Prefrontal cortex

Prefrontal cortex
Prefrontal cortex
	Brodmann-områdena 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 24, 25, 32, 44, 45, 46 och 47 är alla i den prefrontala cortexen
.
Del av	Frontallob
Delar	; ; Överlägsen frontal gyrus Mellan frontal gyrus Inferior frontal gyrus
Artär	; Främre cerebral Mellanhjärna
Ven	Överlägsen sagittal sinus
Identifierare
latin	Cortex praefrontalis
Maska	D017397
Neuronamn	2429
NeuroLex ID	nlx_anat_090801
FMA	224850
	Anatomiska termer för neuroanatomi [ redigera på Wikidata ]

I däggdjurshjärnans anatomi täcker den prefrontala cortexen ( PFC ) den främre delen av hjärnbarkens frontallob . PFC innehåller Brodmann-områdena BA8 , BA9 , BA10 , BA11 , BA12 , BA13 , BA14 , BA24 , BA25 , BA32 , BA44 , BA45 , BA46 och BA47 .

Den grundläggande aktiviteten i denna hjärnregion anses vara orkestrering av tankar och handlingar i enlighet med interna mål. Många författare har angett en integrerad koppling mellan en persons vilja att leva, personlighet och funktionerna i den prefrontala cortex.

Denna hjärnregion har varit inblandad i exekutiva funktioner , såsom planering , beslutsfattande , arbetsminne , personlighetsuttryck, moderering av socialt beteende och kontroll av vissa aspekter av tal och språk. Exekutiv funktion relaterar till förmågan att skilja mellan motstridiga tankar, bestämma bra och dåliga, bättre och bästa, samma och olika, framtida konsekvenser av nuvarande aktiviteter, arbeta mot ett definierat mål, förutsäga resultat, förväntningar baserade på handlingar och social "kontroll" (förmågan att undertrycka drifter som, om de inte undertrycks, kan leda till socialt oacceptabla resultat).

Den frontala cortex stöder inlärning av konkreta regler. Fler främre regioner längs den rostro-caudala axeln av frontal cortex stödjer regelinlärning vid högre abstraktionsnivåer.

Strukturera

Definition

Det finns tre möjliga sätt att definiera den prefrontala cortex:

som den granulära frontala cortex
som projektionszonen för thalamus mediala dorsala kärnan
som den del av den främre cortex vars elektriska stimulans inte framkallar rörelser

Granulär frontal cortex

Den prefrontala cortexen har definierats baserat på cytoarkitektonik genom närvaron av ett kortikalt granulärt lager IV . Det är inte helt klart vem som först använde detta kriterium. Många av de tidiga cytoarkitektoniska forskarna begränsade användningen av termen prefrontal till en mycket mindre region av cortex inklusive gyrus rectus och gyrus rostralis ( Campbell , 1905; GE Smith , 1907; Brodmann , 1909; von Economo och Koskinas , 1925). År 1935 använde Jacobsen emellertid termen prefrontal för att skilja granulära prefrontala områden från agranulära motoriska och premotoriska områden. När det gäller Brodmann-områden inkluderar den prefrontala cortex traditionellt områdena 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 24, 25, 32, 44, 45, 46 och 47, men alla dessa områden är inte strikt granulär – 44 är dysgranulär, caudal 11 och orbital 47 är agranulär. Det största problemet med denna definition är att den fungerar bra bara hos primater men inte hos icke-primater, eftersom de senare saknar ett granulärt lager IV.

Projektionszon

För att definiera den prefrontala cortex som projektionszonen för den mediodorsala kärnan i thalamus bygger på arbetet av Rose och Woolsey, som visade att denna kärna projicerar till främre och ventrala delar av hjärnan hos icke-primater, men Rose och Woolsey kallade denna projektion zon "orbitofrontal." Det verkar ha varit Akert, som för första gången 1964 uttryckligen föreslog att detta kriterium skulle kunna användas för att definiera homologer av den prefrontala cortexen hos primater och icke-primater. Detta möjliggjorde upprättandet av homologier trots avsaknaden av en granulär frontal cortex hos icke-primater.

