Methodenentwicklung

Das menschliche Gehirn ist in Struktur und Funktion durch zwei widerstreitende Prinzipien gekennzeichnet: Spezialisierung und Integration. Die Spezialisierung ermöglicht erst die hohe Leistungsfähigkeit, die durch Maschinen bisher bei weitem nicht erreicht wird. Demgegenüber steht die Notwendigkeit, die Informationen nach der Verarbeitung in spezialisierten Arealen wieder zusammenzuführen. Beide Prinzipien sind in strukturell hoch-komplexen und vielfach verknüpften Netzwerken von Neuronen realisiert. Die hohe Flexibilität und Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns beruht dabei letztendlich auf den spezifischen Verknüpfungsmustern der einzelnen Nervenzellen.

Diese anatomischen Konnektivitäten bilden den eher statischen, strukturellen Hintergrund (allerdings sind auch hier Änderungen möglich) für die hoch-dynamischen raum-zeitlichen Aktivierungs- und Interaktionsmuster, die informationsverarbeitende Prozesse repräsentieren.

Ein Verständnis der grundlegenden Funktionsweise des Gehirns ist ohne ein Verständnis der funktionellen Interaktionsmuster nicht möglich.

Zur Untersuchung dieser funktionellen Interaktionen wird die Magnetenzephalographie verwendet, die aufgrund ihrer hohen Zeitauflösung und der direkten Messung neuronaler Aktivität für diese Untersuchungen prädestiniert ist.

Die methodischen Arbeiten beschäftigen sich mit der Weiterentwicklung eines Verfahrens, DICS, um anhand der außerhalb des Kopfes gemessenen Magnetfelder Rückschlüsse auf Aktivierungen und Interaktionen von Hirnarealen zu ziehen. Dabei wird die individuelle Anatomie unter Verwendung der Magnetresonanztomographie berücksichtigt. Die Berechnung oszillatorischer Aktivität und Interaktion wird im gesamten Gehirn durchgeführt.

Die inhaltlichen Arbeiten beschäftigen sich mit der Untersuchung funktioneller Interaktionen bei motorischen und kognitiven Paradigmen. Im ersten Schritt wird DICS verwendet um interagierende Hirnareale zu identifizieren. Diese Interaktionen werden dann im zweiten Schritt genauer charakterisiert, um Interaktionen eine Funktion zuordnen zu können.

1. Gross, J., Kujala, J., Hamalainen, M., Timmermann, L., Schnitzler, A., and Salmelin, R. (2001). Dynamic imaging of coherent sources: Studying neural interactions in the human brain. Proc Natl Acad Sci U S A 98, 694-699.
2. Schnitzler A, Gross J (2005) Normal and pathological oscillatory communication in the brain. Nat Rev Neurosci. 2005 Apr;6(4):285-96.

Motorik

Die bemerkenswerten motorischen Fähigkeiten des Menschen sind eine grundlegende Voraussetzung für die Auseinandersetzung mit unserer physikalischen Umwelt. Die Steuerung dieser Prozesse und die Veränderungen bei Patienten mit Bewegungsstörungen sind bislang nur unvollständig verstanden.

Den Schwerpunkt dieser Arbeitsgruppe bildet die Untersuchung neuronaler Netzwerke, die mit physiologischen als auch mit pathologischen Bewegungen, wie z.B. Tremor, assoziiert sind. Mithilfe der Magnetenzephalographie (MEG) und der Analyse-Software Dynamic Imaging of Coherent Sources (DICS; [1]) konnten wir zeigen, dass ein zerebello-thalamo-kortikales Netzwerk der Ausführung physiologischer [2] als auch pathologischer [3] Bewegungen zugrunde liegt. Darüber hinaus zeigen unsere Daten, dass Bewegungsstörungen, wie beispielsweise bei Morbus Parkinson, mit spezifischen Veränderungen innerhalb dieses Netzwerkes verbunden sind [2]. Neben der beschrieben Netzwerkanalyse werden zukünftig drei weitere methodische Ansätze in die Arbeitsgruppe integriert. Das gemeinsame Ziel ist ein besseres Verständnis der Prozesse, die sowohl mit physiologischen als auch mit pathologischen Aspekten der motorischen Kontrolle assoziiert sind. (i) Die Untersuchung peripherer Phänomene - beispielweise mithilfe von EMG-Ableitungen - soll Aufschluss darüber liefern, inwieweit Erkrankungen, aber auch altersabhängige Veränderungen, motorische Leistungen beeinflussen. (ii) Die Untersuchung von Effekten der Tiefen Hirnstimulation (DBS) bei Patienten mit Bewegungsstörungen eröffnet die Möglichkeit der direkten Intervention in den Basalganglienkomplex - einer Kernstruktur der motorischen Kontrolle. Neben der Analyse der therapeutischen Effekte von DBS sind damit Rückschlüsse auf die Funktion der Basalganglien möglich. (iii) Die Untersuchung von Bewegungsstörungen auf der Ebene von Einzelzellableitungen im Tiermodell soll weitere komplementäre Information zu den neuronalen Grundlagen motorischer Kontrolle liefern.

