Brain Research: Brain reorganisation in neurologic disease
Contact:
Cornelius Weiller
PIs and current researchers:
Lena Beume, Tobias Bormann, Martina Conterno, Felicitas Körner, Andrea Dressing, Volkmar Glauche, Maren Hieber, Christoph Kaller, Dorothee Kümmerer, Mariachristina Musso, Michel Rijntjes, Cornelius Weiller Students: Maria Schöllhorn, Katrin Wahl, Ariane Martinez Oeckel
Alumni:
These are scientists (medics, computer scientists, linguists, logopedics or physiotherapists) over the past 25 years or so at various cities. Our research profited enormously by their work and the ideas they contributed. All have made their own way and hopefully do not protest for being listed here. We are grateful for being able to have had them in the team: Steffie Abel (Manchester), Annette Baumgärtner (Lübeck), Tobias Bäumer (Lübeck), Ulrike Bingel (Essen), Christian Büchel (HH), Carsten Buhmann (HH), Christian Dettmers (Konstanz), Stefanie Dohse (HH), Bogdan Draganski (Lausanne), Anna Gorsler (Beelitz), Farsin Hamzei (Jena), Thomas Hassa (Allensbach), Jens Haueisen (Ilmenau), Andreas Horn (Berlin), Christian Isensee (Aachen), Markus Jüptner (Essen), Michael Katzev (Freiburg), Holger Kaube (München), Stefan Kiebel (Dresden), Gesche Ketels (HH), Stefan Klöppel (Bern), Rüdiger Lange (Nürnberg), Joachim Liepert (Allensbach), Markus Martin nee Hoeren (Freiburg), Arne May (HH), Alexander Münchau (Lübeck), Verena Hobbeling (HH), Kai Nitschke (Freiburg), Dorothee Saur (Leipzig), Miriam Sach (La Jolla), Valeska Schraknepper (HH), Götz Thomalla (HH), Oliver Tüscher (Mainz), Roza Umarova (Bern), Thilo van Eimeren (Köln), Magnus Vry (Freiburg), Simone Zittel (HH), Britta Ziemus (Maastricht).
active collaborations:
Jürgen Hennig, Marco Reisert, Elias Kellner, Vladimir Kiselev (MR-Physics); Karl Egger, Horst Urbach (Neuroradiology), Klaus Willmes (Biometry, Aachen), Daniela Perani, Marco Tettamanti (Milan), Georg Goldenberg (Wien), Jean-Francois Demonet (Lausanne), Alice Blumenthal-Drame, Bernd Wortmann (ALU Freiburg)
Lessons from own research
Brain functions may be localised in functionally segregated brain regions but in the majority, function emerges from context-dependent interaction in distributed, overlapping and parallel processing networks, which serve as (…. bis hier als teaser, for more information) multiple, constantly adapting closed-loop systems. Even the adult and lesioned brain retains a "plastic" potential. These two major characteristics help to understand learning and recovery in the central nervous system.
In healthy adults behaviour and brain activity are congruent in an efficient manner. In brain diseases behaviour is altered, e.g. in stroke: hemiparesis, aphasia; in Parkinson’s bradykinesia; in epilepsy involuntary paroxysmal discharges; in depression lack of expectance of reward. Functional brain imaging and relating patients’ behaviour to altered brain anatomy taught us in the last years, that models of closed-loops (e.g. „action-perception cycle“ of J. Fuster, the interplay of top-down and bottom-up processing) anatomically may be instantiated in a domain general dual-loop framework, connecting pre- and postrolandic cortices via dorsal or ventral long association tracts, on which several cognitive functions project (see: the dual-loop model). Learning can be seen as a refinement of connections within these loops. In normal subjects, learning is characterised by a decrease of focal brain activity going along with an increased connectivity between the collaborating nets. Brain diseases are seen as network disorders resulting in a disruption of the closed-loops. Within the last years, several strands of analyses identified the anatomy and functional attribution of brain’s own closed loops, the affection of those loops due to stroke and, more recently natural intrinsic compensatory resources after stroke and predictors of recovery (see: LSP).
