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Kortiko-kortikale Verbindungen im auditorischen Kortex des Menschen
(2003)
- Die ersten Schritte der kortikalen Verarbeitung audtorischer Information im Menschen erfolgen im Gyrus temporalis superior (GTS) sowie im Planum temporale. Durch anatomische, neuropsychologische und bildgebende Verfahren konnte gezeigt werden, daß die auditorische Verarbeitung in dieser Hirnregion in verschiedenen umschriebenen Arealen stattfindet. Für ein besseres Verständnis der neuronalen Prozesse, die der höheren auditorischen Signalverarbeitung zugrunde liegen ist es wichtig, die anatomischen Verbindungsmuster zwischen diesen verschiedenen Arealen zu untersuchen. Daher wurden in der vorliegenden Arbeit mithilfe der postmortem anwendbaren Carbocyaninfarbstoffe DiI und DiA in 10 menschlichen Temporalkortices neuronale Verbindungen zwischen verschiedenen Arealen des auditorischen Systems untersucht. Kortikale Injektionen mit diesen Farbstoffen erfolgten u.a. in den Heschlschen Gyrus, als Sitz des primären auditorischen Kortex (PAC), in das Planum temporale sowie in den Gyrus temporalis superior. Nach einer Inkubationszeit von mehreren Monaten wurden anhand von Serienschnitten kortiko-kortikale Verbindungen mittels Fluoreszenzmikroskopie identifiziert und rekonstruiert. Es konnten dabei folgende Verbindungsmuster identifiziert werden: Zwischen dem primären auditorischen Areal TC und den angrenzenden sekundären auditorischen Arealen TB und TD konnten reziproke Verbindungen nachgewiesen werden. Ebenso konnten reziproke Verbindungen zwischen dem sekundären auditorischen Areal TB und den angrenzenden tertiären auditorischen Arealen TA1 und TA2 dargestellt werden. Ferner zeigte sich eine reziproke kortiko-kortikale Verbindung zwischen medial und lateral auf dem Heschlschen Gyrus gelegenen Unterarealen innerhalb des primären auditorischen Areals TC, was für eine funktionelle Unterteilung des PAC in mindestens zwei separate Areale spricht. Eine weitere Verbindung konnte zwischen dem tertiären auditorischen Areal TA2 und dem PAC (TC) nachgewiesen werden. Diese Verbindung war nicht reziprok, sondern stellte sich als reine Rückprojektion in das primäre auditorische Areal TC dar. Querverbindungen zwischen anterioren und posterioren Abschnitten von TB sowie Verbindungen zwischen TA1 und TA2 liessen sich nicht nachweisen. Eine Auswertung der verschiedenen Verbindungen bezüglich ihrer hierarchischen Eigenschaften legte eine Organisation des kortikalen auditorischen Systems nahe, in dem die unterste hierarchische Stufe durch den PAC (Area TC) gebildet wird. Die angrenzenden sekundären auditorischen Areale TB und TD nehmen die nächste hierarchische Stufe ein, die tertiären auditorischen Areale TA1 und TA2 auf dem GTS stellen die höchste hierarchische Stufe in diesem System dar. Aufgrund der fehlenden lateralen Verbindungen zwischen den sekundären und tertiären Arealen kann vermutet werden, daß das kortikale auditorische System aus mindestens zwei parallelen Pfaden aufgebaut ist, in denen seriell Areale auf verschiedenen hierarchischen Ebenen miteinander verbunden sind. Diese Ergebnisse legen nahe, daß auch im auditorischen System des Menschen eiine ähnliche parallele Grundstruktur vorliegt, wie sie bereits im visuellen System von Primaten gefunden wurde. Die funktionelle Bedeutung dieser verschiedenen Verarbeitungspfade sollte in zukünftigen Studien weiter aufgeklärt weden.
