Kora mzgowa i zachowanieMapa cytoarchitektoniczna kory mzgowej opracowana przez Korbiniana Brodmanna (1868-1918) na podstawie gruboci warstw i typu komrek w korze mzgowej. Okolice kory mzgu nie maj nazw, tylko numery od 1 do 52 (Brodmann area, BA) Najwaniejsze obszary: kora motoryczna BA 4, kora przedmotoryczna BA 6, przednie obszary wzrokowe BA 8, kora czuciowa BA 3,1,2, kora wzrokowa BA 17, 18, 19, kora suchowa BA 41, 42. Obszar mowy Wernickego BA 22, obszar mowy Broki BA 44.Gwne rodzaje kory wyrnione na podstawie iloci warstw widocznych w wycinkach histologicznych

Co czyni nas ludmi?

Filogeneza kory mzgowej wczesne pogldyWczesne (do ~1970) pogldy na wydarzenia w trakcie rozwoju kory mzgowej, od ryby do ssaka: liniowy wzrost kresomzgowia (pkule mzgu+spoida + jdra podstawne + wchomzgowie) u ryby kora suya gwnie do odbioru (paleocortex) i analizy (archicortex) bodcw wchowych. u pazw, a szczeglnie u gadw, pojawia si nowa kora (neocortex) u gadw i ptakw inne bodce sensoryczne dochodz do kory poprzez wzgrze. znaczne powikszenie kory nowej oraz iloci wej ze wzgrza i zwojw podstawy u ssakw.

Filogeneza kory mzgowej nowe obserwacjeNowe obserwacje:-Kresomzgowie nie rozwijao si stopniowo lecz skokowo (np. delfiny).Projekcje drg wchowych do kresomzgowia s waciwe (specyficzne) tylko dla pewnych obszarw kory.Bodce innych modalnoci sensorycznych, przechodzce przez wzgrze s obecne ju u rybPodobnie, lecz niezalenie rozwinite struktury nazwano homoplastycznymi w odrnieniu od odpowiednich struktur rozwijajcych si liniowo (tj. homologicznych).

Filogeneza kory mzgowej - podsumowanie

Ontogeneza kory mzgowejEtapy rozwoju ludzkiego mzgu:4 tygodnie: - widoczny podzia cewki nerwowej (neural tube) na rne obszary (prosencephalon, encephalon, mesencephalon, rhomboencephalon)pojawia si pcherzyk wzrokowy (optic vesicle, OV)5 tygodni:wyrniaj si nowe obszary: telencephalon i diencephalon, metencephalon i myelencephalonPowstaje zalek podwzgrza7 tygodni:-powstaje wzgrze czce telencephalon z pozostaymi czciami ukadu nerwowego.-powstaje wyspa (medulla), most (pons) i mdek (cerebellum)------------------------------------------------------------------zmiany typowe dla ssakw:2 miesice:wzrost telencephalonu3 miesice:-telencephalon przykrywa cz ogonow pnia mzguwidoczny pocztek podziau na paty (lobes)4 - 9 miesicy:wzrost kory nowej wraz z pofadowaniemzupene przykrycie rdzenia krgowego

Pocztki ukadu nerwowegoWe wczesnym zarodku zaczynaj si wyrnia 3 warstwy: zewntrzna (ektoderma), wewntrzna (endoderma) i rodkowa (mezoderma). Ukad nerwowy rozpoczyna si we wczesnym stadium rozwoju embrionalnego w czci rodkowogrzbietowej ektodermy - tzw. pytce nerwowej.

Pocztki ukadu nerwowegoPooenie pytki nerwowej w stosunku do nieneuronalnej ektodermy, mesodermy i endodermy.Komrki grzebienia nerwowego (neural groove) lece po obu stronach pytki nerwowej rozpoczynaj rnicowanie si obwodowego ukadu nerwowego.Rynienka zagbia si coraz bardziejWierzchoki rynienki stykaj si ze sob tworzc cew nerwow. Komrki wycieajce cew nerwow dziel si i rnicuj w kierunku neuronw i komrek glejowych.

