Band 23, Heft 2

Zusammenfassung Der laterale Hypothalamus (LH) reguliert angeborenes Verhalten, wie Nahrungsaufnahme, Schlaf, Wachzustand und Fortbewegung. Pathologien des LH werden mit einem weiten Spektrum von Schlaf- und Essstörungen in Zusammenhang gebracht. Technologische Fortschritte in den Bereichen Optogenetik, Elektrophysiologie und Kalzium-Imaging ermöglichten Identifizierung, Aktivitätsanalyse und Manipulation unterschiedlicher Zelltypen des Hypothalamus mit hoher zeitlicher Präzision in verhaltenden Mäusen. Hier fassen wir neuere Studien zusammen, welche Funktionen der Orexin/Hypocretin-, GABA- und MCH (melanin-concentrating hormone)-exprimierenden LH-Neurone bei der Regulation angeborenen Verhaltens aufklärten. Des Weiteren erläutern wir wie spontane oder optogenetisch induzierte Änderungen der neuronalen Aktivität im hypothalamischen Netzwerk zu Veränderungen im Verhalten führen können.

Lateral hypothalamus (LH) is crucial for the regulation of innate behaviors, including food intake, sleep, wakefulness and locomotion. Pathologies of LH are associated with widespread sleep and eating disorders. Recent progress in several technologies, including optogenetics, multisite high-density neuronal recordings and Ca2+ imaging in behaving mice have enabled cell-type specific readout of activity in hypothalamus, as well as identification and manipulation of defined neuronal populations and their projections with high temporal resolution. Here we summarize recent studies characterizing the functions of orexin/hypocretin-, GABA- and MCH (melanin-concentrating hormone)-expressing LH neurons in innate behaviors. Further, we describe how top-down inputs convey information from other forebrain regions to LH and regulate innate behaviors. We then elucidate how spontaneous or optogenetically induced changes of neuronal activity in hypothalamic circuits are translated into behavior.

Zusammenfassung Musiker sind ein hervorragendes Modell, um die Plastizität des menschlichen Gehirns zu ergründen. Die Anforderungen an das Nervensystem sind beim Musizieren außerordentlich hoch und bieten ein einzigartig reiches multisensorisches und motorisches Erlebnis. Dieser Artikel resümiert den aktuellen Forschungsstand zu den Auswirkungen musikalischer Ausbildung auf Hirnfunktionen, neuronale Konnektivität und Gehirnstruktur. Als Erstes wird diskutiert, welche Faktoren die Plastizität im Gehirn von Musikern auslösen und fortwährend anregen. Dabei stellen wir die Hypothese auf, dass kontinuierliches zielorientiertes Üben, multisensorische motorische Integration und emotionale und soziale Belohnungen an diesen plastizitätsinduzierten Veränderungen des Gehirns beteiligt sind. Im Anschluss daran fassen wir kurz die Neuroanatomie und Neurophysiologie des Musizierens zusammen. Der folgende Abschnitt beschäftigt sich mit dem Zusammenhang von musikalischer Ausbildung und strukturellen Anpassungen der grauen und weißen Substanz im Gehirn. Wir diskutieren kritisch den Befund, dass strukturelle Veränderungen am häufigsten beobachtet wurden, wenn die musikalische Ausbildung nach dem siebten Lebensjahr begonnen wurde, wohingegen die funktionelle Optimierung effektiver vor diesem Zeitraum stattfindet. Danach widmen wir uns dem Verlust der feinmotorischen Kontrolle, der „Musikerdystonie“. Dieser Zustand ist durch maladaptive Plastizität des Gehirns bedingt. Wir schließen mit einer kurzen Zusammenfassung über die Rolle von Hirnplastizität, Metaplastizität und maladaptiver Plastizität mit dem Erwerb und Verlust von musikalischer Expertise ab.