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Räumliche Analyse und Farbverarbeitung im zerebralen Kortex : Studien mit funktioneller Magnetresonanztomographie zum visuellen Vorstellungsvermögen und der Synästhesie
(2003)
- In der vorliegenden Arbeit wurde eine Serie von funktionellen Bildgebungsstudien mit Paradigmen zum visuellen Vorstellungsvermögen sowie zur Farbe-Graphem Synästhesie durchgeführt und ausgewertet. Nach einer Einführung in die Phänomenologie der Synästhesie, bei der physikalische Stimuli, außerhalb der Submodalität, in der sie wahrgenommen werden, eine weitere lebhafte Empfindung auslösen, wurden die Grundprinzipien der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) beschrieben und die Experimente zur Untersuchung des mentalen Vorstellungsvermögens und der Farbe-Graphem Synästhesie dargestellt. Es wurde insbesondere der Frage nach Gemeinsamkeiten im kortikalen Aktivierungsmuster während der visuellen Wahrnehmung eines Perzeptes und der Wahrnehmung von mental generierten Bildern im Rahmen einer räumlichen Analyse bzw. einer synästhetischen Farbempfindung nachgegangen. Als Paradigma für die Untersuchung des visuellen Vorstellungsvermögens diente der mental clock task, ein Test bei dem die Probanden die Winkel der Zeigerstellung zweier Uhren vergleichen müssen, deren Zeiten nur akustisch dargeboten werden. Die Aufgabe erforderte die Generierung zweier entsprechender Vorstellungsbilder und deren räumlichen Vergleich. Der mental clock task stellt sowohl ein kontrolliertes Paradigma für das mentale Vorstellen als auch einen Test räumlicher Funktionen dar, der nicht auf visuell präsentiertem Material beruht. Als Paradigma für die räumliche Analyse und Koordinatentransformation von Material der visuellen Wahrnehmung wählten wir Aufgaben zur Winkelunterscheidung von visuell präsentierten Zeigerstellungen. In den Experimenten zur Synästhesie wurde mit Hilfe des Polarwinkel-Mappens eine retinotopische Karte des visuellen Kortex erstellt und das Areal V8 („das Farbzentrum des menschlichen Gehirns“) identifiziert. Durch ein Farb-Mapping mit chromatischen und achromatischen Mondrians und die Projektion der aktivierten Cluster auf die retinotopische Karte bestätigten wir die individuelle Lage des Farbzentrums im Areal V8 für jeden Probanden. Für jeden der Farbe-Graphem Synästhetiker wurde ein individuelles Experimenten-Design mit Buchstaben, die synästhetische Farbempfindungen auslösen (Synästhesie-Bedingung), und Buchstaben, die keine zusätzlichen Farbempfindungen auslösen konnten (Kontrollbedingung), erstellt. Obwohl in beiden Bedingungen des Experimentes den Synästhetikern jeweils schwarze Buchstaben auf einem weißen Untergrund präsentiert wurden, kam es nur in der Bedingung, in der Synästhetiker auch subjektiv die lebhafte Empfindung von Farbe schilderten, zu einer Aktvierung des Areals V8. Auf diese Weise kann auch aus Sicht der funktionellen Bildgebung noch einmal die Authentizität des Phänomens „Farbensehens“ während synästhetischer Empfindungen unterstrichen werden. Auch das parietale Aktivierungsmuster während der Winkelunterscheidungsaufgabe des visuellen Paradigmas gleicht dem Aktivierungsmuster, welches der Analyse der Winkel im mental clock task zugeschrieben werden konnte: eine bilaterale Aktivierung im Sulcus intraparietalis (intraparietal sulcus; IPS) des hinteren Parietalkortex (posterior parietal cortex; PPC). Es handelt sich hierbei wahrscheinlich um ein kortikales System für die räumliche Analyse, welches auch der Koordinatentransformation visuellen Materials dient, jedoch nicht auf eine visuelle Stimulation angewiesen ist. Da wir bei den Experimenten zum visuellen Vorstellungsvermögen ein event-related Design benutzten, waren wir zusätzlich in der Lage, die zeitliche Abfolge der Aktivitäten im Kortex während der Ausführung des mental clock task darzustellen. Sowohl im Synästhesie-Experiment als auch im Experiment zum mentalen Vorstellungsvermögen kam es zu keiner signifikanten Aktivierung der frühen visuellen Arealen V1/V2. Als mögliche Erklärungsansätze werden hier der einfache schematische Aufbau der vorzustellenden Objekte beim mentalen Paradigma und die Aktivierung von V8 ohne verstärkte Aktivierung von V1/V2 bei anderen Phänomenen als der synästhetischen Farbempfindung, wie z.B. der Wahrnehmung von Nachfarben, diskutiert. Die Ergebnisse unserer Experimente stützen die Theorie, daß die Aktivierung früher visueller Areale nicht unbedingt Voraussetzung für eine bewußte visuelle Wahrnehmung ist.