Definitionen av projektionszonen är fortfarande allmänt accepterad idag (t.ex. Fuster ), även om dess användbarhet har ifrågasatts. Moderna spårningsstudier har visat att projektioner av den medioodorsala kärnan i thalamus inte är begränsade till den granulära frontala cortex hos primater. Som ett resultat föreslogs det att definiera den prefrontala cortex som den region av cortex som har starkare ömsesidiga kopplingar med den medioodorsala kärnan än med någon annan talamuskärna. Uylings et al. erkänn dock att även med tillämpningen av detta kriterium kan det vara ganska svårt att definiera den prefrontala cortex entydigt.

Elektriskt tyst område av frontal cortex

En tredje definition av prefrontal cortex är området av frontal cortex vars elektriska stimulering inte leder till observerbara rörelser. Till exempel 1890 David Ferrier termen i denna mening. En komplikation med denna definition är att den elektriskt "tysta" frontala cortex inkluderar både granulära och icke-granulära områden.

Underavdelningar

Enligt Striedter kan PFC hos människor avgränsas i två funktionellt, morfologiskt och evolutionärt olika regioner: den ventromediala PFC (vmPFC) som består av den ventrala prefrontala cortexen och den mediala prefrontala cortexen som finns i alla däggdjur , och den laterala prefrontala cortexen (LPFC) ), bestående av den dorsolaterala prefrontala cortexen och den ventrolaterala prefrontala cortexen , endast närvarande hos primater .

LPFC innehåller Brodmann - områdena BA8 , BA9 , BA10 , BA45 , BA46 och BA47 . Vissa forskare inkluderar även BA44 . VmPFC innehåller Brodmann - områdena BA12 , BA25 , BA32 , BA33 , BA24 , BA11 , BA13 och BA14 .

Tabellen nedan visar olika sätt att dela upp delar av den mänskliga prefrontala cortex baserat på Brodmann-områden.

8	9	10	46	45	47	44	12	25	32	33	24	11	13	14
lateral							ventromedial
dorsolateralt				ventrolateral			medial					ventral

Den dorsolaterala prefrontala cortexen består av BA8 , BA9 , BA10 och BA46 .
Den ventrolaterala prefrontala cortexen består av områdena BA45 , BA47 och BA44 .
Den mediala prefrontala cortex (mPFC) består av BA12 , BA25 och främre cingulate cortex : BA32 , BA33 , BA24 .
Den ventrala prefrontala cortexen består av områdena BA11 , BA13 och BA14 . (Se även definitionen av den orbitofrontala cortexen .)
Den dorsolaterala prefrontala cortexen innehåller BA8 , inklusive de främre ögonfälten .
Den ventrolaterala prefrontala cortexen innehåller BA45 som är en del av Brocas område . Vissa forskare inkluderar även BA44 den andra delen av Brocas område.

Sammankopplingar

Den prefrontala cortex är starkt sammankopplad med mycket av hjärnan, inklusive omfattande kopplingar med andra kortikala, subkortikala och hjärnstammar. Den dorsala prefrontala cortex är särskilt sammankopplad med hjärnregioner som är involverade i uppmärksamhet, kognition och handling, medan den ventrala prefrontala cortex är sammankopplad med hjärnregioner involverade med känslor. Den prefrontala cortexen får också input från hjärnstammens upphetsningssystem, och dess funktion är särskilt beroende av dess neurokemiska miljö. Således finns det en koordination mellan vårt upphetsningstillstånd och vårt mentala tillstånd. Samspelet mellan den prefrontala cortexen och det socioemotionella systemet i hjärnan är relevant för ungdomars utveckling, som föreslagits av Dual Systems Model .

Den mediala prefrontala cortexen har varit inblandad i genereringen av slow-wave sleep (SWS), och prefrontal atrofi har kopplats till minskningar av SWS. Prefrontal atrofi inträffar naturligt när individer åldras, och det har visats att äldre vuxna upplever försämringar i minneskonsolidering när deras mediala prefrontala cortex försämras. Hos apor har betydande atrofi hittats som ett resultat av neuroleptisk eller antipsykotisk psykiatrisk medicinering. Hos äldre vuxna, istället för att överföras och lagras i neocortex under SWS, börjar minnen att finnas kvar i hippocampus där de kodades , vilket bevisas av ökad hippocampal aktivering jämfört med yngre vuxna under återkallande uppgifter, när försökspersoner lärde sig ordassociationer, sov, och ombads sedan återkalla de inlärda orden.