Musicians with extensive training and playing experience provide an excellent model for studying plasticity of the human brain. The demands placed on the nervous system by music performance are very high and provide a uniquely rich multisensory and motor experience to the player. As confirmed by neuroimaging studies, playing music depends on a strong coupling of perception and action mediated by sensory, motor, and multimodal integration regions distributed throughout the brain. A pianist, for example, must draw on a whole set of complex skills, including translating visual analysis of musical notation into motor movements, coordinating multisensory information with bimanual motor activity, developing fine motor skills in both hands coupled with metric precision, and monitoring auditory feedback to fine-tune a performance as it progresses. This article summarizes research on the effects of musical training on brain function, brain connectivity and brain structure. First we address factors inducing and continuously driving brain plasticity in dedicated musicians, arguing that prolonged goal-directed practice, multi-sensory-motor integration, high arousal, and emotional and social rewards contribute to these plasticity-induced brain adaptations. Subsequently, we briefly review the neuroanatomy and neurophysiology underpinning musical activities. Here we focus on the perception of sound, integration of sound and movement, and the physiology of motor planning and motor control. We then review the literature on functional changes in brain activation and brain connectivity along with the acquisition of musical skills, be they auditory or sensory-motor. In the following section we focus on structural adaptions in the gray matter of the brain and in fiber-tract density associated with music learning. Here we critically discuss the findings that structural changes are mostly seen when starting musical training after age seven, whereas functional optimization is more effective before this age. We then address the phenomenon of de-expertise, reviewing studies which provide evidence that intensive music-making can induce dysfunctional changes which are accompanied by a degradation of skilled motor behavior, also termed “musician’s dystonia”. This condition, which is frequently highly disabling, mainly affects male classical musicians with a history of compulsive working behavior, anxiety disorder or chronic pain. Functional and structural brain changes in these musicians are suggestive of deficient inhibition and excess excitation in the central nervous system, which leads to co-activation of antagonistic pairs of muscles during performance, reducing movement speed and quality. We conclude with a concise summary of the role of brain plasticity, metaplasticity and maladaptive plasticity in the acquisition and loss of musicians’ expertise.

Zusammenfassung Appetitive Aggression bezeichnet eine biologische Anlage, die zu aggressivem Verhalten motiviert und Gewaltausübung unter positiven Affekt zulässt. Im Gegensatz zur reaktiven Aggression, die hilft, sich einer Bedrohung zu erwehren und begleitende negative emotionale Erregung und Ärger zu reduzieren, erlaubt die appetitive Gewalt die Übertragung von Jagdlust auch auf Menschenjagd und kann bis hin zum Blutrausch führen, dem Töten um seiner selbst Willen. Neben einer Adrenalinwelle begleitet Cortisol- und Endorphinausschüttung dieses meist ethisch inakzeptable Vergnügen. Um die Belohnungssysteme über appetitive Aggression zu aktivieren, muss entsprechend deren moralische und kulturelle Hemmung außer Kraft gesetzt werden, etwa durch Entmenschlichung des Feindes bei bewaffneten Gruppen. Einmal in Gang gesetzt ergibt sich eine positive Rückmeldeschleife: Je mehr Gewalttaten mit Anteilen von positivem Affekt erlebt werden, desto mehr werden sie ausgeübt und desto positiver werden sie empfunden. Die latente Leidenschaft für Kampf und Dominanz kann wohl zumindest in fast allen Männern geweckt werden. Im Kollektiv ermöglicht dies Krieg und Zerstörung bis hin zum Versuch, ganze ethnische Gruppen auszulöschen: „Je mehr wir töteten, desto mehr kamen wir auf den Geschmack weiter zu machen. Wenn man die Gier ungestraft ausleben kann, lässt sie einen nie los. Man konnte sie uns an unseren vom Töten hervorquellenden Augen ablesen. […] Es war ein unvorhergesehenes Volksvergnügen.“ (aus Hatzfeld, 2004). Appetitive Aggression, die Anlage zur Lust an Gewalt ist also keineswegs eine psychopathologische Besonderheit sondern Teil der menschlichen Natur, Teil des menschlichen Verhaltensrepertoires. Moral, Kultur und das Gewaltmonopol des Staates sind die Wächter, um das Aggressionspotenzial zu regulieren und in wünschenswerte Bereiche zu lenken.

Appetitive aggression describes a biologically-driven form of aggressive behaviour and violence characterized by positive affect. In contrast to reactive aggression, which has the function of resisting a threat, and reducing concomitant negative emotional arousal and anger, appetitive aggression underlies the pleasure of violence. A prototypical example is hunting, which can in turn transfer to the hunting of humans and can even result in bloodlust, and killing for its own sake. At the physiological level, this morally illicit pleasure is accompanied by an adrenalin surge, the release of cortisol and endorphins. In order to activate reward systems via appetitive aggression, their moral and cultural restraints need to be overridden. For example, armed groups work to dehumanize the enemy. Once initiated, a positive feedback loop is generated: As the individual commits more acts of violence with elements of positive affect, the tendency to commit them grows, and they begin to be perceived more positively. A latent passion for fighting and dominance can probably be evoked in almost all men and in some women. The cumulative outcome of whole groups, tribes, or communities enacting this aggression is war and destruction, to the point of trying to extinguish entire ethnic groups: “… and yes, human beings, hundreds of thousands of otherwise normal people, not professional killers, did it.” (from “The Killers in Rwanda Speak” by Jean Hatzfeld, 2005). Thus, appetitive aggression, the disposition towards a lust for violence, is by no means a psychopathological anomaly but an intrinsic part of the human behavioural repertoire. Morality, culture and the state monopoly on violence constitute the guards that regulate aggression potential and to channel it into socially useful forms.