Neurogeneza powstawanie neuronwKomrki wycieajce cew nerwow przechodz powtarzalny cykl migracji zwizanych z podziaem komrki (mitoz).Cykl rozpoczyna si od niezrnicowanej komrki zawierajcej diploidalne DNA (zawierajca po dwa chromosomy danego typu ) (faza G1). Jdro komrki przemieszcza si na zewntrz i rozpoczyna replikacje DNA (faza S). Po podwojeniu zawartoci DNA w jdrze (dolny rysunek), przemieszcza si ono z powrotem do wewntrz (faza G2) i rozpoczyna mitoz w pobliu cianki (faza M). W wyniku mitozy powstaj dwie komrki z diploidaln zawartoci DNA. Powstaa komrka i) moe sta si neuronem i rozpocz migracj w kierunku swojego miejsca docelowego, lub ii) staje si komrk niezrnicowan i zaczyna od nowa powtarzalny cykl podziau.

Migracje neuronwW pytce korowej (cortical plate, CP) neurony mijaj warstwy gbokie i d do warstwy I.Radialne komrki glejowe dostarczaj wytycznych dla migrujcych neuronwMigrujcy neuron. Z: http://www.rockefeller.edu/labheads/hatten/mechanism.html

Dojrzewanie neuronwDojrzewanie neuronw trwa znaczn cz ycia. Podczas rozwoju neuronu od fazy embrionu do dorosego czowieka, neurony rosn, oraz wyksztacaj drzewa dendrytyczne i kolaterale aksonu. Wczesne dziecistwo jest faz dynamicznego dojrzewania komrek w korze.

Dojrzewanie synapsPrzebieg czasowy rozwoju synaps w rnych obszarach kory mzgowej mapy. Na rys. F pokazano lokalizacje badanych obszarw. Powierzchniowa gstoci synaps w neuropilu (tkanka korowa bez cia komrek i bez naczy krwiononych) bya badana poprzez liczenie synaps na 100 mikrografiach z mikroskopu elektronowego. Poziomy szary pas wskazuje warto redni u dorosego osobnika. Czas (w skali logarytmicznej) przebiega od zapodnienia do wieku 20 lat. W badaniach zidentyfikowano 500 000 synaps w 25 000 mikorgrafiach u 22 map. Schemat rozwoju synaps jest taki sam we wszystkich badanych obszarach kory. U podu nastpuje stay wzrost gstoci synaps, osigajcy poziom dojrzaego organizmu w chwili urodzin. Po narodzinach gsto ronie jeszcze przez 2-4 miesice, a nastpnie opada (wpierw szybko, nastpnie wolno) i osiga poziomu dorosy w wieku 2-4 lata. Wyniki wskazuj na nadprodukcj i eliminacj. Konkurencja i walka o przetrwanie w wiecie zewntrznym odzwierciedla si w walce o przetrwanie synaps w wewntrznym wiecie neuronw. Przeywaj obwody najbardziej skuteczne w przetrwaniu caego organizmu.

Poziomy organizacji koryPoziomy organizacji ukadu nerwowego i kory mzgowej. Poziom czsteczek i jonw oraz kanaw i receptorw w korze odpowiada tym samym poziomom w innych strukturach mzgu.

Poziomy organizacji kory synapsy i kolce dendrytyczneRozwj synaptyczny jest w duej mierze zwizany z rozwojem kolcw dendrytycznych. Kady kolec jest siedzib synapsy; kolce odgrywaj role w nadprodukcji i eliminacji. Synapsy w korze s bardzo czue na sygnay rodowiska. Np. pozbawienie sygnaw wzrokowych prowadzi do redukcji iloci kolcw (w ciele kolankowatym bocznym - cz B na rysunku. 1 warunki normalne, 2 wychowanie w ciemnoci), wychowanie w stymulujcym otoczeniu powoduje wzrost gruboci kory i wiksze poczenia synaptyczne.