Den ventrolaterala prefrontala cortexen (VLPFC) har varit inblandad i olika aspekter av talproduktion och språkförståelse. VLPFC är rikt kopplat till olika regioner i hjärnan inklusive den laterala och mediala tinningloben, den övre temporala cortexen, den infertemporala cortexen, den perirhinala cortexen och parahippoccampal cortex. Dessa hjärnområden är inblandade i minneshämtning och konsolidering, språkbehandling och association av känslor. Dessa anslutningar tillåter VLPFC att förmedla explicit och implicit minneshämtning och integrera den med språkstimulans för att hjälpa till att planera sammanhängande tal. Med andra ord, att välja rätt ord och hålla sig "on topic" under konversationen kommer från VLPFC.

Fungera

Verkställande funktion

De ursprungliga studierna av Fuster och Goldman-Rakic betonade den grundläggande förmågan hos den prefrontala cortexen att representera information som för närvarande inte finns i miljön, och den centrala rollen för denna funktion för att skapa den "mentala skissblocket". Goldman-Rakic talade om hur denna representativa kunskap användes för att intelligent styra tankar, handlingar och känslor, inklusive hämning av olämpliga tankar, distraktioner, handlingar och känslor. På så sätt kan arbetsminnet ses som grundläggande för uppmärksamhet och beteendehämning. Fuster talar om hur denna prefrontala förmåga tillåter bröllopet mellan det förflutna och framtiden, vilket tillåter både kors-temporala och tvärmodala associationer i skapandet av målriktade, perception-handlingscykler. Denna förmåga att representera ligger till grund för alla andra högre exekutiva funktioner.

Shimamura föreslog Dynamic Filtering Theory för att beskriva prefrontala cortex roll i exekutiva funktioner . Den prefrontala cortexen antas fungera som en grind- eller filtreringsmekanism på hög nivå som förbättrar målinriktade aktiveringar och hämmar irrelevanta aktiveringar. Denna filtreringsmekanism möjliggör exekutiv kontroll på olika nivåer av bearbetning, inklusive val, underhåll, uppdatering och omdirigering av aktivering. Det har också använts för att förklara känslomässig reglering.

Miller och Cohen föreslog en integrativ teori om prefrontal cortexfunktion, som härrör från Goldman-Rakic och Fusters ursprungliga arbete. De två teoretiserar att "kognitiv kontroll härrör från det aktiva underhållet av aktivitetsmönster i den prefrontala cortex som representerar mål och medel för att uppnå dem. De tillhandahåller fördomssignaler till andra hjärnstrukturer vars nettoeffekt är att styra aktivitetsflödet längs neurala banor som upprättar de korrekta mappningarna mellan ingångar, interna tillstånd och utgångar som behövs för att utföra en given uppgift”. I huvudsak teoretiserar de två att den prefrontala cortexen styr ingångarna och anslutningarna, vilket möjliggör kognitiv kontroll av våra handlingar.

Den prefrontala cortex är av stor betydelse när top-down bearbetning behövs. Top-down-bearbetning per definition är när beteende styrs av interna tillstånd eller avsikter. Enligt de två är "PFC kritisk i situationer när kartläggningarna mellan sensoriska input, tankar och handlingar antingen är svagt etablerade i förhållande till andra befintliga eller snabbt förändras". Ett exempel på detta kan skildras i Wisconsin Card Sorting Test (WCST) . Ämnen som deltar i den här uppgiften instrueras att sortera kort efter formen, färgen eller antalet symboler som visas på dem. Tanken är att vilket kort som helst kan associeras med ett antal åtgärder och ingen enskild stimulus-respons-kartläggning kommer att fungera. Mänskliga försökspersoner med PFC-skada kan sortera kortet i de initiala enkla uppgifterna, men kan inte göra det eftersom klassificeringsreglerna ändras.

