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Objective: It has been shown in normal subjects that opening the eyes in darkness without external visual stimulation increases activity in the ocular motor and attentional systems. By contrast, closing the eyes causes a relative signal increase in multiple sensory areas such as the visual, somatosensory, vestibular, auditory, and gustatory cortical areas. These two states of „resting“ activity of the human brain in complete darkness, which can be imaged using fMRI, were termed the „exteroceptive“ state (contrast OPEN>CLOSED) and the „interoceptive“ state (contrast CLOSED>OPEN). In the present study we investigated whether similar brain activity states can be found in blind subjects when opening and closing their eyes. Methods: Seven congenitally, totally blind individuals participated in the study. Subjects were trained outside the scanner to perform the following tasks: eyes open (OPEN) or eyes closed (CLOSED) at rest while looking straight ahead in complete darkness. Functional images were acquired on a 1.5 T standard clinical scanner using echo-planar imaging. The data were compared to data published earlier of a matched group of healthy volunteers (Marx et al. 2003). Analysis was performed using SPM2. Results: Overall, the differences between the OPEN and CLOSED conditions were less pronounced in the blind subjects than in the controls. In congenitally, totally blind subjects the contrast OPEN>CLOSED revealed a relative increase in activity in the middle occipital gyrus bilaterally as well as in the anterior cingulate cortex. The intergroup comparison (congenitally, totally blind subjects vs. controls) for this contrast showed an activity increase in regions similar to those found in the blind subjects alone. Discussion: There are also differences in brain activity patterns between eyes-open or eyes-closed at rest in congenitally, totally blind subjects, but they are not those of the above-described „intero-“/“exteroceptive“ states. They are rather diametrically opposed to those observed in sighted controls: the activity increases in the occipital cortex for the contrast OPEN>CLOSED suggest a functional reorganization of the visual cortex. While the visual cortex has been previously shown to mediate attentional tasks in congenitally blind subjects, its activation during the eyes-open condition in conjunction with the anterior cingulate might be indicative of an increased attentional load.

Fragestellung: In der Literatur finden sich zahlreiche Bildgebungsarbeiten, die sich mit der kortikalen Reprasentation des vestibularen Systems befassen [1,2,3,4]. In diesen Arbeiten wurden entweder die Bogengange (kalorische Stimulation, [1]), eine Kombination aus Bogengangs- und Otolithenafferenzen (galvanische Stimulation [2,3]), oder der Sacculus (Stimulation mit Klicklauten [4]) gereizt. Eine naturliche Reizung des vestibularen Systems scheitert in der Bildgebung an methodischen Hindernissen. Die vorliegende Arbeit versucht Hirnareale zu identifizieren die an Entscheidungen beteiligt sind welche nur auf der Grundlage von Informationen uber die Richtung der Schwerkraft getroffen werden konnen. Methoden: Es wurden 14 gesunde Probanden in der funktionellen MRT untersucht. Den Probanden wurde in einer MRT-tauglichen Videobrille ein weiser Punkt auf schwarzem Hintergrund prasentiert. Per Knopfdruck sollte angezeigt werden, ob sich der Punkt ober- oder unterhalb des subjektiven Zenits befindet (Anweisung: ...der Ort von dem ein Tropfen zwischen Ihre Augen fallen wurde..., Bedingung SVZ). Wahrend der Kontrollbedingung sollte entschieden werden ob der Punkt ober- oder unterhalb der Bildschirmmitte erschien (Bedingung COS). Ergebnisse: Ein signifikanter Anstieg des BOLD Signals wahrend SVZ fand sich im Gyrus parietalis superior und inferior, im Gyrus supramarginalis, sowie im Gyrus frontalis superior, medius und inferior. Aktivierungen wahrend COS, verglichen mit SVZ, fanden sich im Gyrus occipitalis, entlang des Sulcus calcarinus, Gyrus lingualis und im Cuneus, sowie in den cerebellaren Lobuli IV, V und VIII und in den Lobuli IV/V des Kleinhirnwurms (Abb.1). Schlussfolgerungen: Die gefundenen Aktivierungen im Gyrus parietalis inferior sowie im Gyrus supramarginalis sind gut mit den Ergebnissen von Bildgebungsarbeiten mit vestibularer Stimulation vereinbar [1,2,3]. Selbst durch Entscheidungen, die auf Schwerkraftinformationen basieren, werden Teile eines kortikalen Netzwerks aktiviert, das auch fur die Verarbeitung vestibularer Reize benotigt wird. Diese Zentren scheinen eine Rolle in der aufgabenabhangigen Verarbeitung schwerkraftbezogener Informationen zu spielen. Abbildung 1: Aktivierungskarten der Gruppenauswertung, Darstellung als Glass-Brain-View. Literatur 1. Dieterich et al. Cereb Cortex. 2003. 13(9):994–1007 2. Lobel et al. J Neurophysiol. 1998. 80(5):2699–709 3. Stephan et al. Neuroimage. 2005. 26(3):721–32 4. Miyamoto et al. Ann N Y Acad Sci. 2005. 1039:124–31