1. Gross, J., Kujala, J., Hamalainen, M., Timmermann, L., Schnitzler, A., and Salmelin, R. (2001). Dynamic imaging of coherent sources: Studying neural interactions in the human brain. Proc Natl Acad Sci U S A 98, 694-699.
2. Pollok, B., Gross, J., Dirks, M., Timmeramnn, L., and Schnitzler, A. (2004). The Cerebral Oscillatory Network of Voluntary Tremor. J Physiol 554, 871-878.
3. Timmermann, L., Gross, J., Dirks, M., Volkmann, J., Freund, H.-J., and Schnitzler, A. (2003). The cerebral oscillatory network of parkinsonian resting tremor. Brain 126, 199-212.

Kognition

Die Kognitionsgruppe bearbeitet verschiedene Forschungsschwerpunkte, darunter die Analyse sozio- emotionaler Fertigkeiten beim Morbus Parkinson und die Analyse von Sprache, Aufmerksamkeit und Integration von Wahrnehmung und Handlung bei gesunden Probanden. Die klinischen Syndrome des pathologischen Lachens und Weinens während der Tiefenhirnstimulation bei Parkinson-Patienten sowie der Effekt der Tiefenhirnstimulation auf die Wortflüssigkeit wurden bereits untersucht und werden auch in Zukunft einen Schwerpunkt darstellen.

Die Integration von Wahrnehmung und Handlung wurde in einfachen, wenngleich sehr effizienten Tapping- Paradigmen mit ein- oder beidhändigen Fingerbewegungen, die auf ein externes Führungssignal hin synchronisiert werden sollten, untersucht. Diese Paradigmen geben einen Einblick in die oszillatorischen Kopplungen verschiedener Hirnareale, die an koordinierten Bewegungen beteiligt sind. Der Aspekt der Handlungsplanung wird in diesem Zusammenhang einen Schwerpunkt für zukünftige Studien darstellen.

Das menschliche Spiegelneuronen-System ist seit einigen Jahren ein Forschungsthema von großem Interesse. Dieses System scheint eine Schnittstelle zwischen dem eigenen Handeln und dem Verstehen des Handelns anderer zu sein. Dieses Thema wird zur Zeit in unserem Labor (Katja Biermann-Ruben, Klaus Kessler) in Kooperation mit der Universitätsklinik Hamburg bearbeitet sowohl im Hinblick auf sequentielle zeitliche Aktivierungen im Gehirn als auch im Hinblick auf Synchronisationsprozesse. Das Spiegelneuronensystem wird zudem mit der Entwicklung von Sprachfunktionen in Zusammenhang gebracht; letztere wurden von uns in der Vergangenheit ebenfalls untersucht.

Schließlich werden Kapazitätseinschränkungen der menschlichen Aufmerksamkeit anhand des sogenannten „Attentional-Blink“-Phänomens untersucht. Zukünftig wird dieser Schwerpunkt auf andere Paradigmen der selektiven Aufmerksamkeit und des Arbeitsgedächtnisses unter Fokussierung der Analyse synchronisierter oszillatorischer Aktivität ausgedehnt werden.

1. Biermann-Ruben, K., Salmelin, R. & Schnitzler, A. (2005). Right rolandic activation during speech perception in stutterers: a MEG study. NeuroImage, 25 (3): 793-801.
2. Gross J, Schmitz F, Schnitzler I, Kessler K, Shapiro K, Hommel B, Schnitzler A (2004). Modulation of long-range neural synchrony reflects temporal limitations of visual attention in humans. Proc Natl Acad Sci USA 101:13050-13055
3. Pollok, B., Gross, J., Müller, K., Aschersleben, G. & Schnitzler, A. (2005). The cerebral oscillatory network associated with auditorily paced finger movements. NeuroImage 24: 646-655.
4. Wojtecki, L., Timmermann, L., Jörgens, S., Südmeyer, M., Sturm, V., Schnitzler, A. (2004). Modulation of executive functions by frequency settings in subthalamic deep brain stimulation. Movement Disorders, Volume 19 (Supplement): 303-304.