Miller och Cohen drar slutsatsen att implikationerna av deras teori kan förklara hur stor roll PFC har för att styra kontroll av kognitiva handlingar. Med forskarnas egna ord hävdar de att "beroende på deras inflytandemål kan representationer i PFC fungera på olika sätt som uppmärksamhetsmallar, regler eller mål genom att tillhandahålla fördomssignaler uppifrån och ned till andra delar av hjärnan som styr flöde av aktivitet längs de vägar som behövs för att utföra en uppgift”.

Experimentella data indikerar en roll för den prefrontala cortexen i att förmedla normal sömnfysiologi, drömmar och sömnbristfenomen.

När man analyserar och tänker på attribut hos andra individer, aktiveras den mediala prefrontala cortex, men den aktiveras inte när man överväger egenskaperna hos livlösa föremål.

Studier som använder fMRI har visat att den mediala prefrontala cortex (mPFC), särskilt den främre mediala prefrontala cortex (amPFC), kan modulera mimikbeteende. Neuroforskare föreslår att social priming påverkar aktivitet och bearbetning i amPFC, och att detta område av den prefrontala cortex modulerar mimiksvar och beteende.

På senare tid har forskare använt neuroavbildningstekniker för att finna att tillsammans med de basala ganglierna är den prefrontala cortex involverad i att lära exemplar, vilket är en del av exemplarteorin , ett av de tre huvudsakliga sätten som vårt sinne kategoriserar saker på. Den exemplariska teorin säger att vi kategoriserar bedömningar genom att jämföra det med en liknande tidigare erfarenhet i våra lagrade minnen.

En metaanalys från 2014 av professor Nicole P.Yuan från University of Arizona fann att större prefrontal cortexvolym och större PFC-kortikal tjocklek var förknippade med bättre prestationsförmåga.

Uppmärksamhet och minne

Lebedev et al. experiment som dissocierade representation av rumslig uppmärksamhet från representation av rumsligt minne i prefrontal cortex

En allmänt accepterad teori om funktionen hos hjärnans prefrontala cortex är att den fungerar som ett lager av korttidsminne . Denna idé formulerades först av Jacobsen, som rapporterade 1936 att skador på primats prefrontala cortex orsakade korttidsminne. Karl Pribram och kollegor (1952) identifierade den del av den prefrontala cortex som är ansvarig för detta underskott som område 46 , även känt som den dorsolaterala prefrontala cortex (dlPFC). På senare tid Goldman-Rakic och kollegor (1993) korttidsminnesförlust i lokaliserade områden i rymden genom tillfällig inaktivering av delar av dlPFC. När väl begreppet arbetsminne (se även Baddeleys modell för arbetsminne ) etablerades i samtida neurovetenskap av Alan Baddeley (1986), bidrog dessa neuropsykologiska fynd till teorin att den prefrontala cortex implementerar arbetsminne och, i vissa extrema formuleringar, bara fungerar minne. På 1990-talet utvecklade denna teori en bred efterföljare, och den blev den dominerande teorin om PF-funktion, särskilt för icke-mänskliga primater. Begreppet arbetsminne som användes av förespråkare för denna teori fokuserade mest på kortsiktigt underhåll av information, och snarare mindre på manipulering eller övervakning av sådan information eller på användningen av denna information för beslut. I överensstämmelse med tanken att den prefrontala cortexen huvudsakligen fungerar i underhållsminnet, har fördröjningsperiodaktivitet i PF ofta tolkats som ett minnesspår. (Frasen "fördröjningsperiodaktivitet" gäller neuronal aktivitet som följer den övergående presentationen av en instruktionssignal och kvarstår tills en efterföljande "gå" eller "trigger"-signal.)

För att utforska alternativa tolkningar av fördröjningsperiodaktivitet i den prefrontala cortex, Lebedev et al. (2004) undersökte urladdningshastigheten för enstaka prefrontala neuroner när apor tittade på en stimulans som markerade en plats medan de kom ihåg en annan, omärkt plats. Båda platserna fungerade som potentiella mål för en sackadisk ögonrörelse . Även om uppgiften ställde intensiva krav på korttidsminne, representerade den största andelen prefrontala neuroner besökta platser, inte ihågkomna. Dessa fynd visade att korttidsminnesfunktioner inte kan stå för all, eller till och med de flesta, fördröjningsperiodaktivitet i den del av den prefrontala cortex som utforskas. Författarna föreslog att prefrontal aktivitet under fördröjningsperioden bidrar mer till processen för uppmärksamhetsval (och selektiv uppmärksamhet ) än till minneslagring.

