Electrophysiological Models for the Study of Cognition Enhancers

Abstract

Electrophysiological approaches range from global EEG studies to single unit recordings. Quantified EEG studies indicate that cognition enhancers increase the power of fast-frequency (beta) EEG activity in humans and the duration of hippocampal theta in animals. A problem here is the distinction between improved cognition and increases in general arousal, although the two might have the same end effect. A second global approach is the use of the evoked potential or even the conditioned evoked potential, for example the P 300 wave. This approach, using defined brain circuits, would appear to be more specific than global EEG models. Both approaches can be used in parallel studies in animals and man.

Studies at more cellular levels can only be used in animals and suffer from severe constraints. The most precise approach, single cell recording, cannot be conducted in freely behaving animals, whereas multi-unit approaches in awake animals tend to produce many artefacts. However, techniques using microintophoretically applied drugs in freely moving rodents and monkeys can contribute to the understanding of mechanisms of action. In vitro studies, for example long-term potentiation in hippocampal slices, may represent a neuronal model of learning but its role in normal brain function has still not been elucidated.

Zusammenfassung

Elektrophysiologische Modelle reichen von globalen EEG-Studien bis zu Aufnahmen einzelner Einheiten. Quantifizierte EEG-Studien zeigen, daß Mittel zur Verbesserung der Wahrnehmung die Kraft der Schnellfrequenz- EEG-Aktivität (beta) beim Menschen erhöhen und die Dauer des Hippocampus-Theta bei Tieren. Ein Problem hierbei ist die Unterscheidung zwischen verbesserter Wahrnehmung und Steigerungen des allgemeinen Arousal, obwohl beide denselben Endeffekt haben können. Eine weitere globale Vorgehensweise ist die Anwendung des Reaktionspotentials oder sogar des bedingten Reaktionspotentials wie z.B. der P-300-Welle. Diese Methode, bei der definierte Gehirnkreisläufe angewendet werden, scheint spezifischer zu sein als die globalen EEG-Modelle. Beide Methoden können in Parallelstudien beim Menschen und Tier angewendet werden.

Studien auf mehr zellulären Ebenen können nur bei Tieren angewendet werden und beinhalten schwere Einschränkungen. Die genaueste Methode, die Einzelzellaufnahme kann bei sich frei bewegenden Tieren nicht angewendet werden, während Multi-Einheiten-Methoden bei wachen Tieren dazu tendieren, viele Artefakts hervorzurufen. Methoden, bei denen jedoch mikroiontophoretisch angewandte Medikamente bei sich frei bewegenden Nagetieren und Affen eingesetzt werden, können zum Verständnis der Wirkungsmechanismen beitragen. In-vitro-Studien wie z.B. die Langzeit-Potenzierung bei Hippocampusscheiben können ein neuronales Lernmodell darstellen. Die Bedeutung dieses Modells für die normale Gehirnfunktion ist jedoch noch nicht geklärt.