Somatosensorik

Schmerz ist eine einzigartige Sensation mit vielfältigen sensorischen, kognitiven und affektiven Aspekten. Das Verhältnis zwischen diesen verschiedenen Aspekten von Schmerz und zerebraler Funktion ist bei Gesunden wie Kranken bisher wenig bekannt. Gegenstand dieses Projektes ist daher die Untersuchung der zerebralen Korrelate der komplexen Wahrnehmung von Schmerz mittels neurophysiologischer Methoden, insbesondere der Magnetenzephalographie. Über die letzten Jahre konnte so ein überwiegend parallel organisiertes ausgedehntes Netzwerk schmerzverarbeitender Areale gezeigt werden [1]. Innerhalb dieses Netzwerkes kommen den einzelnen Hirnarealen unterschiedliche funktionelle Bedeutungen und unterschiedliche Beteiligungen an dem Phänomen des Auftretens zweier Sensationen (Erster Schmerz, Zweiter Schmerz) auf einzelne Schmerzreize hin zu [2]. Weiter konnten wir zeigen, dass Schmerz über die Aktivierung dieses schmerzverarbeitenden Netzwerkes hinaus zu einer globalen Änderung der Funktion und Erregbarkeit sensorischer und motorischer Systeme führt [3].

In der weiteren Arbeit sollen diese Befunde näher charakterisiert werden. Insbesondere sollen die physiologischen Grundlagen und behavioralen Korrelate globaler schmerzinduzierter Erregbarkeitsveränderungen untersucht werden. Weiter möchten wir verstehen, wie die Funktion der einzelnen an der Schmerzverarbeitung beteiligten Areale in der Generierung eines Perzeptes koordiniert werden. Diese grundlegenden Erkenntnisse zur Schmerzverarbeitung sollen dann auf Patienten mit chronischem Schmerz übertragen werden. Neben basalen Einblicken in die Physiologie von Wahrnehmungsprozessen wollen wir so letztlich zum Verständnis und zur Optimierung von Schmerztherapie beitragen.

1. Ploner M, Schmitz F, Freund HJ, Schnitzler A. Parallel activation of primary and secondary somatosensory cortices in human pain processing. J Neurophysiol 81, 3100-4, 1999.
2. Ploner M, Gross J, Timmermann L, Schnitzler A. Cortical representation of first and second pain sensation in humans. Proc Natl Acad Sci U S A 99, 12444-8, 2002.
3. Ploner M, Pollok B, Schnitzler A. Pain facilitates tactile processing in human somnatsoensory cortices. J Neurophysiol 92, 1825-9, 2004.

• Gesamte Liste der Publikationen von Dr. Schnitzler via PubMed.
  
  
  

Wissenschaftliche Mitarbeiter

Katja Biermann-Ruben, Dr. rer nat. (Kognition)
Markus Butz, Dr. rer. nat. (Motorik)
Stefan Groiß, Arzt (Motorik)
Joachim Gross, PD. Dr. rer. nat. (Methodik, Motorik)
Holger Krause, Dipl.-Biol. (Methodik)
Stefan Ostrowski, Dipl.-Phys. (Methodik)
Markus Ploner, Dr. med. (Somatosensorik)
Bettina Pollok, Dr. phil. (Motorik, Kognition )
Christiane Reck,Dipl.-Biol. (Motorik)
Martin Südmeyer, Dr. med. (Motorik)
Lars Timmermann, Dr. med. (Motorik)
Lars Wojtecki, Arzt (Motorik, Kognition)

Doktoranden

Daniel Kamp, cand. Med. (Motorik)
Christian Münks, cand. med. (Motorik)
Houssain Makhloufi, cand. med. (Motorik)
En-Young Nicole Cho, cand. med. (Motorik)
Jens Platzen, cand. med. (Somatosensorik)
Martin Braun, cand. med . (Motorik)
toosa Amir-Manavi, cand.med. (Motorik)
Timo Brosig, cand.med. (Motorik)

Studentische Hilfskraft

Larissa Rollmann, cand. psych.

Kooperationspartner

Prof. Dr. Kimron Shapiro		Bangor School of Psychology, Bangor
Prof. Dr. Bernhard Hommel		Leiden Faculteit der Sociale Wetenschappen
Prof. Dr. Volker Sturm		Köln Klinik für Stereotaxie und Funktionelle Neurochirurgie
Prof. Dr. Petra Störig		Düsseldorf Experimentelle Biologische Psychologie
Prof. Dr. Riitta Hari und Prof. Riitta Salmelin		Brain Research Unit, Helsinki
PD Dr. Alexander Münchau		Neurologische Universitätsklinik, Hamburg, Eppendorf
Prof. Dr. John Rothwell		Sobell Department of Motor Science and Movement Disorders, London