UNIVERSITÄTSKLINIK FÜR NEUROLOGIE

  • 150904verhaltensneurolgie_lin

Verhaltensneurologie

Fotos: Michael Scholz, LIN Gebäude

Leitung

Prof. Dr. med. Hans-Jochen Heinze

Thema

Die Abteilung für Verhaltensneurologie untersucht (patho-)physiologische Mechanismen menschlichen Verhaltens. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Defiziten der kognitiven Kontrolle, die durch lernbedingte Veränderungen motivationaler, emotionaler und kognitiver Prozesse verursacht sein können.
Ein zentrales Anliegen ist die Verbindung von Grundlagen und klinischer Forschung. Der therapeutische Fokus liegt auf der selektiven Beeinflussung informationsverarbeitender zerebraler Prozesse.
Diesem Konzept entsprechend wurden mehrere Arbeitsgruppen in der Abteilung eingerichtet: ‚Brain Stimulation’ (Leitung: Prof. Dr. Voges), ‚Neuropsychiatric Dysfunctions’ (Leitung: PD Dr. Walter) und ‚Clinical Experimental Neurophysiology’ (Leitung Prof. Dr. Schoenfeld). Eine vierte Arbeitsgruppe, Imaging Genetics’ (Leitung PD Dr. Dr. Schott und PD Dr. Seidenbecher) entwickelte sich in Kooperation mit der Abteilung Neurochemie/Molekularbiologie. Enge Kooperationen bestehen mit dem DZNE Magdeburg.

Thema 1: Modulation neutraler Prozesse durch tiefe Hirnstimulation


Mitarbeiter
Jürgen Voges (Dept. of Stereotactic Surgery, OVGU/LIN)
Hans-Jochen Heinze
Rodrigo Quian-Quiroga

Kooperationen

  • Hermann Hinrichs,
  • Friedhelm C. Schmitt,
  • Tino Zähle (Dept. of Neurology, OVGU)

Die Arbeitsgruppe ’Tiefe Hirnstimulation’ (THS) untersucht die neuromodulatorische Wirkung hochfrequenter elektrischer Stimulation (130 Hz) in der Schale des Nucleus accumbens (N.acc.) bei Patienten mit gestörter Belohnungsverarbeitung, wie sie unter anderem bei Suchtverhalten angenommen wird. Bei fünf Patienten mit schwerer Alkoholabhängigkeit wurden unter dem Einfluss der THS folgende Ergebnisse erzielt: Vier Patienten sind vollkommen abstinent und fanden zurück in ein normales soziales und berufliches Leben. Ein fünfter Patient, der zusätzlich unter einer Frontalhirn-Läsion leidet, ist bislang nicht vollkommen abstinent, berichtet aber von einem deutlich verringerten Craving mit der Wirkung, dass er seinen Alkoholkonsum selber begrenzen kann (Voges et al., 2012; Müller et al., 2013).

Auf der Basis dieser Ergebnisse konnten wir erfolgreich ein DFG-Projekt einwerben, in dem an einer Gruppe von 15 schwer Alkoholabhängigen untersucht werden soll, ob und in welcher Weise die THS mit kognitiven Prozessen wie Gedächtnis, Entscheidungssteuerung und Belohnung interferiert. Dieser Antrag ist Teil eines Paketantrages, dessen zweiter, von Forschern der Universität Dresden und Mannheim durchgeführter Teil ähnliche Fragen an Tiermodellen untersucht und dabei auch alternative Stimulations-Targets sowie –Parameter berücksichtigt. In einer laufenden Studie haben wir kürzlich im Rahmen eines Heilversuches die Indikation für die THS auf Anorexie erweitert (bis jetzt mit zwei Patienten), deren Pathomechanismus gleichfalls auf eine gestörte Belohnungsverarbeitung zurückgeführt wird. Ergebnisse dieses Ansatzes stehen noch aus. Des weiteren untersuchen wir Aufmerksamkeits– und Gedächtnis-Prozesse bei THS im pedunculopontinen Nucleus (PPN) bei Patienten mit Bewegungsstörungen sowie des anterioren Thalamus und des N.acc. bei therapierefraktären Epilepsie-Patienten. Zusammen mit dem Helmholtz Zentrum (DZNE) in Magdeburg evaluierten wir überdies die THS in der im medialen Vorderhirn gelegenen ventralen tegmentalen Area (VTA) als eine mögliche Behandlungsoption für die Alzheimer Erkrankung. Jenseits dieser klinischen Studien verfolgen wir mit einem multimodalen Ansatz das Ziel, die neuralen Mechanismen zu verstehen, die der THS-induzierten Modulation neuraler Aktivität des menschlichen Gehirns zugrunde liegen. Heldmann et al. (2012) untersuchte die THS-induzierte Modulation der NAcc-Aktivität mittels O15-PET (Positron Emission Tomography). Darüber hinaus haben wir anhand invasiv gemessener lokaler Feldpotentiale (LFP) die Interaktion von NAcc und Lernen (Dürschmid et al., 2013) bzw. Salienzverarbeitung (Zähle et al., 2013) untersucht.