Poziomy organizacji kory jednostki kolcw dendrytycznychOddziaywanie pomidzy kolcami moe generowa operacje logiczne w dendrytach komrek kory. A. Segment dendrytyczny neuronu kory z czterema wejciami synaptycznymi. B. Model kompartmentowy segementu z rys. A. Kompartmenty pasywne pokazane s na biao, kompartmenty aktywne s zacieniowane, a C i D przedstawia ich obwody zastpcze. E. Symulacja odpowiedzi ukadu w wyniku pobudzenia komp. 1 i 2. Jednoczesne pobudzenie 1 i 2 prowadzi do powstania impulsw w komp. 1 i 2 oraz, poprzez pasywn propagacj, w komp. 3 i 4. Ukad funkcjonuje jak bramka logiczna AND. F. Symulacja odpowiedzi ukadu w wyniku pobudzenia komp. 1 i hamowania komp. 7. Hamowanie komp. 7 blokuje powstawanie impulsu w komp. 2 i 3 lecz nie w komp. 1. Ukad funkcjonuje jak bramka logiczna NOT-AND

Poziomy organizacji kory neurony koroweMircea Steriade, Neocortical Cell Classes Are Flexible Entities. NATURE REVIEWS | NEUROSCIENCE, VOL. 5, pp. 121-134, 2004.W korze znajduje si wiele rodzajw komrek. Wystpuje tu zasadniczy podzia na komrki piramidalne, tworzce wyjcia i niepiramidalne, gwnie interneurony hamujce. Komrki w rnych warstwach kory rni si rozmiarem i wasnociami. W pytkich warstwach kory wystpuj komrki typu RS (regular spiking), w gbszych warstwach wystpuj zarwno RS jak i IB (intrinsically bursting). Interneurony we wszystkich warstwach s typu FS (fast spiking). Funkcjonalne znaczenie rnych wzorcw odpalania jest wci badane.

Poziomy organizacji kory obwody lokalnePodobnie jak w innych obszarach mzgu, obwody synaptyczne w korze zbudowane s z elementw triady synaptycznej: wkna wejciowe, neurony wyjciowe i neurony wewntrzne (interneurony). A. Podstawowy obwd korowy: 1. Dostaje wejcia pobudzajce na dendryty dystalne neuronw piramidalnych. 2. Kolaterale axonalne s pobudzajce (reexcitatory, RE). 3. Interneurony dostaj wejcia i zapewniaj hamowanie do przodu (feedforward inhibition, FI) i/lub otrzymuj wejcia z kolaterali i zapewniaj hamowanie boczne (lateral inhibition, LI). W prostej korze (agranular neocortex, B.) np. kora motoryczna i asocjacyjna, komrki dostaj wejcia z innych obszarw kory. Wystpuj poczenia typu RE, FI, LI. W korze ziarnistej (granular neocortex, C.) np. kora wzrokowa, wejcia aferentne ze wzgrza dochodz do komrek gwiadzistych (stellate cells), definiujc now warstw (IV). Komrki gwiadziste tworz stacj przekanikow w korze, w ktrej odbywa si wstpne obrabianie informacji, zanim dotrze ona do komrek piramidowych.

Poziomy organizacji kory moduyObwody lokalne w korze nie s zorganizowane w sposb rozmyty lecz w skupiska tzw. moduy. Przykady modularyzacji kory podane s w tabeli.

Poziomy organizacji kory moduy w korze wzrokowejModuy nie s wpisane statycznie lecz tworz si pod wpywem dowiadczenia. A. U mapy projekcje oczne z ciaa kolankowatego bocznego w embrionie s pocztkowo rozlege i nakadajce si na siebie w korze wzrokowej. Na 2 tygodnie przed urodzeniem (E144) nastpuje segregacja wej z jednego i drugiego oka i powstanie kolumn dominacji ocznej, w peni uksztatowanych w 3-6 tygodni po urodzeniu.B. Jeli jedno oko bdzie zamknite od urodzenia, kolumny dominacji ocznej drugiego oka ulegn powikszeniu. Deprywacja jednooczna nastpowaa w wieku: a) 2 tygodnie, b) 5.5 tygodnia, c) 10 tygodni, d) w dorosoci. Zmiany w korze wzrokowej nastpuj gdy deprywacja zaczyna si w trakcie ksztatowania si kolumn (przypadek a i b).

