Mozek v informačním toku

Transkript

1 Fyziologické psychologie I Informačni processing, zobrazení mozku a modely nemocné (i zdravé) mysli. Metaphora: Mysl jako Mozek v informačním toku Psychiatrické centrum Praha Centrum neuropsychiatrických studií 3. LF UK Praha Reprezentace a operantní funkce Podporováno grantem IGA MZ ČR a CNS LN00B122 MŠMT ČR Výstup Motorická nebo kognitivní odpověď Zpracování informace na úrovni neuronu Neuron: - pomalý (1-2 ms), časté chyby - S:R=10000:1 - paralelní - informace na synapsi = Xn.Wn - zpracování informace v neuronu = porovnání vážené hodnoty vstupu s prahovou hodnotou pro výstup Hebbova neuronální síť (1949) Input Output Input Output Input Output A B C Od neuronu k mentálnímu stavu Paralelně distribuované sítě Informační processing (Kandel ER, 1989.) (D. Hebb, 1949) Mechanismy evoluce N.S.: 1. Koincidence vstupů 2.Posílení synaptického přenosu 3.Remodelace synapsí Rozpoznání = aktivační vzorec na vstupní vrstvě odpovídá známému aktivačnímu vzorci na vrstvě výstupní (zpracování je paralelní, t = 1-2 ms) výstupní Porovnání vstupní vrstva

2 Mozek a teorie skrytých vrstev Proč jich je tolik? Input Output Neurony 2x % přímé spojení s Input-Output Nauta a Freitag, 1990 Dvojvrstevná neuronální síť 84 spojení Velké zuby Velké uši Velké oči Utíkat Velké oči Vrásky Dotknout se Políbit na líce Velké uši Velké oči Utíkat! Křičet! Hledat myslivce! Křičet Hledat myslivce Nabídnout jídlo Velké zuby Políbit na tvář!.. Červená Karkulka Velké uši Mužnost Přátelskost Dotknout se Flirtovat Nabídnout jídlo Jones a Hoskins, 1987 Přátelskost Dotknout se! Vrásky Nabídnout jídlo! Mužnost Flirtovat! Modelování funkce Červené Karkulky Jones a Hoskins, 1987 Trojvrstevná neuronální síť Velké uši Velké oči Velké zuby Přátelskost 39 spojení Utíkat! Křičet!. Červená Karkulka Hledat myslivce! Políbit na tvář!. I. II. III. IV. Kortiko-kortikální spojení Vstupní vrstva Výstupní vrstva I. II. III. IV. Vrásky Dotknout se! V. V. Mužnost Skrytá vrstva efektivní (generalizace obecných aspektů) ekonomické (šetří spojení) Nabídnout jídlo! Flirtovat! (Jones a Hoskins, 1987 Crick 1989) VI. VI. Thalamus (Mumford, 1992) 2

3 Evoluce neuronálních sítí (Edeleman, 1993) Redukce synaptické konektivity Vývojová selekce Primární repertoár Zkušenostní selekce Sekundární repertoár VSTUPY Skupiny neuronů: nezávislé, integrované, přesahující se, dosažitelné různými cestami VSTUPY Mechanismy evoluce N.S.: 1. Koincidence vstupů 2.Posílení synaptického přenosu 3.Remodelace synapsí Fyziologický vývoji: redukce synaptické denzity na 60% (Huttenlocher, 1976) Zkušenost eliminace slabších spojení (Murphy, 1998) V dospělosti je každé nové spojení je kompenzováno stejnou synaptickou eliminací 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) UCLA School of Medicine prefrontální kortex (asociační oblast frontálního laloku) Funkce prefrontálního kortexu A) reprezentační funkce Schémata formování (zapojování) neuronálních sítí 1.časová koincidence vstupů B) operantní funkce 2. modulace synapse 3.zesílení jejich mohutnosti Aktivace schémat komplexní stimul (gestalt) komplexní odpověď nyní to, potom to a jestliže předtím tamto, tak nyní toto zelená modrá modrá Stroopův test Slovo versus barva modrá žlutá modrá zelená žlutá žlutá modrá žlutá zelená Horáček,2001 3