Abbildung 1

Welche Wirkung hat Tiefenhirnstimulation auf die Hirnaktivität?
Mittels Positronenemissionstomographie (PET) können Aktivitätssteigerungen durch die elektrische Stimulation im Gehirn sichtbar gemacht werden. (Vgl. Heldmann et al., 2012)
 

Thema 2: Neuropsychiatrische Störungen


Mitarbeiter
Marie Jose van Tol
Norman Zacharias
Chuan Chi Yang
Viola Borchhardt

Kooperationen

  • LIN: A. Fejtova, RG Schott/Seidenbecher
  • OVGU: Dept. Physiology (Lessmann/Brigadski); Dept. Physics (O. Speck); Dept. Psychiatry (Bogerts/Steiner)
  • Germany: A. Sartorius, Mannheim; B. Abler, Ulm; P. Schönknecht, Leipzig; H. Walter, Berlin
  • International: M. Breakspear, Brisbane; B. Biswal, Newark; C. Chang, Bethesda; V. Kiviniemi, Oulu; E. Seifritz,Zürich; M. Rubinov, Cambridge; C. Barros Loscertales, Jaume; H. Mouras, Amiens

Die Arbeitsgruppe neuropsychiatrische Störungen führte resting-state Analysen an Patienten mit Depression durch und untersuchte neurophysiologische und molekulare Mechanismen von Verhalten und deren pharmakologische Veränderungen (e.g. Lord et. A., 2012). Serotenerge Mechanismen die den Zusammenhang (Verbundenheit) zwischen prefrontalem Cortex und den Basalganglien modelieren sollen (e.g. Abler et al., 2012), wurden ebenfalls untersucht.

Desweiteren konnte die individuelle Empfindlichkeit für pharmakologische Nebenwirkungen anhand funktioneller Netzwerkaktivität vorhergesagt werden. (Metzger et a. 2013). Einen Schwerpunkt setzte die Arbeitsgruppe auf von der Norm abweichende glutamerge Mechanismen. In einer klinischen Untersuchung wurden die Effekte einer Ketamininfusion auf Gehirnfunktion und Stoffwechsel untersucht. (Scheidegger et a., 2012). Anhand einer neu entwickelten MR Spectoskopie Methode konnte die Gruppe außerdem molekulare „Fingerabdrücke“ von histoarchitectonisch defi nierten anatomischen Subregionen des cingulären Kortex etablieren (Dou et. A., 2013).

Zusammen mit der Junior Forschungsgruppe PrePlast (A. Fejtova) wurde in einem CBBS-geförderten Neztwerk-Projekt zeitliche Entwicklung der homöostatischen Plastizität und deren Veränderung nach Ketamingabe bei Menschen und in Neuronen untersucht. Die Forschung von glutamergen Defiziten bei Depression wurde intensiviert durch einen erfolgreichen EU Antrag (Marie Curie ITN). In Kollaboration mit der Universität Queensland wurde eine MR basierte Rekonstruktionsmethode von post mortalen Hirnschnitten entwickelt (Yang et al., 2013), um die translationale Erforschung von Veränderungen in Glia- und Nervenzellen zu ermöglichen, die einem abnormalen Stoffwechsel im Lebenden zugrunde liegen (SFB-779 TPA6).

Abbildung 2

Netzwerkanalysen im Ruhezustand. Durch die Kohärenz von Spontanaktivität werden alle Regionen des Gehirns größeren funktionellen Modulen zugeordnet und so die direkte Kommunikation zwischen einzelnen Regionen in den Kontext der Netzwerktopologie gesetzt. Diese Methode erlaubt dann eine computergestützte Klassifikation von Patientengruppen anhand passiver MRT-Untersuchungen.  