Thus, stroke may be seen as a disconnection phenomenon. In our opinion there is not one single crucial "recovery area" (like the ipsilateral motor or premotor cortex in hemiplegia or the "right Wernicke centre" in aphasia). Rather recovery of function seems to imply the "reconnection" or perhaps better the recoordination of a network of areas, each of which may be specialised in one or more aspect of the corresponding function but requires the coherent and timely support from others to reach a high level of proficiency. Current research investigates the interplay between both loops for intrinsic compensation after stroke. Training induced recovery (i.e.; learning) in stroke seems to require a temporary augmentation of focal excitability to enable the brain to recoordinate the sparse remaining or yet ineffective connections. For more cognitive functions as in language, praxis or space processing, we hypothesize three stages of recovery: an initial period of “shock” with almost complete abolished function and with almost no activability is followed by a state of “hyperexicitability” of the brain and thereafter by a gradual normalization of brain activity.
How to help recovery? Conventional approaches use drugs or stimulating devices (TMS, tDCS, DBS) to stimulate or inhibit (local) brain activity or training to support intrinsic recovery. The cluster of excellence BrainLinksBrainTools aims to use external devices to improve altered function in a closed-loop approach.
Three levels of support can be differentiated:
- An external system can SUBSTITUTE in case of a disconnected brain, e.g. BCI approaches in complete paralysis, cochlear implants etc.
- External devices can permanently COMPENSATE by providing the interrupted part of the loop (e.g. closed-loop DBS approaches in Parkinson’s, seizure preventing electrical stimulation in Epilepsy, driving the frontal cortex in severe depression, EEG-triggered TMS in stroke recovery)
- RECOVERY means Re-learning of the brain. Here external devices are used for TEMPORARY EXTERNALISATION as support of the altered loops with the aim of full RE-INTERNALISATION. This approach is conceptually similar to behavioural and rehabilitative approaches (e.g. CIAT, CIMT, Mirror training, tDCS). In our project STROKE+ in the context of BLBT we aim to use anatomical priors to “direct“ brain activity, using EEG or on-line fMRI.
Cornelius Weiller, Michel Rijntjes
Das Zweischleifenmodell: eine gemeinsam anatomische und funktionelle Basis für Sprache, Motorik und räumliche Aufmerksamkeit
Das Zweischleifenmodell: eine gemeinsame anatomische und funktionelle Basis für Sprache, Motorik und räumliche Aufmerksamkeit.
Traditionell wird das Gehirn anatomisch durch den Sulcus centralis horizontal in post- und prärolandische Areale geteilt. Vor circa 40 Jahren wurde für das visuelle System eine funktionelle vertikale Einteilung vorgeschlagen: im Okzipitallappen entspringt ein dorsaler Weg zum Parietallappen für das „Wo“ eines Objektes und ein ventraler Weg zum Temporallappen für das „Was“ eines Objektes. Heute wissen wir, dass alle Hirnfunktionen nicht durch ein einzelnes Areal gesteuert werden, sondern in Netzwerken repräsentiert sind. Studien mittels funktioneller Kernspintomographie in den letzten Jahren zeigen in Kombination mit Diffusions-Tensor-Imaging (DTI), wie aktivierte Areale anatomisch miteinander verbunden sind. Es stellt sich heraus, dass bei Sprache, Motorik und räumlicher Aufmerksamkeit dorsale und ventrale Verbindungen vorhanden sind, anatomisch definiert als oberhalb bzw. unterhalb der Sylvischen Fissur, mit unterschiedlichen Funktionen: im dorsalen Weg finden zeit- und raumabhängige sequentielle Prozesse, im ventralen Weg strukturelle Analysen statt (1). Beispiele: das Nachsprechen von Pseudowörtern benutzt post- und prärolandische Areale, die dorsal durch den Fasciculus arcuatus /Fasciculus longitudinalis III miteinander verbunden sind, für das Verstehen von Sätzen werden Areale aktiviert, die ventral über die Capsula extrema verbunden sind (2). Die Durchführung einer einfachen Bewegung läuft über dorsale Wege, die reine Vorstellung dieser Bewegung über den ventralen Weg. Für fokussierte Wahrnehmung einzelner Reize im linken oder rechten Gesichtsfeld ist v.a. das kontralaterale dorsale System aktiviert, bei bilateraler Aufmerksamkeit, entsprechend der internen Repräsentation der Gesamtheit des Raumes, der ventrale Weg in der rechten Hemisphäre (3).
