Pacemaker im Thalamus
Mehr als 100 Milliarden Neuronen befinden sich im Gehirn und 97% der neuronalen Verbindungen finden wir im Kortex, aber deren Aktivität wird moduliert von Pacemakern im Thalamus, dadurch wird der Einluss der thalamo kortikalen Verbindungen erheblich größer als es die geringe Anzahl der beteiligten Zellen vermuten lässt. Pacemaker im Thalamus produzieren unterschiedliche kortikale Rhythmen in Abhängigkeit davon, welche kortikalen Loops oder Schleifen sie aktivieren. Die Thalamus Zellen sind Relaiszellen, die sich entweder in einem aktiven Zustand (Relais oder Arbeitsmodus) befinden oder in einem standby (idling) Modus. Der standby oder idling Modus ist ein Zustand, in dem diese Zellen beispielsweise keinen kortikalen Input erhalten. Unter dieser Bedingung kommt es zu einer Hyperpolarisation dieser Zellen. Sie beginnen in einem oszillierenden Rhythmus zu feuern Anderson and Anderson (1968) vermuteten, dass thalamokortikale Zellen mittels Nervenfibern mit dem Kortex vebunden sind. Diese Fibern besitzen Zweige, die zu Interneuronen führen, die dann für eine Inhibitation der thalamischen Aktivität sorgen. Daraufhin erneuert sich der Zyklus, indem sich die Neuronen des Thalamus wieder in den exzitatorischen Zustand bewegen. Sie feuern dann erneut eine synchronisierte Salve von Nervenimpulsen, die sowohl zum Kortex als auch zu den thalamischen inhibitorischen Interneuronen gelangt. Wenn die Inhibition eine zehntel Sekunde dauert, wird die darauf folgende zyklische Exzitation bei 10 Entladungen pro Sekunde liegen und würde als Alpha Rhythmus registriert. Der Nukleus Retikularis (einer der Nuklei innerhalb des Thalamus) besitzt solche intrinischen Pacemaker und ist verantwortlich für die Schlafspindeln im EEG. Diese Art der Aktivität ist im Großen und Ganzen für die rhythmisch auftretende Hirnaktivität verantwortlich. Stermans Forschung mit Katzen bewies, dass sobald thalamokortikale Verbindungen getrennt werden, nur noch Delta Wellen im EEG zu sehen sind. Sowohl Theta, als auch Alpha und SMR verschwinden..
Unterbrechungen der rhytmischen Aktivität können als Folge von einem Input aus angrenzenden neuronalen Systemen die Arousal produzieren als Desynchronisation erfolgen, teilweise durch "Aktivierung von cholinergen Projektionen des basalen Vorderhirns und des Hirnstamms sowie von Projektionen der Raphe Kerne und dem Locus Koeruleus ” (Fisch, p 14[L1] ). Zu verstehen, wie synchronisierte und desynchronisierte EEG Aktivität entsteht, ist der Schlüssel, um die Wirkung von Neurofeedback zu verstehen.
Lubar stellte fest: Veränderungen der kortikalen Schleifen, in Folge von Lernen, Emotionen, Motivation oder Neurofeedback, das dazu dient, diese Fähigkeiten zu fördern, verändert die Aktivität thalamischer Pacemaker, was dazu führt, dass deren intrinisch gesteuerte Feuerrate zu verändern.“ Er merkte an, dass eine Veränderung dieser intrinsischen Feuerrrate Veränderungen des Bewusstseinszustandes bedeutet. Während der Arbeit mit ADS Patienten ist das verändern dieser Feuerrrate normalerweise das Senken von Theta und das Anheben von SMR Frequenzen (Lubar, 1997 after Nunez)
Das unten aufgeführte Diagramm soll die korticothamalischen Kommunikationsbahnen verdeutlichen.
Grafik nach Sherman und Guillery. Danke an Barry Sterman
T = Thalamus; AA = Ascending Afferents
C = Cortex; 6,5,4, are layers in the cortex;
Genau über ‘A’ sehen wir ein Axon einer Pyramiden Zelle in Layer 6 zum thalamo sensorischen Relay Nukleus. Achten sie darauf, dass das Axon einen Zweig hat, der zum retikulären Nukleus des Thalamus führt, der seinerseits ein inhibitorisches Axon zum Thalamus besitzt, das die Aufgabe hat, das Feuern des Nukleus zu inhibitieren, den das Kortexaxon begrenzt
Dieses Diagramm zeigt kortikothalamische Wechselwirkungen. Es werden zwei Prinzipien schematisch dargestellt: erstens, “Area #1” des Kortex sendet Axone zum sensorischen Relay Nukleus des Thalamus Das kann den Thalamus dazu beeinflussen, aktiv zu werden und aufmerksam oder dazu, diese Aufmerksamkeit auf einen spezifischen sensorischen Input hin zu beenden. Zweitens, Area #1 (stellen wir uns vor, der Input sei eventuell visuell) Kommunikationsbahnen zu T2 (einem Thalamischen Assoziations Nukleus) welcher als Antwort mit der kortikalen “Area #2,” in Verbindung tritt, die eine ganz andere Funktion als Area #1 besitzt. Das ist der Grund, warum ein Durchtrennen der kortikalen Verbindungen entlang der gepunkteten Linie zwischen Area #1 und Area #2 die Verbindungen zwischen beiden nicht unterbricht.