Thema 3: AG Klinisch-experimentelle Neurophysiologe


Leitung
Prof. Dr. med. Mircea Ariel Schoenfeld

Mitarbeiter
Dr. rer. nat. Christian Merkel
Stefanie Kau
Milena Patzelt

Kooperationen

  • Jens-Max Hopf (LIN)
  • Emrah Düzel (DZNE)
  • Tömme Noesselt (OVGU)
  • Steven Hillyard (UCSD, LIN)
  • Thomas Münte (University of Lübeck)

Die AG untersucht die neuralen Mechanismen der Wahrnehmung und Bewertung visueller Informationen in Normalprobanden sowie in Patienten mit Läsionen, welche zu Störungen des Lernens führen. Hierbei interessieren wir uns sowohl für grundlagenwissenschaftliche als auch für klinischpathologische Aspekte. Im grundlagenwissenschaftlichen Bereich werden Aufmerksamkeitsprozesse im visuellen System in Abhängigkeit von der Erwartungshaltung oder Belohnung untersucht. Hier besteht eine enge Kooperation zur Forschergruppe „Visuelle Aufmerksamkeit und perzeptuelles Lernen“. Im klinisch-wissenschaftlichen Bereich analysieren wir neuroplastische Prozesse infolge von einzeitigen Läsionen, wie zum Beispiel beim Schlaganfall, sowie von mehrzeitigen konsekutiven Läsionen, wie bei neurodegenerativen Erkrankungen (Parkinson, ALS). Hierfür bedienen wir uns nicht-invasiver Neuroimaging Verfahren (Strukturelles MRT, Diffusionsgewichtetes MRT in Verbindung mit fiber-tracking, funktionelles MRT, sowie zeitlich hochauflösendes EEG und MEG) aber auch invasiver Verfahren in Kooperation mit der AG Funktionelle Stereotaktische Neurochirurgie.

Grundlagenforschung

Im Bereich der Grundlagenforschung haben wir uns vor allem mit Aufmerksamkeitsprozessen im visuellen System beschäftigt. In mehreren Studien wurden die Mechanismen der merkmalsbasierten Aufmerksamkeit untersucht.

Wichtige Untersuchungsergebnisse waren u.a. dass die merkmalsbasierte Aufmerksamkeit global operiert (Bartsch et al., 2014; Bondarenko 2012), jedoch die Ausbreitung zeitintensiv ist (Stoppel et al, 2012). Ein weiteres Projekt hat die Prozesse untersucht, die der Selektion von einfachen (z.B. Geschwindigkeit, Richtung) und komplexen (Kohärenz) Aspekten eines Merkmals (Bewegung) unterliegen. Wir fanden dass die Selektion auf der hierarchisch niedrigste Ebene erfolgt, auf der die aufgabenrelevante Diskrimination (z.B. von zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten) noch erfolgen kann (Kau et al., 2014). Weitere Studien haben sich der objektbasierten Aufmerksamkeit gewidmet (Schoenfeld & Stoppel 2013). Wir konnten die Prozesse, welche dieser Aufmerksamkeitsform unterliegen, räumlich-zeitlich exakt beschreiben und fanden heraus, dass die Merkmalsselektion innerhalb eines attendierten Objekts schnell und flexibel ist (Schoenfeld et al., 2014). Auch konnten wir in einem weiteren Experiment die neurale Repräsentation unterschiedlicher Strategien bei der Verfolgung von sich gleichzeitig bewegenden Objekten zeigen (Merkel et al., 2014)
Andere grundlagenwissenschaftliche Aspekte, die wir behandelt haben, betrafen die visuelle Suche (Strumpf et al., 2013) multisensorische Verarbeitung (Höfer et al., 2013) Interaktion von Belohnung und Aufmerksamkeit (Buschschulte et. al, 2014) und räumlich-zeitliche Dynamik der gustatorischen Verarbeitung (Ianilli et al., 2014).

Abbildung 3 Wie verarbeitet das Gehirn bewegte Reize, und welche Rolle spielt die Aufmerksamkeit dabei? (A) Aktivierungsmuster bei der Verarbeitung von Bewegung. (B) Bewegungs-sensitive Areale des Gehirns, die aktiver sind, wenn man die Aufmerksamkeit auf die Geschwindigkeit der Bewegung lenkt. (C) Bewegungs-sensitive Areale des Gehirns, die aktiver sind, wenn man die Aufmerksamkeit nicht auf die Geschwindigkeit der Bewegung sondern auf deren Kohärenz legt.

Ausgewählte Publikationen

Buschschulte A, Boehler CN, Strumpf H, Stoppel C, Heinze HJ, Schoenfeld MA, Hopf JM (2014) Reward- and attention-related biasing of sensory selection in visual cortex. J Cogn Neurosci 26(5):1049-1065

Schoenfeld MA, Hopf JM, Merkel C, Heinze HJ, Hillyard SA (2014) Object-based attention involves the sequential activation of feature-specific cortical modules. Nat Neurosci 17(4):619-624.