Der dorsale Weg kann in der Motorik und räumlichen Aufmerksamkeit noch unterteilt werden in einen dorso-dorsalen Weg für variable Objekteigenschaften und einen ventro-dorsalen Weg für abgespeicherte, stabile Objektrepräsentationen. Beispiel: Für Imitation sinnloser Handstellungen reicht der dorso-dorsale Weg, für eine Objekthandlung kommt der ventro-dorsale Weg dazu, Pantomime einer Objekthandlung verbindet post- und prärolandische Areale über den ventralen Weg. Die dabei beteiligten kortikalen Areale sind eher aufgabenspezifisch als domänenspezifisch: beim Hören des Wortes „Greifen“ entstehen die gleichen Aktivierungsmuster im fronto-parietalen System wie beim Sehen eines Greifaktes (4).
Normalerweise werden diese zwei Wege immer parallel genutzt, aber es gibt Situationen, in denen eine Dissoziation erkennbar ist. In der Kindesentwicklung sind laut Vygotzky „denken“ und „sprechen“ (oder „handeln“) zunächst getrennte Prozesse, die erst nach langjähriger Übung zusammen kommen, erkennbar in der Phase der egozentrischen Sprache zwischen dem 3. Und 5. Lebensjahr, in der Kinder ihre Handlungen sprachlich begleiten (5). Erst danach kann die Sprache oder Handlung „internalisiert“ werden, was die Bedingung für innere Sprache und damit für die typische menschliche Fähigkeit ist, außerhalb des aktuellen Geschehens, gelöst von den Zwängen von Raum und Zeit, zu reflektieren und zu abstrahieren (6).
Eine andere Situation findet sich nach einem Schlaganfall. Konzeptuelle Fehler hängen sowohl während pantomimisch dargestelltem Werkzeuggebrauch, als auch während dem Erkennen beobachteter Handlungen signifikant mit einer Schädigung des ventralen Weges zusammen (7). Bei Patienten mit Aphasie können Sprachverständnisstörungen und semantische Paraphasien einer Schädigung der ventralen Verbindung, phonematische Paraphasien einer Schädigung der dorsalen Verbindung zugeordnet werden (8).Bei Patienten mit Neglect geht die verminderte Wahrnehmung des kontraläsionellen Raumes überwiegend mit Läsionen im ventralen Weg einher.
Das Zweischleifenmodell scheint damit ein generelles, domänenübergreifendes Prinzip zu sein, wie im Gehirn sequentielle und strukturelle Analysen durchgeführt werden. Es kann uns helfen, neuropsychologische Defizite bei Patienten mit Schlaganfall besser zu verstehen. Aus dem Zweischleifenmodell kann auch eine Hypothese für rehabilitative Therapie abgeleitet werden: wenn Patienten mit Schlaganfall ihre Defizite bewusst „externalisieren“, werden beide Wege auf natürliche Weise, wie in der Kindheit, in ihrer Zusammenarbeit trainiert.
- Weiller C. Bormann T, Saur D, Musso M, Rijntjes M (2011). How the ventral pathway got lost - And what its recovery might mean. Brain & Language 118: 29-39
- Saur D, Kreher BW, Schnell S et al (2008). Ventral and dorsal pathways for language. Proc Natl Acad Sci U S A.105(46) 18035-40
- Beume D, Kaller CP, Hoeren M, et al (2015). Processing of bilateral versus unilateral conditions: evidence for the functional contribution of the ventral attention network. Cortex. 66:91-102.
- Sakreida K, Effnert I, Thill S, et al (2016). Affordance processing in segregated parieto-frontal dorsal stream sub-pathways. Neurosci Biobehav Rev.( 69) 89-112.
- Vygotzky, L (1986) Thought and Language. MIT Press, Cambridge, MA, USA
- Rijntjes M, Weiller C, Bormann T, et al (2012). The Dual-Loop Model: Its relation to language and other modalities. Front Evolut Neurosci 4 (9), 1-16
- Martin M, Beume L, Kümmerer D, et al (2016). Differential Roles of Ventral and Dorsal Streams for Conceptual and Production-Related Components of Tool Use in Acute Stroke Patients. Cereb Cortex 26(9):3754-71
- Kuemmerer D, Hartwigsen, G, Kellmeyer, P, et al, (2013). Damage to ventral and dorsal language pathways in acute aphasia. Brain. 136, 619-29
modfiziert nach: Rijntjes in current congress, DGN 2016