Kortikale elektrische Kommunikation
Macrokolumns
Die Pyramidenzellen und ihre sie umgebenden Unterstützungszellen (Sternzellen und Korbzellen) sind gruppenweise organisiert. Jede vertikale Reihe enthält hunderte von Pyramidenzellen. Die Reihen stehen parallel zueinander und rechtwinklig zur Kortexoberfläche. Viele angrenzende Gruppen könnten denselben afferenten axonalen Input erhalten und deshalb gleichzeitig feuern, um dadurch ein elektrisches Potential zu erzeugen, das man an der Kopfoberfläche messen kann. Jede Pyramidenzelle kann mehr als 100000 Synapsen haben. Tatsächlich braucht es mindestens 6 cm2 Kortex mit synchroner Zellaktivität um eine aussagekräftige EEG Messung an der Kopfoberfläche zu erhalten. (Dyro, 1989). Die gemessene Amplitude wird abhängig bleiben von der Menge und der Art des Gewebes, das sich zwischen der Elektrode und dem Kortex befindet. Kinder besitzen beispielsweise dünnere Knochen und haben deshalb höhere Amplituden im EEG. Man muss verstehen, dass man aus dem EEG nicht erkennen kann, ob das Potential unter der Elektrode von inhibitorischen postsynaptischen Potentialen oder von exzitatorischen postsynaptischen Potenzialen stammt. Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass bei epileptischen Entladungen der Spike von Exzitation verursacht wird, die langsamen Wellen aber von Inhibition.
Resonante kortikale Schleifen
Kortikal zu Kortikal Verbindungen sind erheblich häufiger zu finden als thalamo-kortikale Verbindungen. Der EEG Rhythmus ist direkt abhängig vom thalamischen Einfluss und könnte ebenfalls von den + Verbindungen zwischen Gruppen von kortikalen Zellen stammen. (Traub et al., 1989).
Um die im EEG gemessene elektrische Aktivität zu verstehen, muss man in Rechnung bringen, dass einige Frequenzanteile damit zusammenhängen, dass es unterschiedliche Distanzen zwischen den Zellblöcken oder Columns innerhalb des Kortex zu überwinden gilt. Joel Lubar hat uns darüber einen aufschlussreichen Überblick gegeben. (Lubar, 1999). Er erklärt, dass diese Distanz einer der Faktoren ist, die die Frequenz des EEG, das wir messen, bestimmen. Subkortikale rhythmische Einflüsse, wie die, die vom Thalamus stammen, sind der andere, bestimmende Faktor. Vereinfach kann man es wie folgt betrachten:.
Der Kortex arbeitet mittels dreier großer Resonanzschleifen. Das sind::
1. Lokal: Diese elektrische Loops oder Schleifen bestehen zwischen Makrokolumns die nahe beieinander stehen. Diese könnten für High Frequency (> 30Hz) Gamma Aktivität verantwortlich sein..
2. Regional: Diese Schleife elektrischer Aktivität besteht zwischen Makrokolumns die mehrere Zentimeter voneinander entfernt liegen. Scheinbar sorgen diese Verbindungen für den mittleren Frequenzbereich: Alpha und Beta.
3. Global fronto-parietal oder fronto occipital. Areale, die bis zu 7 cm voneinander entfernt sein können. Diese Schleifen produzieren langsamere Frequenzen im Delta- und Theta Bereich..
Alle drei Resonanzschleifen werden spontan aktiviert oder angeregt durch thalamische Pacemaker..