Merkel C, Stoppel CM, Hillyard SA, Heinze HJ, Hopf JM, Schoenfeld MA (2014) Spatio-temporal Patterns of Brain Activity Distinguish Strategies of Multiple-object Tracking. J Cogn Neurosci 26(1):28-40

Bartsch MV, Boehler CN, Stoppel CM, Merkel C, Heinze HJ, Schoenfeld MA, Hopf JM (2014) Determinants of Global Color- Based Selection in Human Visual Cortex. Cereb Cortex.

Iannilli E, Noennig N, Hummel T, Schoenfeld AM. Spatio-temporal correlates of taste processing in the human primary gustatory cortex. Neuroscience. 2014 Jul 25;273:92-9. doi: 10.1016/j.neuroscience.2014.05.017. Epub 2014 May 15.

Tyll S, Bonath B, Schoenfeld MA, Heinze HJ, Ohl FW, Noesselt T (2013) Neural basis of multisensory looming signals. Neuroimage 65(65):13-22

Strumpf H, Mangun GR, Boehler CN, Stoppel C, Schoenfeld MA, Heinze HJ, Hopf JM (2013) The role of the pulvinar in distractor processing and visual search. Hum Brain Mapp 34(5):1115-1132

Stoppel CM, Boehler CN, Strumpf H, Krebs RM, Heinze HJ, Hopf JM, Schoenfeld MA (2013) Distinct Representations of Attentional Control During Voluntary and Stimulus-Driven Shifts Across Objects and Locations. Cereb Cortex 23(6):1351-1361.

Schoenfeld MA, Stoppel CM (2013) Feature- and Object-Based Attention: Electrophysiological and Hemodynamic Correlates. In: Cognitive Electrophysiology of Attention: Signals of the Mind (Mangun GR, ed), pp 107-122.

Amsterdam: Elsevier. Kau S, Strumpf H, Merkel C, Stoppel CM, Heinze HJ, Hopf JM, Schoenfeld MA (2013) Distinct neural correlates of attending speed vs. coherence of motion. Neuroimage 64:299-307

Hoefer M, Tyll S, Kanowski M, Brosch M, Schoenfeld MA, Heinze HJ, Noesselt T (2013) Tactile stimulation and hemispheric asymmetries modulate auditory perception and neural responses in primary auditory cortex. Neuroimage 79:371-382

Stoppel CM, Boehler CN, Strumpf H, Krebs RM, Heinze HJ, Hopf JM, Schoenfeld MA (2012) Spatiotemporal dynamics of feature-based attention spread: evidence from combined electroencephalographic and magnetoencephalographic recordings. J Neurosci 32(28):9671-9676

Bondarenko R, Boehler CN, Stoppel CM, Heinze HJ, Schoenfeld MA, Hopf JM. Separable mechanisms underlying global feature-based attention. J Neurosci. 2012 Oct 31;32(44):15284-95.

 

Klinisch-wissenschaftliche Forschung

Im Themenbereich des Schlaganfalls haben wir mehrere Studien durchgeführt. Dabei haben wir uns mit neuen therapeutischen Ansätzen, die auf dem Spiegelneuronen-Konzept basieren, beschäftigt (Dettmers et al., 2012) und konnten zeigen, dass Videotraining zu einer Verbesserung der Handfunktion bei Patienten mit schlaganfallbedingten Paresen führt (Dettmers et al., 2014).

In einer anderen Studie konnten wir zeigen, dass die genetische Variation in Form von Polymorphismen des Enzyms Catechol-O-Methyltransferase den Outcome nach Schlaganfall beeinflussen kann (Liepert et al., 2013). Eine weitere Studie hat sich mit den neuralen Korrelaten von Trainingsveränderungen bei Patienten mit Akalkulie nach Schlaganfall oder Trauma beschäftigt. Wir konnten zeigen, dass große Verbesserungen der Rechenleistung mit einer effizienteren Verarbeitung im frontalen Kortex der Patienten einhergehen (Claros-Salinas et al., 2014). Im Bereich des visuellen Systems fanden wir, dass Patienten mit Läsionen in der primären Sehrinde und Pulvinar den ipsiläsionalen extrastriären Kortex, insbesondere das Areal hMT aktivieren, wenn Bewegungsreize innerhalb des Skotoms präsentiert werden. Die dafür zuständigen subkortikalen Verbindungen sind relativ robust gegenüber Läsionen, können jedoch durch inferiorlaterale Läsionen im Pulvinar unterbrochen werden (Barleben et al, 2014). Ein weiterer Themenbereich widmet sich den neurodegenerativen Erkrankungen. Hier haben wir unter anderen das Phänomen der Fatigue bei Patienten mit Multipler Sklerose (Claros-Salinas et al., 2013), und Periphere Nerven mittels Ultraschall bei hereditären Neuropathien (Schreiber et al., 2013) untersucht. Wir konnten auch nachweisen, dass die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) mit einer strukturellen und funktionellen Affektion des Hippocampus (Stoppel et al., 2014), die sich auch neuropsychologisch bemerkbar macht (Machts et al., 2014), einhergeht.