Poziomy organizacji kory obszary i paty koroweKora ssakw skada si z czterech patw: czoowy (frontal), ciemieniowy (parietal), skroniowy (temporal) i potyliczny (occipital). Pat potyliczny dostaje wejcia wzrokowe, pat ciemieniowy wejcia czuciowe, pat skroniowy wejcia suchowe, w pacie czoowym ma pocztki wiele drg ruchowych. Obszary patw nie zaangaowane bezporednio w drogi zmysowe lub motoryczne nazywane s obszarami asocjacyjnymi. Obszary te ulegy najwikszemu powikszeniu u czowieka co czyni je jednym z atrybutw czowieka.

Poziomy organizacji kory ukady rozproszone przetwarzanie informacji wzrokowejB.W niszej czci pata skroniowego analizowane s wasnoci obiektw. C.W tylnej czci pata ciemieniowego analizowane s relacje przestrzenne midzy obiektami. Droga grzbietowa (dorsal) jest wielosensoryczna i czy informacje wzrokow z informacj czuciow rki.Wikszo zachowa kontrolowanych przez kor zaley od oddziaywania obszarw nalecych do rnych patw korowych. Innymi sowy, funkcje kory s zorganizowane w systemy rozproszone. Przykadem moe by analizowanie informacji wzrokowej angaujce obszary w pacie potylicznym, ciemieniowym i skroniowym.

Wewntrzne reprezentacje i paty czooweA. W patach czoowych nastpuje tworzenie wewntrznej reprezentacji wiata zewntrznego na podstawie informacji wzrokowej. Mapy z uszkodzon kor czoow (i noworodki do 1 roku ycia) nie potrafi wykona zadania polegajcego na utrzymaniu obiektu w wewntrznej reprezentacji, nie znajdujcego si w polu widzenia (delayed response test). B. Badania neuroanatomiczne pokazay silne wzajemne poczenia pomidzy obszarami asocjacyjnymi w korze przedczoowej i ciemieniowej. Wystpuj te drogi rwnolege biorce udzia w analizowaniu rnego typu informacji.

Paty czoowe, pami robocza i choroby psychiczneWorking memory confers the ability to guide behavior by internal representations of the outside world rather than by immediate stimulation and thus to base behavior on ideas and thoughts.P. Goldman-Rakic, 1991. Prefrontal cortical disfunction in schizophrenia: the relevance of working memory. In Psychopathology and the Brain. New York, Raven Press.Schizofrenia moe polega na zaamaniu mechanizmw dziki ktrym reprezentacja wewntrzna wiata (wiedza) rzdzi zachowaniem.Obserwacje potwierdzajce hipotez:1.Schizofrenicy atwo si rozpraszaj pod wpywem zewntrznych bodcw2. Schizofrenicy sabo wypadaj w tecie delayed response3. Pacjenci ze schizofreni maj zmniejszony przepyw krwi w patach czoowych.

Pkule mzgowe lateralizacja i dominacjaOryginalny rysunek Wernickego (1874) pokazujcy koncepcje obwodw mowy. Dwik docierajcy do uszu, zamienia si na impulsy nerwowe i dociera drogami suchowymi (a) do mzgu, gdzie obrazy dwiku s przechowywane w polu Wernickego (a). Obrazy neuronalne przesyane s do pola Broki (b), ktre aktywuje wychodzce projekcje motoryczne kontrolujce aparat mowy.Pierwszy dowd na asymetri funkcjonaln (lateralizacja) pkul poda Paul Broca w 1863. Aparat mowy znajduje si w pacie czoowym lewej pkuli (dominacja lewej pkuli w mowie).