Fragestellung: Downbeat-Nystagmus (DBN) ist eine haufige Okulomotorikstorung in Patienten mit Kleinhirnatrophie. DBN ausert sich durch langsame, blickpositionsabhangige Abwartsdrift der Augen sowie eine asymmetrische Storung der vertikalen langsamen Augenfolgebewegung. Bei ungefahr 50% aller DBN-Patienten ist die Pathogenese jedoch ungeklart. In der Literatur existieren mehrere Hypothesen zur Entstehung von DBN, von denen allerdings keine alle assoziierten Symptome schlussig erklaren kann. Aus tierexperimentellen Untersuchungen ist bekannt, dass Purkinjezellen im zerebellaren Flokkulus/Paraflokkulus ihre Aktivitat nur bei vertikalen abwartsgerichteten visuell induzierten Augenbewegungen erhohen. Purkinjezellen mit einer Aktivitatszunahme bei Aufwartsbewegungen wurden bisher nicht gefunden. Wir vermuten daher, dass der Ursprung von DBN eine Schadigung dieser Purkinjezellpopulationen oder ihrer Eingange ist. Methoden: Um unsere Hypothese zu untermauern, haben wir, ausgehend von anatomischen und physiologischen Ergebnissen, ein detailliertes mathematisches Modell der vertikalen Augenbewegungen entworfen. Das Modell ist durch Differentialgleichungen definiert, die die Funktion einzelner Gehirnregionen sowie Eigenschaften der Sensorik und Motorik modellieren. Es kann Sakkaden, vestibulo-okularen Reflex (VOR), sowie langsame Augenfolgebewegung simulieren, und wurde in Simulink/Matlab implementiert. Ergebnisse: Das Modell bildet die vertikalen Augenbewegungen gesunder Probanden nach. Bei einer simulierten Lasion der Purkinjezellpopulation des Flokkulus entsteht DBN. Zugleich zeigt sich, dass die Starke des Nystagmus abhangig von Blickrichtung und Kopfposition ist, und die langsame Augenfolgebewegung, besonders fur Abwartsbewegung, gestort ist. Weitere Defizite ergeben sich bei der Suppression des vertikalen VOR, wahrend der VOR im Dunklen normale Werte zeigt. Schlussfolgerungen: Die Modellsimulationen bestatigen unsere Hypothese, dass ein Grund fur die Entstehung von DBN eine Schadigung flokkularer Purkinjezellen sein kann. Es zeigt sich weiter, dass Unterformen von DBN (z.B. ohne Blickrichtungsabhangigkeit) durch Unterschiede im Lasionort (thalamo-kortikale vs. Hirnstamm-Projektionen) erklart werden konnen. Bisherige Hypothesen, wie die der Schadigung rein vestibularer Bahnen, liesen sich nicht aufrechterhalten. Die Methode der mathematischen Simulation sensomotorischer Systeme stellte sich als geeignet heraus, um unsere Hypothese auf uberprufbare Weise zu formulieren.

Hintergrund: In einer kurzlich erschienenen Studie konnten wir zeigen, dass es bei Patienten mit erworbener, beidseitiger vestibularer Deafferentierung zu Defiziten im raumlichen Gedachtnis und bei der Navigation kommt. Daruber hinaus wiesen diese Patienten eine selektive und beidseitige Atrophie des Hippocampus auf. Dies deutet darauf hin, dass raumliches Gedachtnis und Navigation von vestibularem Input beeinflusst werden. Methoden: In der aktuellen Studie wurden 16 Patienten mit einseitiger vestibularer Deafferentierung aufgrund eines Akustikusneurinoms 5–13 Jahre nach der Operation untersucht und mit gesunden Kontrollpersonen gleichen Alters und Geschlechtes verglichen. Alle Patienten und Kontrollpersonen waren Rechtshander. Raumliches Gedachtnis und Navigation wurden mit der virtuellen Version des „Morris Water Task“ gepruft. Eine Volumetrie des Hippocampus wurde durch manuelles Vermessen der Struktur auf koronaren MRI Sequenzen, sowie mittels voxel-basierter Volumetrie (VBM) durchgefuhrt. Ergebnisse: Bei den Patienten mit linksseitiger vestibularer Deafferentierung fanden sich keine signifikanten Defizite bezuglich des raumlichen Gedachtnisses oder der Navigation. Die Patienten, bei denen es jedoch zu einem Verlust des rechtsseitigen vestibularen Inputs gekommen war, zeigten dagegen ein tendenziell schlechteres Abschneiden bei den Navigationstests. Statistisch war dieses Defizit nur fur einen Wert (den „Heading Error“) signifikant. Weder mittels der manuellen noch der automatisierten Hippocampus Volumetrie lies sich eine Atrophie des Hippocampus im Vergleich zum Kontrollkollektiv nachweisen. Diskussion: Geringgradige Defizite bei der Testung von raumlichem Gedachtnis und Navigation fanden sich nur bei der Patientengruppe mit rechtsseitiger vestibularer Deafferentierung; sie stehen im Einklang mit der kurzlich beschriebenen Dominanz des vestibularen Kortex in der rechten Hemisphare. Eine Atrophie des Hippocampus lies sich nach einseitiger vestibularer Deafferentierung nicht nachweisen, dies deutet darauf hin, dass die vestibularen Projektionen zum Hippocampus zumindest teilweise bilateral erfolgen.