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Modulation präziser kortikaler Zeitstrukturen durch das cholinerge System und durch den raum-zeitlichen Kontext im Sehreiz
(2006)
- Präzise Zeitstrukturen der Aktivität der Hirnrinde haben sehr wahrscheinlich einen großen Einfluss auf die Verarbeitung von Sinnesreizen und damit auf kognitive Prozesse. Nach einer häufig zitierten Hypothese werden Einzelreize, die an verschiedenen Orten der Hirnrinde durch die jeweilige Aktivität lokaler Nervenzellpopulationen repräsentiert werden, dann als zusammengehörig wahrgenommen, wenn diese Populationen im sogenannten Gamma-Rhythmus (ca. 25-70 Hz) oszillieren und dabei die Zeitpunkte, zu welchen sie Aktionspotentiale feuern, millisekunden-präzise synchronisieren. Wenn synchrone Gamma-Oszillationen eine Rolle für kognitive Prozesse spielen, so ist zu erwarten, dass diese Zeitstrukturen durch das Vigilanzniveau beeinflusst werden. Ein Zustand aufmerksamer Wachheit führt zu einem verstärkten Auftreten synchroner Gamma-Oszillationen. Unter tiefer Narkose ist Wahrnehmung hingegen ausgeschaltet; ein solcher Zustand sollte sich demnach auch in stark reduzierten oder vollständig sistierten synchronen Gamma-Oszillationen ausdrücken. Die Regulation des Vigilanzniveaus steht unter der Kontrolle des aufsteigenden retikulären Aktivierungssystems. Dieses verteilte System innerviert unter Verwendung verschiedener Transmitter in diverse subkortikale Strukturen, unter anderem das basale Vorderhirn. Letzteres stellt die stärkste cholinerge Projektion in den Neokortex dar. Im ersten Teilprojekt dieser Arbeit wurde die Modulation “induzierter” (= nicht mit der Zeitstruktur des Stimulus assoziierter) synchroner Gamma-Oszillationen durch cholinerg wirksame Pharmaka untersucht. Hierzu wurden bei adulten Katzen Elektroden in den primären visuellen Kortex implantiert und in flacher Allgemeinanästhesie neuronale Antworten auf Sehreize aufgezeichnet. Gleichzeitig bestand die Möglichkeit, cholinerge Agonisten oder Antagonisten lokal zu applizieren. Es konnte gezeigt werden, dass cholinerge Agonisten einen fördernden Einfluss auf synchrone Gamma-Oszillationen haben, während cholinerge Antagonisten synchrone Gamma-Oszillationen hemmen und eine durch elektrische Stimulation von Teilbereichen des Aktivierungssystems ausgelöste Förderung der Oszillationen blockieren. Wahrnehmungsleistungen sind nicht nur abhängig vom Vigilanzniveau, sondern auch vom raum-zeitlichen Kontext. Das bedeutet, dass einzelne Reize nicht isoliert bewertet, sondern mit einer riesigen Menge von anderen Reizen in Beziehung gesetzt werden müssen. Der Kortex scheint im Falle der induzierten Gamma-Oszillationen sein komplexes Netzwerk für solche Interaktionen zu nutzen und in der Zeitstruktur kortikaler Signale Kontext zu kodieren. Die Aktivität kortikaler Neurone kann jedoch auch durch periodische sensorische Stimulation (zum Beispiel Flicker) zum Schwingen gebracht werden (“getriebene Oszillationen”). Es war bekannt, dass in der Aktivität des visuellen Kortex unter synchroner Stimulation Zeitstrukturen lokaler Stimuli sehr präzise abgebildet werden können. Gäbe es, wie oft angenommen, unter getriebenen Oszillationen keine Interaktion zwischen räumlich verteilter Aktivität, dann stünde die Zeitstruktur in neuronalen Antworten nicht mehr als unabhängiger Kodierungsraum für Kontext zur Verfügung, sondern wäre alleine durch den lokalen Stimulus determiniert. Dem gegenüber standen psychophysische Befunde, dass die Zeitstrukturen externer Reize zwar mit hoher Auflösung für die Wahrnehmung genutzt werden können, sie diese aber nicht zwingend determinieren. Im zweiten Teilprojekt dieser Arbeit wurde, ebenfalls im visuellen Kortex anästhesierter Katzen, die Modulation getriebener Oszillationen durch Zeitversatz zu räumlich entfernten Flickerstimuli untersucht. Es konnte demonstriert werden, dass lokale Antworten in getriebenen Oszillationen durch den zeitlichen Kontext zu Stimuli weit außerhalb des eigenen rezeptiven Feldes beeinflusst werden. Die zeitliche Streuung der Aktionspotentiale relativ zum Stimulus war in der synchronen Bedingung am kleinsten und wuchs mit steigendem Zeitversatz im Flicker. Die spektrale Analyse lokaler Feldpotentiale zeigte, dass für Antwortkomponenten im Gamma-Band die zeitliche Beziehung zum Stimulus durch asynchrones Flickern instabiler wurde, während niederfrequentere Komponenten (< 25 Hz) den gegenteiligen Effekt zeigten. Diese Änderungen waren auch abhängig von kortikaler Aktivierung. Die Ergebnisse beider Teile demonstrieren, dass präzise Zeitstrukturen kortikaler Aktivität frequenzspezifisch moduliert werden können. Die Befunde, die für den Gamma-Frequenzbereich erhoben wurden, stützen die Hypothese, dass kortikale Gamma-Oszillationen bei der Integration sensorischer Reize eine besonderen Rolle spielen. Die Beeinflussung synchroner Gamma-Oszillationen durch das cholinerge System könnte darüber hinaus eine Erklärung für den Zusammenhang zwischen cholinergem Defizit (wie beispielsweise beim Morbus Alzheimer oder beim Zentralen Anticholinergen Syndrom) und kognitiver Dysfunktion liefern.