Zusammenfassung Activin ist ein multifunktionales regulatorisches Protein und gehört zur Transforming Growth Factor - β-Familie. Im adulten Gehirn fördert Activin neuronales Überleben bei akuter und chronischer Schädigung. Der Faktor reguliert neuronale Schaltkreise aber auch unter physiologischen Bedingungen. Activin soll hier als ein Master-Molekül vorgestellt werden, das erregende und hemmende Synapsen im ZNS in einer Weise beeinflusst, die kognitive Leistungen fördert und die Gemütslage stabilisiert. Activin unterstützt Lernen und Gedächtnis durch Verstärkung der synaptischen Plastizität, wobei NMDA-Rezeptoren und die Dendriten-Morphologie wichtige Angriffspunkte darstellen. Eine gentechnische Blockade des Activin-Signalwegs senkt über eine Veränderung der GABA-Wirkung das Angstverhalten. Außerdem mehren sich Hinweise, dass Activin als endogenes Antidepressivum und Mediator antidepressiver Therapien fungieren könnte.

The multifunctional regulatory protein activin is a member of the transforming growth factor-β family. In the adult brain, activin serves as a neuroprotective factor in acute and chronic brain damage, but it also regulates brain circuits under physiological conditions. This review will highlight activin as a master molecule at excitatory and inhibitory CNS synapses and discuss how synaptic tuning by activin impacts on cognitive functions and affective behavior. By augmenting NMDA receptor function and adjusting spine morphology and density, activin strengthens hippocampal long-term potentiation (LTP), leading to improved performance in rodent learning and memory tasks. Disruption of activin signaling not only impairs cognitive functions, but also engenders a low-anxiety phenotype, which has been linked to alterations in GABAergic inhibition. Finally, accumulating evidence implicates activin as a putative endogenous antidepressant as well as a target of antidepressant treatment.

Zusammenfassung Die Netzhaut im Auge führt bereits komplexe Berechnungen aus, um nur verhaltensrelevante Informationen aus unserer Umgebung an das Gehirn weiterzuleiten. Diese Berechnungen werden von zahlreichen Zelltypen durchgeführt, die sich zu komplexen Schaltkreisen zusammenschließen. Neue experimentelle und statistische Methoden erlauben es, die neuronale Vielfalt in der Netzhaut detailliert zu erfassen und zu verstehen – das Ziel, eine vollständige Liste der Zelltypen und damit der „Bauteile“ der Netzhaut zu erstellen, rückt nun in greifbare Nähe. In diesem Artikel geben wir einen Überblick über den aktuellen Stand dieses Unterfangens und zeigen mögliche zukünftige Forschungsrichtungen auf.

The retina in the eye performs complex computations, to transmit only behaviourally relevant information about our visual environment to the brain. These computations are implemented by numerous different cell types that form complex circuits. New experimental and computational methods make it possible to study the cellular diversity of the retina in detail – the goal of obtaining a complete list of all the cell types in the retina and, thus, its “building blocks”, is within reach. We review the current state of this endeavour and highlight possible directions for future research.

Zusammenfassung Stressbedingte psychische Erkrankungen wie Angst, Depression, chronischer Schmerz oder Sucht können großes individuelles Leid sowie hohe gesellschaftliche und wirtschaftliche Folgekosten nach sich ziehen. Fortschritte in unserem Verständnis der zugrunde liegenden Krankheitsmechanismen und insbesondere in der Entwicklung neuer Therapien waren trotz großer Forschungsanstrengungen in den letzten Jahrzehnten nur begrenzt; stressbedingte Erkrankungen sind immer noch weit verbreitet. Wir glauben daher, dass es an der Zeit ist, pathophysiologische Forschung durch einen alternativen Ansatz zu ergänzen, der darin besteht, Schutzmechanismen zu untersuchen, die die Aufrechterhaltung der psychischen Gesundheit während und nach Lebenskrisen (z.B. potenziell traumatisierende Ereignisse, schwierige Lebensumstände oder Lebensumbrüche, körperliche Erkrankungen) unterstützen. Eine Fokussierung auf Resilienz anstatt auf Krankheit stellt einen Paradigmenwechsel in der psychischen Gesundheitsforschung dar und birgt Chancen für die Entwicklung von Präventionsstrategien. Mit unserer SFB-Initiative möchten wir zu diesem Paradigmenwechsel beitragen, indem wir (i) eine kohärente Theorie für die neurobiologische Erforschung der Resilienz gegen stressbedingte psychische Störungen entwickeln (Ziel 1 des SFB), (ii) neurobiologische Resilienzmechanismen identifizieren und besser verstehen (Ziel 2) und (iii) die auf diese Weise gewonnenen Einsichten für neue oder verbesserte Präventionen nutzbar machen (Ziel 3).