4 Stroopův test Slovo versus barva zelená červená žlutá modrá modrá zelená červená červená žlutá červená modrá červená žlutá modrá žlutá červená Stroopův test Pozornost a exekutivní funkce Kongruentní stim.:červená žlutá modrá zelená žlutá modrá červená Inkongruentní stim.:žlutá modrá zelená červená žlutá modrá zelená Anter. cingulum N. accumbens Premotor. ctx (SMA) Putamen modrá modrá žlutá červená červená modrá červená modrá RL Gl. Pallidus MD talamus DL G. Pallidus VL,VA, CM talamus Horáček,2001 Iniciace Inhibice Blumer a Benson, 1975 PCP a odd. MR IKEM, 1999 Verbální fluence Spontánní tvorba slov podle určitého pravidla (např. první písmeno) 18 FDG PET odráží bazální metabolismus mozku: synaptickou denzitu a aktivitu fmr odráží míru aktivace mozku při úkolu Schizofrenie: Snížení synaptické konektivity G. FS G.C G. FM G. FI G. TS L.PS MRI: Monozygotic twins discordant for schizophrenia (PCP a odd. MR IKEM, J.Horáček a J.Tintěra, 2000) (Španiel and Hájek, Prague Psychiatric Center, 2000) Efekt synaptického prořezání na halucinace Počítačový model (Hoffman a McGlashan, 1997) 90% Processing externí řeči Pozitivní příznaky, Ralph Hoffman (1987,1995) 16 let-axonální prořezání-fixace zkušenosti Excesivní axonální prořezání (SCH) Počet detekovaných slov 60% 30% Spontánní halucinování v tichu 40% 80% % prořezaných synapsí Není možný update sítě Autonomní fungování sítě není kontrolována vstupy Parasitické fokusy vč. amalgamace atraktorů 4

5 Cíl terapie: zvýšit D snížit D Hypodopaminergní stav PFC Hyperdopaminergní stav Nc.Acc. (Spitzer, 1995) Role monoaminů v neuromodulaci Modulace korového zpracování informací (Glu a GABA) PFC Role dopaminu ve zpracování informací (signál/šum) Interakce 5-HT, 5 D a Glu Limbický systém STRIATUM 5-HT D Glu GABA Serotonin Noradrenalin Ovlivnění poměru: Signál/šum Ventrální tegmentum A10 Mediální Raphe Substantia Nigra A9 Dorzální Raphe Ereshfski, 1999 Sebeorganizující Kohonenova síť a bludy (Spitzer, 1995) T. Kohonen Sebeorganizující Kohonenova síť a bludy zesiluje silný signál a oslabuje slabý signál Excitační spojení s blízkými a inhibiční spojení se vzdálenými neurony výstupní vrstvy Každý neuron vstupní vrstvy je spojený s každým neuronem vrstvy výstupní a naopak (Spitzer, 1995) Sebeorganizující Kohonenova síť a bludy zesiluje silný signál a oslabuje slabý signál Excitační spojení s blízkými a inhibiční spojení se vzdálenými neurony výstupní vrstvy Role dopaminu ve zpracování informací (signál/šum) Cíl terapie: zvýšit D snížit D Hypodopaminergní stav PFC Hyperdopaminergní stav Nc.Acc. (Spitzer, 1995) (Spitzer, 1995) 5