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Performance-dependent changes in monkey prefrontal cortex during short-term memory
(2008)
- Conclusion Scale Integration Based on the results of spike-field coherence, the underlying process of shortterm memory seems to involve networks of different sizes within and, most probably, beyond prefrontal cortex. Spikes, which were generated by single neurons, cooperate with local field potentials, which were the slower fluctuations of the environment. Although differences among behavioral conditions appear to be based on rather few instances of phase-locked spikes, the task-related effects on spike-field coherence are highly reliable and cannot be explained by chance, as the comparison of results from experimental and simulated data shows. The differential locking of prefrontal neuron populations with two different frequency bands in their input signals suggests that neuronal activity underlying short-term memory in prefrontal cortex transiently engages cortical circuits on different spatial scales, probably in order to coordinate distributed processes. NeuroXidence method and Synchronizedfiring Based on the results of the calibration datasets, for bi- and multi-variate cases, the extension of NeuroXidence remains its sensitivity and reliability of detecting coordinate firing events for different processes. Based on this extension of NeuroXidence, we demonstrated that in monkey’s prefrontal cortex during short-term memory task, encoding and maintenance of the information rely on the formation of neuronal assemblies characterized by precise and reliable synchronization of spiking activity on a millisecond time scale, which is consistent with the results from spike-spike coherence. The task and performance dependent modulation of synchrony reflects the dynamic formation of group of neurons has large effect on short-term-memory.
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Neuronal dynamics in monkey prefrontal cortex during visual short-term memory
(2009)
- The physiology of our most complex organ, the brain, is still not comprehensively understood. The brain basically serves the processing, storing and binding of external and internal information, and thereby generates amazing phenomena like the understanding of oneself as an individual entitiy. How exactly information is encoded and represented, how individual neurons or networks of neurons actually interact, is a gigantic puzzle, whose pieces were collected since many decades. Subject of scientific discussions are the basic spatiotemporal structures of neuronal representations. Suggestions and observations reach hereby from simple rate coding of individual neurons to synchronous activity of larger ensembles. To approach answers to these questions, our working group has used a combination of different recording techniques that allowed for the comparison of neuronal interactions on different spatial scales. We focused on prefrontal neuronal interactions during visual short-term memory. Herefore two rhesus monkeys had been trained to perform a visual short-term memory task. We measured and recorded their neuronal activity by means of a microelectrode matrix that could be inserted into the cortex via a closable chamber, which had been previously implanted above prefrontal cortex. The acquired signal was separated into two components: a high-frequency component, that represents the spiking output activity of few neurons in the vicinity of each electrode tip (multi-unit activity), and a low-frequency component, that results from dendritic input activity of larger neuronal assemblies (local field potential). From one of the experimental animals we also recorded mass signals of even larger neuronal populations by means of small silverball electrodes, that had been implated into the skull above prefrontal cortex (skull EEG) in the context of a pilot project. In the first subproject, we analyzed the selectivity of output signals with respect to the memorized stimulus and task performance. We