Abbildung 4 Mit einem probabilistischen Verfahren rekonstruierte Bahnen zwischen dem Pulvinar und der Region hMT+ bei einem Patienten mit einer Läsion im Bereich des primären visuellen Kortex. Beide Regionen zeigten hämodynamische Aktivität bei visueller Stimulation mit einem Bewegungsreiz.

Ausgewählte Publiktionen

Stoppel CM, Vielhaber S, Eckart C, Machts J, Kaufmann J, Heinze HJ, Kollewe K, Petri S, Dengler R, Hopf JM, Schoenfeld MA (2014) Structural and functional hallmarks of amyotrophic lateral sclerosis progression in motor- and memory-related brain regions. Neuroimage Clin 5:277-290.

Machts J, Bittner V, Kasper E, Schuster C, Prudlo J, Abdulla S, Kollewe K, Petri S, Dengler R, Heinze HJ, Vielhaber S, Schoenfeld MA, Bittner DM (2014). Memory defi cits in amyotrophic lateral sclerosis are not exclusively caused by executive dysfunction: a comparative neuropsychological study of amnestic mild cognitive impairment. BMC Neurosci 15(1):83

Greiner J, Schoenfeld MA, Liepert J (2014) Assessment of mental chronometry (MC) in healthy subjects. Arch Gerontol Geriatr 58(2):226-230

Dettmers C, Nedelko V, Hassa T, Starrost K, Schoenfeld AM (2014) „Video Therapy“: Promoting Hand Function after Stroke by Action Observation Training - a Pilot Randomized Controlled Trial. International Journal of Physical Medicine & Rehabilitation 2(2):1-7

Claros-Salinas D, Greitemann G, Hassa T, Nedelko V, Steppacher I, Harris JA, Schoenfeld MA (2014) Neural correlates of training induced improvements of calculation skills in patients with brain lesions. Restor Neurol Neurosci 32(4):463-472.

Barleben M, Stoppel CM, Kaufmann J, Merkel C, Wecke T, Goertler M, Heinze HJ, Hopf JM, Schoenfeld MA. Neural correlates of visual motion processing without awareness in patients with striate cortex and pulvinar lesions. Human Brain Mapping (in press).

Schreiber S, Oldag A, Kornblum C, Kollewe K, Kropf S, Schoenfeld A, Feistner H, Jakubiczka S, Kunz WS, Scherlach C, Tempelmann C, Mawrin C, Dengler R, Schreiber F, Goertler M, Vielhaber S. Sonography of the median nerve in CMT1A, CMT2A, CMTX, and HNPP. Muscle Nerve. 2013 Mar;47(3):385-95.

 

Thema 4: Molekulare Grundlagen menschlicher Hirnfunktionen (AG Imaging Genetics)

Leitung
Björn Schott

Mitarbeiter
Constanze Seidenbecher
Anne Assmann
Adriana Barman (PhD stipend)
Gusalija Behnisch
Anna Deibele
Xenia Gorny
Maike Herbort
Marieke Klein (Master’s stipend)
Catherine Libeau
Carola Nath
Anni Richter
Joram Soch

Kooperationen

  • Michael R. Kreutz (LIN)
  • Emrah Düzel (OVGU, DZNE Magdeburg)
  • Alan Richardson-Klavehn (OVGU)
  • Hans-Gert Bernstein (OVGU)
  • Sylvia Richter (University of Salzburg, Austria)
  • Susanne Erk, Henrik Walter (Charité Berlin)
  • Andreas Zimmer (University of Bonn)
  • Helena Danielson (University of Uppsala, Sweden)

Motiviertes Verhalten beim Menschen ist interindividuell sehr variabel. Dazu tragen auch natürllich vorkommende genetische Varianten, sogenannte Polymorphismen, bei. Das Ziel unserer Arbeitsgruppe ist es, solche genetischen Polymorphismen im Kontext neuropsychologischer Fragestellungen
zu charakterisieren und neue Kandidatengene zu identifizieren, welche von Bedeutung für menschliches Lernen oder Exekutivfunktionen sind.

Letzte Änderung: 28.09.2018 - Ansprechpartner:

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