6 Aktivace sémantických map 18 FDG PET a Rey-Osterrieth Complexní Figura Reprodukce po 3 min. u Porucha konitivních funkcí Kopie Spitzer, 1999 p=0.001 Prefrontální kůra Amygdala 18 FDG PET: schizofrenie (N=48) vs. zdravé kontroly (N=17) (Horáček, Kopeček, PCP, CNS,2002) Přední cigulum Hipokampus Serotonin Noradrenalin Metodika fmri: Vision T (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) 18 FDG PET: schizofrenie (N=48) vs. zdravé kontroly (N=17) Animální model SCH a účinku farmak Lokomoční aktivita EthoVision (Noldus) aréna (68 cm x 68 cm x 30 cm). Pozorování 90 min. 0min 60 min 120 min 215 min groups p.o. s.c. i.p video tracking (90 min) p=0.05 s Bohnferonniho korekcí Water Trp- Water Trp- Water Trp- Water/saline Trp-/saline Water/MK-801 Trp-/MK-801 Water/hal/MK- 801 Trp-/hal/MK Haloperidol Haloperidol Saline Saline MK-801 MK-801 MK-801 MK-801 Stanovení tryptofanu v plazmě HPLC Statistická analýza: Shapiro-Wilkov test t-test 6

7 Water/saline Výsledky Trp-/saline Výsledky Vliv TRP deplece na celkovou dráhu modelové psychózy *** *** Water/MK-801 Trp-/MK *** ** ** n.s Water/hal/MK-801 TRP-/hal/MK-801 trp-/mk-801 water/mk-801 trp-/hal/mk-801 water/hal/mk-801 trp-/nacl water/nacl Celková dráha v cm/90 min *** p<0,001; ** p<0,01. Metodika Diagnóza schizofrenie ICD 10) PET vyšetření FDG 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 18 FDG PET: schizofrenie (N=48) vs. zdravé kontroly (N=17) p=0.05 s Bohnferonniho korekcí Rey-Osterrieth Complex Figure Kopie Rey-Osterrieth Complex Figure Reprodukce (3 min.) 7

8 Norma Přední cingulum Schizofrenie Semantické mapy a neuronální sítě 5-HT inhibitory 5-HT2 R Cognitive dysfunction DA GLU z amygdaly GLU z amygdaly Tryptophan depletion 5-HT Benes, 1999 Verbální fluence Semantická síť Verbal fluency test G. FS G.C G. FM G. FI G. TS L.PS (PCP a odd. MR IKEM, J.Horáček a J.Tintěra, 2000) Person No. 10 Tryptophan - Tryptophan + Stroop test: korelace mezi TRP hladinou a fmr aktivací a efektem skupiny 8

9 Stroop test: korelace mezi TRP hladinou a fmr aktivací a efektem skupiny Test 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. Závěr I. aktivity PFC - defekt v operantních a reprezentačních funkcích aktivity PFC - defekt v operantních a reprezentačních funkcích aktivity ant. Cingula, amygdaly, hipokampu = psychoza aktivity ant. Cingula, amygdaly, hipokampu = psychoza Cerebellum -?? Sekvencování kognitivních procesů Cerebellum -?? Sekvencování kognitivních procesů 9

10 Závěr II. ergní hypofunkce v prefrontální kůře negativní příznaky (Davis a kol., 1991, Weinberger a Lipska, 1995) TRP deplece zvyšuje aktivaci oblastí FC Role 5-HT v ovlivnění informačního processingu 5-HT Tryptophan depletion 5-HT inhibitory 5-HT2 R DA 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,.) Berman,1992 Role 5-HT v mechanismu atypických antipsychotik (??) 5-HT2/D2 antagonisté - kognitivní dysfunkce (Haggar a kol., 1993, Green,1997) Závěr Schizofrenie: funkční zobrazení kognitivního deficitu Schizofrenie 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 (?) Počet detekovaných slov 90% 60% 30% Efekt synaptického prořezání na halucinace Počítačový model (Hoffman a McGlashan, 1997) Processing externí řeči Spontánní halucinování v tichu 40% 80% % prořezaných synapsí Závěr Schizofrenie funkční zobrazení kognitivního deficitu Schizofrenie deficit informačního processingu (signál/šum) Týká se všech kognitivních funkcí Kognitivní dysfunkce u schizofrenie Funkční zobrazení Kognitivní deficit je spojen se sníženou aktivací PFC a malou inhibicí temporálního koretexe Neuromodulace atypickými antipsychotiky: zlepšení kognitivních funkcí a schopnosti aktivace PFC (?) MUDr. Jiří Horáček Psychiatrické centrum Praha 10