Mit „Path integration“ bezeichnet man die Fahigkeit zahlreicher Spezies, eine zuruckgelegte Distanz allein mithilfe von Eigenbewegungsinformation – das heist unabhangig von visuellen oder auditorischen Landmarken – abzuschatzen. Besonders gut untersucht ist diese Fahigkeit bei Wustenameisen, die sich bei der Nahrungssuche mehrere hundert Meter von ihrem Nest entfernen und zuverlassig zuruckfinden. Dabei gibt es eine Abhangigkeit der Leistung von der zuruckgelegten Distanz: je weiter die Ameise von ihrem Nest entfernt war, desto mehr unterschatzt sie den Weg bei der Ruckkehr, lauft also zu kurz. Dieses Verhalten ist mit einem „leaky path integrator“ kompatibel, der immer einen kleinen Teil der bei der „Path integration“ gesammelten Information verliert. Ist ein ahnlicher Mechanismus beim Menschen nachzuweisen? Wir haben bei insgesamt 49 gesunden Versuchspersonen die Fahigkeit untersucht, nach einer gefuhrten geraden Strecke (2–250m) ohne visuelle und auditorische Information zum Ausgangspunkt zuruckzukehren und dabei die Genauigkeit der Entfernungsschatzung gemessen. Die Messungen wurden bei zwei verschieden Geschwindigkeiten (Gehen und Laufen, 50–250m) und mit absteigend, aufsteigend oder zufallig prasentierten Entfernungen (2–64m) durchgefuhrt. Die Ergebnisse zeigen, dass Menschen auch bei den grosten Entfernungen in der Lage waren, die Distanz zu reproduzieren (gain um 1,0). Dabei gab es keinen Unterschied zwischen Gehen (1,3m/s) und Laufen (2,7m/s), dies spricht gegen einen „leaky temporal integrator“. Bei den gemessenen Entfernungen ergab sich jeweils fur die kurzeste Distanz ein Uberschiesen, fur die grosten Distanzen ein relatives Unterschatzen des Weges. Die Steilheit und Entfernungsabhangigkeit dieser Beziehung war mit einer „leaky integration“ nicht zu erklaren, sondern war abhangig vom getesteten Distanzbereich und von der Reihenfolge der Prasentation. Im Unterschied zu Ameisen verfugen Menschen offenbar uber einen zusatzlichen Mechanismus, um ihre Leistung bei der „Path integration“ an den erwarteten Entfernungsbereich anzupassen und damit im Mittel ihren Ausgangspunkt zu erreichen. Es wird angenommen, dass dabei ein Schatzwert uber die mittlere Entfernung mit einem Messwert der tatsachlich zuruckgelegten Strecke verglichen wird. Ziel der Untersuchungen ist eine mathematische Beschreibung dieses Zusammenhangs in einem Modell als Basis fur die Anwendung einfacher Tests zur „Path integration“ bei Patienten mit raumlichen Orientierungsstorungen.

