoVision (Noldus)aréna (68 cm x 68 cm x 30 cm). Pozorování 90 min.
MK-801HaloperidolTrp-Trp-/hal/MK-801
MK-801HaloperidolWaterWater/hal/MK-801
MK-801-Trp-Trp-/MK-801
MK-801-WaterWater/MK-801
Saline-Trp-Trp-/saline
Saline-WaterWater/saline
i.ps.c.p.o.groups video tracking (90 min)
Stanovení tryptofanu v plazmě
HPLC
Statistická analýza:
Shapiro-Wilkov testt-test
7
VýsledkyWater/saline Trp-/saline
Trp-/MK-801Water/MK-801
TRP-/hal/MK-801Water/hal/MK-801
VýsledkyVliv TRP deplece na celkovou dráhu modelové psychózy
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
trp-/M
K-801
water/M
K-801
trp-/h
al/MK-80
1
water/h
al/MK-80
1
trp-/N
aCl
water/N
aCl
******
n.s.
***
**
**
Celková dráha v cm/90 min *** p<0,001; ** p<0,01.
MetodikaDiagnóza schizofrenie ICD 10)PET vyšetření7.30 18FDG i.v. (3 MBq/kg)
30 min. v klidu ve zšeřelé místnosti
REST - Random Episodic Silent Thinking (Andreasen et al.,1995).
PANSS, CGI, kognitivní testy: ±1 day• PET skener• CTI/Siemens (Knoxville,TN), model ECAT EXACT 922• Space discrimination 6,8 mm
•Data a statistické hodnocení:• Statistical Parametric Mapping (SPM99)• Preprocessing: Normalization, Smoothing •Group GLM statistics: T-test and regression, Bohnferroni correction• Rendering for presentation
18FDG PET: schizofrenie (N=48) vs. zdravé kontroly (N=17)
p=0.05 s Bohnferonniho korekcí
Rey-Osterrieth Complex FigureKopie
Rey-Osterrieth Complex FigureReprodukce (3 min.)
8
Přední cingulum
GLU z amygdaly
GLU z amygdaly
Dopamin Dopamin
Norma Schizofrenie
Benes, 1999
Semantické mapy a neuronální sítě
↑ Dopamin
↓ DopaminCognitive dysfunction
inhibitory 5-HT2 R
DA
5-HT
Tryptophan depletion
↓↓↓ 5-HT
Verbal fluencytest
Semantická síť
VerbVerbáállníní fluencfluencee
G. FS
L.PS
G.C
G. FM
G. FI
G. TS
(PCP a odd. MR IKEM, J.Horáček a J.Tintěra, 2000)
Person No. 10Tryptophan - Tryptophan +
Stroop test: korelace mezi TRP hladinou a fMR aktivací a efektem skupiny
9
Stroop test: korelace mezi TRP hladinou a fMR aktivací a efektem skupinyTest verbální fluence: korelace mezi hladinou TRP a fMR aktivac
Test verbální fluence: korelace mezi hladinou TRP a fMR aktivac Závěr
Neurotransmise:Neuronální sítě→ reprezentace reality
Neuromodulace:Signál/šum → diskriminace důležitého od nedůležitého
Závěr I.
↓ aktivity PFC - defekt v operantnícha reprezentačních funkcích
↑ aktivity ant. Cingula, amygdaly, hipokampu = psychoza
Cerebellum - ?? Sekvencováníkognitivních procesů
Závěr I.
↓ aktivity PFC - defekt v operantnícha reprezentačních funkcích
↑ aktivity ant. Cingula, amygdaly, hipokampu = psychoza
Cerebellum - ?? Sekvencováníkognitivních procesů
10
Závěr II. ↑ Dopamin
inhibitory 5-HT2 R
DA
5-HT
Tryptophan depletion
↓↓↓ 5-HT
TRP deplece zvyšuje aktivaci oblastí FC
Role 5-HT v ovlivnění informačního processingu
Role 5-HT v mechanismu atypických antipsychotik (??)
Dopaminergní hypofunkce v prefrontální kůře
• negativní příznaky(Davis a kol., 1991, Weinberger a Lipska, 1995)
• kognitivní dysfunke u SCH(Sawaguchi a Goldman-Rakic, 1991)
• 5-HT2/D2 antagonisté - ↑negativní příznaky(Kane a kol., 1988, Chouinard a kol., 1993, Meltzer,1995, Tollefson a Sanger, 1997, ….)
• 5-HT2/D2 antagonisté - ↑kognitivní dysfunkce(Haggar a kol., 1993, Green,1997)
Berman,1992
ZávěrSchizofrenieSchizofrenie:: funkční zobrazení funkční zobrazení
kognitivního deficitukognitivního deficituSchizofrenie → deficit informačního processingu
(signál/šum)Týká se všech kognitivních funkcí
Kognitivní deficit je spojen se sníženou aktivací PFC a malou inhibicí (zyvýšenou aktivací) temporálního kortexu
Neuromodulace: zlepšení kognitivních funkcí a schopnosti aktivace PFC (?)
% prořezaných synapsí
Počet detekovaných slov
Spontánní halucinování v tichu
Processing
„externí“ řeči
80%40%
90%
60%
30%
Efekt synaptického prořezání na halucinace
Počítačový model (Hoffman a McGlashan, 1997)
ZávěrSchizofrenie Schizofrenie funkční zobrazení funkční zobrazení
kognitivního deficitukognitivního deficituSchizofrenie → deficit informačního processingu
(signál/šum)Týká se všech kognitivních funkcí
Kognitivní deficit je spojen se sníženou aktivací PFC a malou inhibicí temporálního koretexe
Neuromodulace atypickými antipsychotiky: zlepšeníkognitivních funkcí a schopnosti aktivace PFC (?)
Kognitivní dysfunkce u schizofrenieKognitivní dysfunkce u schizofrenie
Funkční zobrazeníFunkční zobrazení
MUDr. Jiří HoráčekMUDr. Jiří HoráčekPsychiatrické centrum PrahaPsychiatrické centrum Praha