Klinischer Ratschlag
Wenn sie mit Klienten arbeiten ist es oft sehr hilfreich, wenn diese erkennen, dass ihr EEG durch Stimulation verändert wird. Man könnte sie veranlassen, die Augen zu schließen und wieder zu öffnen. Die Klienten können selbst beobachten, dass occipitales und manchmal auch zentrales Alpha durch visuelle Stimulation geblockt wird. Wenn man der schwankenden Aktivität des mu Rhythmus an C3 oder C4 Aufmerksamkeit schenkt, dann kann man durch Schließen der Faust auf der gegenüberliegenden Seite der beobachteten elektrischen Aktivität diesen Rhythmus blockieren. Es ist von großer Bedeutung für AD(H)S Kinder und deren Eltern, dass sie einmal bewusst beobachten, dass es zu einer Reduktion von Theta Aktivität und zu einem Anstieg der Beta Aktivität zwischen 16 und 18 Hz kommt, sowohl frontal als auch zentral, wenn sie eine Mathematik Aufgabe lesen, lösen und eine Antwort geben. Der Trainer kann während einer langweiligen Aufgabe das EEG laufen lassen und dem Kind ermöglichen den Anstieg der Theta und Alpha Frequenzen zu beobachten, dann kann er das EEG stoppen und den Klienten fragen, was im Innern geschehen ist und wie sich dieses im EEG darstellte. Die meisten Klienten berichten, dass sie während der Aufgabe geistig abdrifteten. Theta ist manchmal auch ein wichtiger Aktivitätszustand, er ist wichtig für das Erinnerungsvermögen. Schlecht ist dieser Zustand aber, wenn das ADHS Kind von alleine in diesen Frequenzbereich abdriftet und dort verharrt, während der Lehrer oder die Eltern seine Aufmerksamkeit wünschen. Wir unterstützen beim Neurofeedback die Regulationsfähigkeit der eigenen mentalen Zustände. Während der ersten Trainingssitzungen können solche Demonstrationen hilfreich sein, um dem Klienten erstmals zu zeigen, dass er in der Lage ist, die Gehirnaktivität zu steuern und dass diese Steuerung sich im gemessenen EEG zeigt.
Kommunikationsverbindungen
Es wurde bereits erwähnt, dass die meisten Aktivitäten des Gehirns und zwar 95% zwischen kortikalen Arealen oftmals in der gleichen Hemisphäre stattfinden. Weniger als 5% betreffen die thalamo-kortikalen Verbindungen, trotzdem haben diese einen erheblichen Einfluss auf das, was wir im EEG beobachten. Steriade, in Ottawa, Canada, zeigte, dass selbst dann, wenn der Kortex abgetrennt wurde, weiterhin Kommunikationswege zwischen weit voneinander entfernten Regionen des bestanden (Steriade, 1990). Diese Kommunikation wird subkortikal organisiert vom Thalamus. Synchrone Aktivität stammt normalerweise von thalamischen Einflüssen. Sie kann aber auch mit kortikalen Lesionen oder epileptischer Aktivität in Zusammenhang stehen..
Das Übertragungssignal durch einen Volume Conductor erfolgt beinahe mit Lichtgeschwindigkeit. Beispiele solcher Volume Konduktoren sind z.B. das zerebrale spinal fluid (CSF), Hirngewebe, Knochen und Kopfhaut Also werden EEG Wellen, die im gleichen Moment an verschiedenen Messpunkten auftauchen, wahrscheinlich vom gleichen Generator erzeugt. Wenn es einen zeitlichen Abstand gibt, muss eine Synapse zwischengeschaltet sein und damit eine andere Zellformation. (Fisch, 1999, p 16)
Koppelung ist ein Begriff, der erst vor Kurzem in Mode gekommen ist. Koppelung bedeutet, dass zwei Objekte sich verbinden wie zwei Waggons eines Zuges. Man beginnt zu erkennen, dass für jeden unterschiedlichen mentalen Zustand eine jeweils optimale Koppelung zwischen verschiedenen Hirnarealen besteht.
Hypercoupling
Um Lubar zu zitieren: “Neokortikale Zustände im Zusammenhang mit starkem kortiko-kortikalem Coupling nennt man Hypercoupling. Sie werden mit globalen oder regionalen Resonanzzuständen in Verbindung gebracht. [L2] Hypercoupling bedeutet also, dass große Resonanzschleifen beteiligt sind. Biochemisch bedeutet das, dass der dominante Neurotransmitter bei dieser Art der Koppelung Serotonin ist. Hyperkoppelung ist bedeutsam bei Hypnose und Schlaf aber auch zur Visualisation. Hyperkoppelung wird aber auch mit nachlassender Aufmerksamkeit in Verbindung gebracht.
Hypocoupling
Hypocoupling wird in Zusammenhang gebracht mit kleinen regionalen und lokalen Schleifen und damit mit höheren Frequenzen. Biochemisch scheinen Acetylcholin, Noradrenalin und Dopamin als Botenstoffe dabei eine Rolle zu spielen. Hypocoupling soll wichtig sein für Informationsverarbeitung, komplexe mentale Aktivität und angehobene Aufmerksamkeit.
Normalerwiese benutzen wir NFB um Menschen zu einem besseren Hypocoupling zu verhelfen und damit die lokalen und regionalen Vernetzungen zu fördern um die Fähigkeit zu höherer Aufmerksamkeit und besserem Lernen zu verbessern. Obwohl die von uns gemessene Aktivität des Gehirns kortikaler Herkunft ist, wird die Regulation dieser Aktivität hauptsächlich von subkortikalen Strukturen kontrolliert, normalerweise von den Verbindungen zwischen Thalamus und Makrokolumnen kortikaler Zellen.
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