compared selectivities of local recording sites (multi-unit activity) with the selectivities of patterns created by the combined activity of all recording sites, thus representing the activity of large and distributed ensembles. Local neuronal activity correlated with the course of the visual short-term memory task, but was not highly discriminative with respect to different visual stimuli. We could show that the population activity was significantly more specific. Concerning task performance, we obtained the same result, albeit less pronounced. Further analyses revealed that the patterns of distributed ensemble activity were only partly based on realtime coordination of neuronal activity, and in addition, did not remain stable across the time course of the short-term memory task. In the second subproject, we focused on the oscillatory behavior of the local field potential. After a time-frequency analysis, we studied different frequency bands concerning stimulus selectivity and task performance of the monkey. We hereby found significant modulations of oscillations in the beta- and gamma-frequency range, that correlated with different periods of the task. Especially for oscillations in beta- and low-gamma-range, we observed phase-locking of oscillations between different recording sites, which could play an important role as internal clock to coordinate spatially separate activity. Local high-gamma oscillations themselves seemed to be important for the maintenance of information. These results could be partly confirmed by mass signals of EEG. In sum, our results support the hypothesis that information is represented in the brain by means of concerted activity of spatially distributed neuronal ensembles. This activity again appears to be coordinated by oscillatory activity in beta- and low-gamma-frequency ranges. A deeper understanding of central nervous information processing could contribute to better treatment of diseases like Parkinson’s, Alzheimer’s as well as epilepsy, and neuropsychiatric disorders like schizophrenia.
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Stimulus and task-dependent gamma activity in monkey V1
(2010)
- The single unit doctrine proposes that each one of our percepts and sensations is represented by the activity of specialized high-level cells in the brain. A common criticism applied to this proposal is the one referred to as the "combinatorial problem". We are constantly confronted with unlimited combinations of elements and features, and yet we face no problem in recognizing patterns and objects present in visual scenes. Are there enough neurons in the brain to singly code for each one of our percepts? Or is it the case that perceptions are represented by the distributed activity of different neuronal ensembles? We lack a general theory capable of explaining how distributed information can be efficiently integrated into single percepts. The working hypothesis here is that distributed neuronal ensembles signal relations present in the stimulus by selectively synchronizing their spiking responses. Synchronization is generally associated with oscillatory activity in the brain. Gamma oscillations in particular have been linked to various integrative processes in the visual system. Studies in anesthetized animals have shown a conspicuous increase in power for the gamma frequency band (30 to 60 Hz) in response to visual stimuli. Recently, these observations have been extended to behavioral studies which addressed the role of gamma activity in cognitive processes demanding selective attention. The initial motivation for carrying out this work was to test if the binding-by-synchronization (BBS) hypothesis serves as a neuronal mechanism for perceptual grouping in the visual system. To this aim we used single and superimposed grating stimuli. Superimposed gratings (plaids) are bi-stable stimuli capable of eliciting different percepts depending on their physical characteristics. In this way, plaids can be perceived either as a single moving surface (pattern plaids), or as two segregated surfaces drifting in different directions (component plaids). While testing the BBS hypothesis, we performed various experiments which addressed the role of both stimulus and cortical architecture on the properties of gamma oscillations in the primary visual cortex (V1) of monkeys. Additionally, we investigated whether gamma activity could also be modulated by allocating attention in time. Finally, we report on gamma-phase shifts in area V1, and how they depend on the level of neuronal activation. ...