DominacjaSchematyczny rysunek mzgu z zaznaczonymi specjalizacjami obu pkul. Pomidzy pkulami widoczne przecite spoido wielkie. Lewa pkula dominuje w: mowie, jzyku, zoonych ruchach zamierzonych, czytaniu, pisaniu i arytmetyce. Prawa pkula dominuje w: funkcjach nielingwistycznych, takich jak rozpoznawanie wzorcw wzrokowych, suchowych, czuciowych, orientacji przestrzennej, rozpoznawanie ksztatu, orientacji kierunku w przestrzeni oraz intuicji.Oglny podzia: pkula lewa naukowa, pkula prawa - artystyczna

LateralizacjaOprcz asymetrii funkcjonalnej odkryto (w 1968 r.) asymetri anatomiczn zwizan z obszarami mowy w mzgu. Obszar zwany Planum Temporale, zawierajcy orodek Wernickego jest znaczco wikszy z lewej strony.

Wypowiadanie wyrazwOrodki mzgu zaangaowane w wypowiadanie nazw widzianych obiektw. Informacja wzrokowa dochodzi do pola 17 i jest przetwarzana w polach 18 i 19. Stamtd obraz percepcyjny jest przekazywany do ciemieniowego obszaru mowy zawierajcego pole 39 i klasyczny obszar Wernickego. Pole 39 przekazuje wzrokow reprezentacje obiektu do pola 22, gdzie powstaje reprezentacja suchowa. Z pola 22, informacja dostaje si do pola Broki, gdzie uruchamiane s programy motoryczne mowy. Programy te kontroluj czasowo-przestrzenn koordynacje mini mowy i s odpowiedzialne za wypowiadane sowo.

Pozytonowa Tomografia Emisyjna (Positron Emission Tomography, PETPET technika obrazowania, w ktrej rejestruje si promieniowanie powstajce w podczas anihilacji pozytonw. rdem pozytonw jest substancja promieniotwrcza podana badanemu np. deoxyglukoza znakowana izotopem fluoru (F-18). W miejscach podwyszonego metabolizmu, nastpuje spalanie cukrw tam te gromadzi si deoxyglukoza, bdca rdem pozytonw. Pozytony, przebywaj drog ~mm i zderzaj si z elektronami. W wyniku anihilacji powstaj dwa fotony poruszajce si w przeciwnych kierunkach. S one rejestrowane jednoczenie przez dwa z wielu detektorw ustawionych wok (najczciej w postaci piercienia) badanego organu, w wyniku czego mona okreli dokadne miejsce powstania pozytonw. Informacje te rejestrowane w postaci cyfrowej pozwalaj na konstrukcj obrazw bdcych przekrojami ciaa (mzgu) pacjenta.Badanie aktywnoci mzgu wykonuje si w warunkach kontrolnych i podczas wykonywania zadania. Rnica obrazw pokazuje aktywno zwizan z zadaniem. Urednianie wielu obrazach prowadzi do redukcji szumu.

Mylcy mzg analiza informacji sownejBadanie aktywnoci mzgu metod PET podczas wykonywania trzech rnych zada o rosncej zoonoci. Dla kadego zadania obraz aktywnoci prostszego zadania by odejmowany od obrazu zadania bardziej skomplikowanego by wyrni miejsca w mzgu odpowiedzialne jedynie za zadanie skomplikowane. Zadanie 1: pasywny odbir bodca sensorycznego sowa prezentowanego A wzrokowo, B suchowo, w porwnaniu z fiksacja wzrokow. Zadanie 2: wypowiadanie prezentowanego sowa C), w porwnaniu z pasywnym odbiorem. Zadanie 3: wypowiadanie sowa skojarzonego ze sowem prezentowanym (D), w porwnaniu z wypowiadaniem prezentowanego sowa. Z: Petersen SE, Fox PT, Posner MI, Mintun M, Raichle ME. Positron emission tomographic studies of the cortical anatomy of single-word processing. Nature. 1988 18;331(6157):585-9.