Es ist weitbekannt, dass Informationen von den Gleichgewichtsorganen im Innenohr dafur genutzt werden, Auge, Kopf und Korper im Raum zu stabilisieren. Eine solche Stabilisierung erscheint wahrend willkurlicher, selbst-initiierter Bewegungen widersinnig. Tatsachlich konnte gezeigt werden, dass vestibulare Signale, die von Willkurbewegungen des Kopfes herruhren, in den vestibularen Kernen unterdruckt werden. Daher wird allgemein angenommen, das Gleichgewichtssystem habe fur die Ausfuhrung von Willkurbewegungen keine Bedeutung. Dazu passend unterscheiden sich auch Kopfbewegungen von Patienten ohne Gleichgewichtssinn nicht von denen Gesunder. Umgekehrt scheinen aber die vestibulare Sensoren, die genaueste Informationen uber die Kopfgeschwindigkeit liefern, wie geschaffen dafur zu sein, aktive Willkurbewegungen zu uberwachen. Um diese bisher wenig beachtete Rolle des Gleichgewichtssystems bei der Bewegungskontrolle naher zu beleuchten, imitierten wir eine Situation, die auftritt, wenn Menschen Motorradhelme tragen oder Tiere Beute im Maul tragen. In diesen Fallen ist das Tragheitsmoment des Kopfes erhoht und die Bewegungskontrolle muss die veranderten Kopfeigenschaften kompensieren, die sonst ein Oszillieren (Schwingen) des Kopfes hervorrufen. Wir erhohten also das Kopf-Tragheitsmoment von Patienten ohne Gleichgewichtssinn und verglichen ihre Kopfbewegungen mit denen Gesunder. Wahrend der Kopf normalerweise weder bei Patienten noch bei Gesunden schwingt, bewirkte die Erhohung des Tragheitsmoments ein ausgepragtes Kopf-Oszillieren bei Patienten, aber nicht bei Gesunden. Vestibulares Feedback spielt also tatsachlich eine bedeutende Rolle bei der Kontrolle von Willkurbewegungen des Kopfes. Diese Ergebnisse stimmen mit den Vorhersagen des Reafferenzprinzips, wie es von von Holst und Mittelstadt postuliert wurde, uberein: nur vestibulare Informationen, die von beabsichtigten Bewegungen herruhrt, werden abgeschwacht; jede unerwartete Information wird jedoch benutzt um das Motorkommando so zu verandern, dass die Bewegung zuruck auf die richtige Bahn kommt. In unserem Fall wird so bei Gesunden Kopf-Oszillieren verhindert. Allgemein verarbeitet also das Gleichgewichtssystem bevorzugt Unvorhergesehenes, was dann sowohl zur Stabilisierung als auch zur Motorkontrolle aktiver Willkurbewegungen benutzt wird.

Mithilfe der langsamen Augenfolgebewegung (AFB) konnen kontinuierlich bewegte Blickziele im Bereich des scharfen Sehens, der Fovea, gehalten werden. Die AFB ist ein ruckgekoppeltes, geregeltes System, da die motorische Antwort vom sensorischen Reiz abhangt, ihn aber auch gleichzeitig verandert. Eine Besonderheit dieses Systems ist, dass der Verstarkungsfaktor masgeblich von der Geschwindigkeit der AFB bestimmt wird. Wahrend beispielsweise eine kurzzeitige Storung der Zielbewegung bei niedriger AFB-Geschwindigkeit keine Antwort auslost, kann dieselbe Storung bei hoher Geschwindigkeit zu einer substantiellen Auslenkung der Augenbewegung fuhren. Bislang sind weder die funktionellen Aspekte dieser Verstarkungsregelung noch das zugrundeliegende neuronale Substrat vollstandig verstanden. Die vorliegende Arbeit behandelt diese Fragestellungen unter Verwendung von regelungstechnischen Modellen und Simulationen neuronaler Netze. Es ist bekannt, dass mindestens zwei kortikale Areale masgeblich zur AFB beitragen: Das medio-temporale Areal des sulcus temporalis superior (MST) und die frontalen Augenfelder (FEF). Neurophysiologische Studien haben nachgewiesen, dass die neuronalen Aktivitaten in diesen parallelen Pfaden mit Augengeschwindigkeit, bzw. -beschleunigung korreliert sind. Simulationen mithilfe eines einfachen regelungstechnischen Modells lassen auf die frontalen Augenfelder als Ort der Verstarkungsregelung schliesen. Das postulierte Modell tragt zudem der physiologischen Tatsache Rechnung, dass zwei parallele Pfade mit unterschiedlichen Signalanteilen existieren. Simulationen von Feuerraten-Modellen zeigen, wie diese Verstarkungsregelung auf neuronaler Ebene implementiert sein kann. Hierbei interagieren zwei Zellpopulationen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten bezuglich Augengeschwindigkeit und retinaler Fehlergeschwindigkeit. Das Modell legt besonderen Wert auf die Berucksichtigung physiologischer Netzwerkeigenschaften wie beispielsweise: (i) additive synaptische Eingange, (ii) Dynamik des Membranpotentials und (iii) Rekurrenz in neuronalen Netzwerken. Es wird gezeigt, wie charakteristische Eigenschaften dieser Neurone in neurophysiologischen Experimenten identifiziert werden konnen.

The potassium channel blocker 4-aminopyridine (4-AP) restored vertical smooth pursuit and gaze holding in light in one patient with upbeat (UBN) and in one with downbeat nystagmus (DBN). Without a visible target, however, 4-AP had no effect on UBN, but DBN vanished. We hypothesize that this difference in the effects of 4-AP, which is known to increase the excitability of cerebellar Purkinje cells, can be attributed to the different lesion sites involved in UBN and DBN.