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The role of previous experience in conscious perception
(2011)
- Which factors determine whether a stimulus is consciously perceived or unconsciously processed? Here, I investigate how previous experience on two different time scales – long term experience over the course of several days, and short term experience based on the previous trial – impact conscious perception. Regarding long term experience, I investigate how perceptual learning does not only change the capacity to process stimuli, but also the capacity to consciously perceive them. To this end, subjects are trained extensively to discriminate between masked stimuli, and concurrently rate their subjective experience. Both the ability to discriminate the stimuli as well as subjective awareness of the stimuli increase as a function of training. However, these two effects are not simple byproducts of each other. On the contrary, they display different time courses, with above chance discrimination performance emerging before subjective experience; importantly, the two learning effects also rely on different circuits in the brain: Moving the stimuli outside the trained receptive field size abolishes the learning effects on discrimination ability, but preserves the learning effects on subjective awareness. This indicates that the receptive fields serving subjective experience are larger than the ones serving objective performance, and that the channels through which they receive their information are arranged in parallel. Regarding short term experience, I investigate how memory based predictions arising from information acquired on the trial before affect visibility and the neural correlates of consciousness. To this end, I vary stimulus evidence as well as predictability and acquire electroencephalographic data. A comparison of the neural processes distinguishing consciously perceived from unperceived trials with and without predictions reveals that predictions speed up processing, thus shifting the neural correlates forward in time. Thus, the neural correlates of consciousness display a previously unappreciated flexibility in time and do not arise invariably late as had been predicted by some theorists. Admittedly, however, previous experience does not always stabilize perception. Instead, previous experience can have the reverse effect: Seeing the opposite of what was there, as in so-called repulsive aftereffects. Here, I investigate what determines the direction of previous experience using multistable stimuli. In a functional magnetic resonance imaging experiment, I find that a widespread network of frontal, parietal, and ventral occipital brain areas is involved in perceptual stabilization, whereas the reverse effect is only evident in extrastriate cortex. This areal separation possibly endows the brain with the flexibility to switch between exploiting already available information and emphasizing the new. Taken together, my data show that conscious perception and its neuronal correlates display a remarkable degree of flexibility and plasticity, which should be taken into account in future theories of consciousness.
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Der Neokortex der Säugetiere - Evolution und Funktion
(2011)
- In der Neurobiologie nimmt die Untersuchung der Großhirnrinde (Neokortex) eine gewisse Sonderstellung ein, weil das Verständnis dieser hierarchisch übergeordneten Region für die Analyse bzw. Rekonstruktion der Hirnfunktionen insgesamt von entscheidender Bedeutung ist. Dabei macht Folgendes die bedeutungsvolle Stellung des Neokortex aus: seine späte stammesgeschichtliche und ontogenetische Entwicklung, welche bei mehreren Säugetiergruppen mit einer ungewöhnlichen Massenzunahme und Plastizität verbunden ist und letzten Endes auch Raum für Individualität und Intelligenz schafft. Dabei kommt es speziell bei Primaten inklusive des Menschen zu einer zunehmenden Diversifizierung in Areale, welche primär den Sinnessystemen (Sehen, Hören, Tastsinn) sowie der Motorik zugeordnet sind. Mit steigender "Evolutionshöhe" der Säugetiere treten aber auch hierarchisch übergeordnete sekundäre, tertiäre und weitere Areale auf, welche zunehmend der Assoziation bzw. Integration von Sinnessystemen gewidmet sind. All diese Areale steuern die Interaktion des Individuums mit seiner Umwelt, d.h. sie formulieren anhand des aus der Peripherie eingehenden afferenten Inputs eine biologisch sinnvolle (motorische) Reiz-Antwort und ermöglichen in ihrer Gesamtheit (vor allem beim Menschen) auch kognitive Prozesse, so z.B. multisensorisches und assoziatives Denken, aber auch Antrieb, Planung, Erinnerung und ein hochkompliziertes Sozialverhalten. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit besteht darin, bei verschiedenen, teilweise extrem unterschiedlichen Säugetiergruppen über die vergleichende Morphologie der primären Neokortex-Areale zu einem besseren Verständnis grundsätzlicher neokortikaler Funktionsprinzipien (Input, intrinsische Verschaltung, Output) beizutragen. Die Einbeziehung phylogenetischer Aspekte kann dabei helfen, die kortikalen Spezifika der jeweiligen Säugetiere auf ihren Anpassungswert hin kritisch zu überprüfen. Im Detail werden die vier primären Rindenfelder des auditorischen [A1], motorischen [M1], somatosensiblen [S1] und visuellen Systems [V1]) bei Spezies aus unterschiedlichen Ordnungen wie den Primaten (Mensch, Gorilla), Raubtieren (Hund), Paarhufer (Artiodactyla: Schwein, Schaf) sowie der Wale und Delphine (Zahnwale oder Odontoceti; u.a. Großer Tümmler, Schweinswal) anhand einer ganzen Palette von qualitativen und quantitativen Methoden konsequent miteinander verglichen. Als eine solide Basis dient hier die allgemeine Zytoarchitektonik (Nissl- und teilweise Golgi-Färbung), welche durch immunhistochemische Marker (Calbindin, Calretinin, Parvalbumin und Neurofilament) um eine funktionell-neurobiologische Ebene erweitert wird. Die neben den Primaten im Fokus stehenden Delphine, welche sich durch eine erstaunliche Uniformität ihrer Großhirnrinde auszeichnen, werden mittels der “design-basierten“ Stereologie zusätzlich auf die Neuronendichte der kortikalen Areale bzw. ihrer Rindenschichten hin untersucht. Dabei wurden anhand phylogenetischer und evolutionsbiologischer Überlegungen jeweils die Rindenschichten III-V als "Schlüsselregion" ausgewählt, um über die Berechnung von Neuronendichten innerhalb dieser Schichten III und V mehr über die funktionellen Implikationen dieses eigentümlichen Neokortex herauszufinden. Insgesamt zeigt sich, dass der Neokortex im Laufe der Evolution wohl gerade bei den landlebenden Primaten besonders stark diversifiziert worden ist: ihre vier primären Rindenfelder unterscheiden sich im Vergleich mit anderen Säugetieren besonders deutlich: hinsichtlich der Rindengliederung, der Ausstattung mit Neuronentypen sowie der intrinsischen Verschaltung erreicht dieser Kortex ein Höchstmaß an Komplexität. Besonders deutlich wird dies in den granulären Arealen, welche besonders viele Körnerzellen aufweisen (vor allem in der inneren Körnerzellschicht, Lamina IV). Demgegenüber finden sich bei den holaquatischen Delphinen stark abweichende Verhältnisse. Ihre Großhirnrinde erscheint nicht nur allgemein recht einheitlich bzw. monoton, sondern auch in ihrer intrinsischen Funktionsweise stark abgeleitet: hier zeigt sich ein genereller Trend zur Entwicklung einer uniformen Rinde auf gänzlich pyramidal-agranulärer Basis, welche durch das Fehlen einer deutlich erkennbaren Schicht IV gekennzeichnet ist. Bei einem Vergleich der bearbeiteten Säugetiergruppen ergibt sich ein neokortikales Kontinuum zwischen der granulären und der pyramidalen Bauweise zweier herausgehobener “Modellsäuger“, welche einander gewissermaßen als morphologische und funktionelle Extreme gegenüberstehen: mit den Primaten als dem einen (granulären) Endpunkt und den Delphinen als dem anderen (pyramidalen) Endpunkt sowie dazwischen vermittelnden Übergangsformen. Die Hirnrinde des terrestrischen Karnivoren (Hund) zeigt dabei zuweilen Charakteristika, welche ihn eher in die Nähe der Primaten rücken. Bei den terrestrischen Paarhufern (Schaf, Schwein) finden sich dagegen manche Kortex-Merkmale, welche an die Situation bei Delphinen erinnern. Von besonderer Bedeutung ist hier nun die Feststellung, dass wohl gerade die sekundäre Anpassung der Zahnwale (Delphine) an eine ausschließlich aquatische Lebensweise für die Ausbildung ihres ureigenen Typus von Kortex entscheidend gewesen sein dürfte. In diesem Zusammenhang werden die physikalischen Eigenschaften von Wasser die Rahmenbedingungen für evolutionäre Abwandlungen innerhalb des Gehirns als Ganzem vorgegeben haben. Interessanterweise werden neben den höchst- enzephalisierten Vertretern unter den Primaten (Hominidae; Mensch und Menschenaffen) auch den Zahnwalen (Delphinen) von manchen Neurobiologen herausragende kognitive und intellektuelle Fähigkeiten zugeschrieben - trotz der diametral unterschiedlichen Organisation ihres Kortex. Ob und inwieweit dies zutrifft, bleibt weiteren Untersuchungen vorbehalten. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit verlangen für die Zukunft nach weiteren gleichartigen Untersuchungen der nicht-primären, also hierarchisch übergeordneten neokortikalen Assoziationsareale im Hinblick auf funktionelle und evolutions-biologische Implikationen. Die überwältigende Expansion des Neokortex und die daran gekoppelte starke Zunahme der neurobiologischen Kapazität des Gehirns insgesamt dürfte nicht nur bei den Primaten, sondern (in bescheidenerem Umfang) auch bei Delphinen zur Entstehung von kortikalen "Freiräumen" geführt haben. Beim Menschen handelt es sich bei diesem Zuwachs an Hirnmasse und Hirnkapazität vermutlich um das Substrat für die Entstehung der phylogenetisch jüngsten und kognitiv höchstabgeleiteten Merkmale, nämlich Sprache, Persönlichkeit und Vernunft.