Kod MzguJak kodowana jest informacja w mzgu za pomoc potencjaw czynnociowych?BinarnieCzsto ilo potencjaw czynnociowych na jednostk czasu (rate coding): narzdy zmysw, minie

Kod MzguKod czasowy zaleno czasowa midzy impulsami

Kod MzguKodowanie populacyjne wzorzec aktywnoci w populacji neuronw. Np. kodowanie kierunku ruch, orientacji przestrzennej bodca, smaku, koloru

Gamma codingSinger and von der Malsburg: gamma oscillation is a network phenomenon in which a group of cells fire together synchronously (synchronous is defined as firing in same gamma cycle; different groups fire on different gamma cycles.) Cognitive role: cells representing groups of features that were part of the same object would fire synchronously (binding). Different assemblies firing in different gamma cycles could represent different entities (A, B, C..) that are simultaneously encoded in the brain.Singer W. 2000. Response synchronization: a universal coding strategy for the definition of relations. In: Gazzaniga MS, editor. The new cognitive neurosciences. 2nd ed. Cambridge, MA: MIT Press. p 325338.

Theta coding phase precession in hippocampal cells0o180o360oOKeefe J, Recce ML. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus 1993;3:31730.As the rat traverses the place field the phase of each spike relative to the peaks of theta in the field potential changes systematically.Hippocampal place cells code for spatial location.Code: phase of a spike with respect to theta cycle.Mehta MR, Lee AK, Wilson MA. 2002. Role of experience and oscillations in transforming a rate code into a temporal code. Nature 417:741746.

Theta coding phase precession in hippocampal cellsSkaggs WE, McNaughton BL, Wilson MA, Barnes CA. 1996. Theta phase precession in hippocampal neuronal populations and the compression of temporal sequences. Hippocampus 6:149172.Prediction: that two cells coding for slightly different positions should show a cross-correlation with a peak offset equal to a significant fraction of theta.Confirmed!Cross-correlation between 4 place cells (pairwise 12,13, and 14). Different cells have systematic theta phase difference. The peak cross-correlation (lower panels) has a temporal offset in the 4080 ms range.

Theta/gamma coding working memory modelLisman J, The Theta/Gamma Discrete Phase Code Occuring During the Hippocampal Phase Precession May be a More General Brain Coding Scheme. HIPPOCAMPUS 15:913922 (2005)Each theta cycle is subdivided into 7 gamma subcycles (A-G). Within a particular gamma cycle (e.g., A), certain cells will be active, forming a spatial code for an item. Seven items are sequentially represented in the gamma subcycles. The entire pattern group of 7 patterns may repeat on the next theta cycle if this is a working memory network.Decoding: coincidence detection by downstream cells

Gamma vs. Theta/gamma codingSingers coding scheme depends only on gamma. What it is that the presence of theta provides?Suppose two assemblies (A,B) fire in sequential gamma cycles. What is the orderAB or BA?Theta provides absolute phase reference and can convey information about position in an ordered setTheta is a brain clock for a neural code designed for handling ordered units of information.

Theta/gamma coding in humans-analysis of EEG, MEG and intracranial EEG recordings-experiments motivated by animal studies-behavioral (verbal, visual and spatial cognition) correlates of gamma and theta oscillations were found often depending on brain region and poststimulus latencyKahana MJ, Sekuler R, Caplan JB, Kirschen M, Madsen JR: Human theta oscillations exhibit task dependence during virtual maze navigation. Nature 1999, 399:781-784.Increase of theta power during long maze navigation at selected brain sites:Tallon-Baudry C, Bertrand O, Delpuech C, Pernier J. Stimulus specificity of phase-locked and non-phase-locked 40 Hz visual responses in human. J Neurosci. 1996;16(13):4240-9. Construction of an object representation induces gamma burst at 280 mstrianglenotriangle

******