Talproduktion och språk

Olika områden av den prefrontala cortexen har varit inblandade i en mängd kritiska funktioner när det gäller talproduktion, språkförståelse och svarsplanering innan man talar. Kognitiv neurovetenskap har visat att den vänstra ventrolaterala prefrontala cortexen är avgörande för bearbetningen av ord och meningar.

Den högra prefrontala cortex har visat sig vara ansvarig för att koordinera hämtningen av explicit minne för användning i tal, medan inaktiveringen av den vänstra är ansvarig för att mediera implicit minneshämtning som ska användas vid verbgenerering. Minnsen av substantiv (explicit minne) är försämrad hos vissa amnesiska patienter med skadad höger prefrontal cortex, men verbgenerering förblir intakt på grund av dess beroende av vänster prefrontal deaktivering.

Många forskare inkluderar nu BA45 i den prefrontala cortex eftersom den tillsammans med BA44 utgör ett område av pannloben som kallas Brocas område. Brocas område anses allmänt vara utgångsområdet för språkproduktionsvägen i hjärnan (till skillnad från Wernickes område i den mediala temporalloben, som ses som språkinmatningsområdet). BA45 har visat sig vara inblandad för hämtning av relevant semantisk kunskap som ska användas i samtal/tal. Den högra laterala prefrontala cortex (RLPFC) är inblandad i planeringen av komplext beteende, och tillsammans med bilaterala BA45 agerar de för att bibehålla fokus och koherens under talproduktion. Vänster BA45 har dock visat sig aktiveras avsevärt samtidigt som talet bibehålls hos unga. Äldre personer har visat sig rekrytera rätt BA45 mer än sina yngre motsvarigheter. Detta överensstämmer med bevisen på minskad lateralisering i andra hjärnsystem under åldrande.

Dessutom har denna ökning av BA45- och RLPFC-aktivitet i kombination med BA47 hos äldre patienter visat sig bidra till "off-topic yttranden." BA47-området i den prefrontala cortex är inblandat i "stimulusdriven" hämtning av mindre framträdande kunskap än vad som krävs för att bidra till ett samtal. Med andra ord har förhöjd aktivering av BA47 tillsammans med förändrad aktivitet i BA45 och den bredare RLPFC visat sig bidra till att inkludera mindre relevant information och irrelevanta tangentiella samtalsmönster i äldre ämnen.

Klinisk signifikans

Under de senaste decennierna har hjärnavbildningssystem använts för att bestämma hjärnregionvolymer och nervkopplingar. Flera studier har visat att minskad volym och sammankopplingar av frontalloberna med andra hjärnregioner observeras hos patienter som diagnostiserats med psykiska störningar och ordinerats potenta antipsykotika ; de som utsätts för upprepade stressfaktorer ; de som överdrivet konsumerar sexuellt explicit material; självmord ; de fängslade; brottslingar ; sociopater ; de som drabbats av blyförgiftning ; och dagliga manliga cannabisanvändare (endast 13 personer testades). Man tror att åtminstone en del av människans förmåga att känna skuld eller ånger, och att tolka verkligheten , är beroende av en välfungerande prefrontal cortex. Den avancerade neurokretsen och självreglerande funktionen hos den mänskliga prefrontala cortex är också förknippad med den högre känslan hos människor, eftersom den prefrontala cortex hos människor upptar en mycket större andel av hjärnan än hos något annat djur. Och det är teoretiskt att, eftersom hjärnan har tredubblats i storlek under fem miljoner år av mänsklig evolution, har den prefrontala cortex sexdubblats i storlek.

En granskning av exekutiva funktioner hos friska tränande individer noterade att de vänstra och högra halvorna av den prefrontala cortexen, som delas av den mediala longitudinella fissuren , verkar bli mer sammankopplade som svar på konsekvent aerob träning. Två recensioner av strukturell neuroimaging forskning indikerar att markanta förbättringar i prefrontal och hippocampal grå substans volym förekommer hos friska vuxna som ägnar sig åt medelintensiv träning i flera månader.

En funktionell neuroimaging översyn av meditationsbaserade metoder antydde att utövande av mindfulness förbättrar prefrontal aktivering, vilket noterades vara korrelerat med ökat välbefinnande och minskad ångest, även om kohortstudier behövs för att bättre befästa denna teori.

Behandlingar med läkemedel mot cancer är ofta toxiska för hjärnans celler, vilket leder till minnesförlust och kognitiv dysfunktion som kan kvarstå långt efter exponeringsperioden. Ett sådant tillstånd kallas kemo hjärna . För att bestämma grunden för detta tillstånd behandlades möss med det kemoterapeutiska medlet mitomycin C. I den prefrontala cortexen resulterade denna behandling i en ökning av den oxidativa DNA-skadan 8-oxodG , en minskning av enzymet OGG1 som vanligtvis reparerar sådana skador , och epigenetiska förändringar .

Kroniskt intag av alkohol leder till ihållande förändringar i hjärnans funktion inklusive förändrad beslutsförmåga. Den prefrontala cortexen hos kroniska alkoholister har visat sig vara känslig för oxidativ DNA-skada och neuronal celldöd .

Historia

Kanske är sädesfallet i prefrontal cortexfunktion det hos Phineas Gage , vars vänstra frontallob förstördes när en stor järnstav drevs genom hans huvud i en olycka 1848. Standardpresentationen är att även om Gage behöll normalt minne, tal och motorik, förändrades hans personlighet radikalt: Han blev irriterad, kvick och otålig – egenskaper som han inte tidigare visat – så att vänner beskrev honom som "inte längre Gage "; och medan han tidigare hade varit en duglig och effektiv arbetare, kunde han efteråt inte fullfölja. En noggrann analys av primära bevis visar dock att beskrivningar av Gages psykologiska förändringar vanligtvis är överdrivna när de hålls mot beskrivningen från Gages läkare, det mest slående särdraget är att förändringar som beskrivs år efter Gages död är mycket mer dramatiska än något som rapporterats medan han levde. .

Efterföljande studier på patienter med prefrontala skador har visat att patienterna verbaliserat vad de mest lämpliga sociala svaren skulle vara under vissa omständigheter. Ändå, när de faktiskt uppträdde, eftersträvade de istället beteende som syftade till omedelbar tillfredsställelse, trots att de visste att de långsiktiga resultaten skulle vara självförstörande.

Tolkningen av dessa data indikerar att inte bara färdigheter för jämförelse och förståelse av eventuella resultat hyser i den prefrontala cortex, utan den prefrontala cortex (när den fungerar korrekt) styr det mentala alternativet att fördröja omedelbar tillfredsställelse för en bättre eller mer givande tillfredsställelse på längre sikt resultat. Denna förmåga att vänta på en belöning är en av nyckeldelarna som definierar den mänskliga hjärnans optimala verkställande funktion. ^{[ citat behövs ]}

Det finns mycket aktuell forskning som ägnas åt att förstå prefrontala cortex roll vid neurologiska störningar. Kliniska prövningar har påbörjats på vissa läkemedel som har visat sig förbättra prefrontal cortex funktion, inklusive guanfacin , som verkar genom alfa-2A adrenerga receptorn . Ett nedströmsmål för detta läkemedel, HCN-kanalen , är ett av de senaste utforskningsområdena inom prefrontal cortex-farmakologi.

Etymologi

Termen "prefrontal" som beskrivning av en del av hjärnan verkar ha introducerats av Richard Owen 1868. För honom var det prefrontala området begränsat till den främre delen av frontalloben (ungefär motsvarande frontalpolen). Det har antagits att hans val av termen baserades på det prefrontala benet som finns i de flesta amfibier och reptiler.

Ytterligare bilder

Animation, prefrontal cortex på vänster hjärnhalva (visas i rött)
Frontvy
Sidovy
Medialt perspektiv

Se även

externa länkar