Part 3.2. The Papez Circuit

 

We summarize our findings and understandings in this section.

 

Definition 3.1 The elementary limbic oscillation circuit

 

We define the circular linkage of hippocampus, amygdala and septal cores as the elementary limbic oscillation circuit or the inner Papez Circuit.

 

Definition 3.1 The Papez Circuit

 

We define the circular linkage of hippocampus, corpus mamillare, nucleus anterior thalami and gyrus cinguli as the Papez Circuit.

 

Theorem 3.1 The hippocampal theta as the basic limbic oscillation

 

Depending on species, the limbic system consists of between thousands and hundreds of thousands of elementary oscillation circuits that are mostly more or less independent of each other, each single one of which is an active memory for a signal of its own.

A tetanic oscillation interrupted intermittently at short intervals with a low-frequency envelope curve of between 4 and 8 Hertz is generated in each elementary limbic oscillation circuit.

 

All action potentials exerting an action on each granule cell are subjected to a time lag during transmission along the cell’s unmyelinated axon – the mossy fibers. Echo neurons tap these mossy fibers to produce an echo of the input that is time-lagged as a result of the difference in transmission time. These primary echoes from each mossy fiber are collected and pooled by an integration neuron belonging to the mossy fiber into a higher-frequency echo and transmitted to a recycling neuron in the lateral amygdala, from which they are fed back to the granule cell that originally generated them as output, and also to the cortical neurons responsible for emitting the original signals.

 

The dead time phases of the neurons prevent damage from an increase in firing rate of the continuous oscillation.

Excitatory projection of this input oscillation to the septum and negative feedback from the septum to the hippocampus creates intervals in this continuous oscillation enabling the neurons to reactivate. The duration of these intervals corresponds to the time taken by the action potential to travel from the hippocampus to the septum and back.

An input signal in the hippocampus is kept alive and temporarily stored in the elementary limbic oscillation circuit in the form of a timed, titanic oscillation.

 

Some of the weaker neighboring signals are suppressed by blockade of neighboring receptors by GABAergic interneurons.

 

Signals can be deleted by interruption of the oscillation by means of prolonged inhibitory signals onto the recycling neuron in the lateral amygdala responsible for the oscillation.  An alternative pathway is excitation of GABAergic interneurons in the hippocampus that will enable them to block the hippocampal pyramidal cells.

A further option is to submit the relevant GABAergic projection neurons in the septum to prolonged excitation, thereby causing these to block the hippocampal pyramidal cells and terminate signal rotation.

Signals from cores with time-dependent activity-control capability enable time-driven interruption of signal rotation, e.g. after prey has escaped.

An inactive signal in the hippocampus can be activated by external stimuli and signal rotation initiated by excitation of any one of the neurons in the signal loop. The start location can be either the hippocampus or the central amygdala.

Sustained excitatory input into the central amygdala is switched over to the inhibitory transmitter GABA to block the signal neurons allotted to it in the lateral amygdala and stop oscillation of the signals belonging to it.

The output of the elementary hippocampal oscillation circuit can exit this circuit at various points, either via the hippocampus in the form of primary echo signals from the CA3 pyramidal cells, or as a secondary echo from the CA1 pyramidal cells via the hippocampus, and also via the amygdala or the septum.

 

                                                                                          (End of Theorem 3.1)

 

Although the limbic system includes not only hippocampus, amygdala and septal cores, but also nucleus accumbens, area tegmentalis ventralis and ventral pallidum, it will for reasons connected with system theory be the three first-mentioned organs that will be reviewed in Part 4 of this monograph.

Part 4 will demonstrate that evolution allotted a series of tasks to the basal ganglia, including the parts of these located in the limbic system. Evolution was so successful in concealing the nature of these tasks that it has as yet been impossible to decipher them. In the opinion of the author of this monograph, the most important of these tasks was digitalization of cortical output to enable binary processing of signals within the cerebral system. Should it prove possible to prove this, there is no doubt that the existing theoretic difference between present-day computers and vertebrate brain will be joined by a common feature, namely, binary signal processing in both systems.



Bibliography:

 

  1. Eric R. Kandel/James H. Schwartz/Thomas M. Jessell, Neurowissenschaften, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, Oxford, 1995
  2. Richard F. Thompson, Das Gehirn Von der Nervenzelle zur Verhaltenssteuerung, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, Oxford, 2001
  3. Bryan Kolb/Ian Q. Whishaw, Neuropsychologie, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, Oxford, 1996
  4. John G. Nicholls/A. Robert Martin/Bruce G. Wallace/ Paul A. Fuchs, From Neuron to Brain, Fourth Edition, Sinauer Associates, Inc. , Publishers Sunderland, Massachusetts, U.S.A
  5. Zilles/Rehkämper, Funktionelle Neuroanatomie, Dritte Auflage, Springer, 1998
  6. Schmidt/Schaible, Neuro- und Sinnesphysiologie, 5. Auflage, Springer, 2006
  7. Sobotta, Atlas der Anatomie des Menschen, 21. Auflage, Urban & Fischer, 2004
  8. E. Bruce Goldstein, Wahrnehmungspsychologie, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, Oxford, 2010
  9. Werner Kahle/Michael Frotscher, Taschenatlas Anatomie, Nervensystem und Sinnesorgane, Georg Thieme Verlag, 9. Auflage, 1975, 2005
  10. Graumann/Sasse, Schattauer, Anatomie, Band 4, Sinnessysteme-Haut-ZNS-Periphere Leitungsbahnen, Stuttgart, New York, 2004
  11. Hildebrand/Goslow, Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere, 5. Auflage, Springer, 2004
  12. Dudel/Menzel/Schmidt, Neurowissenschaft, Vom Molekül zur Kognition, 2. Auflage, Springer, 2001
  13. Poeck/Hacke, Neurologie, 12. Auflage, Springer, 2006
  14. Louis Bolk, Das Cerebellum der Säugetiere: Eine Vergleichend Anatomische Untersuchung, Verlag von Gustav Fischer, 1906, (Reprint)
  15. Heinrich Reichert, Neurobiologie, 2. Auflage, Georg ThiemeVerlag, 2000
  16. Martin Trepel, Neuroanatomie, Struktur und Funktion, 4. Auflage, Urban & Fischer, 2008
  17. Ulrich Ramacher/Christopf von der Malsburg, Zur Konstruktion künstlicher Gehirne, Springer, 2009
  18. Christian Borgelt/Frank Klawonn/Rudolf Kruse/Detlef Nauk, Neuro-Fuzzy-Systeme, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2003
  19. Rolf Kötter, Basalganglien, Internet-Skript, 1998
  20. Marlene Kanter, Organisation der extrazellulären Matrix in der Substantia nigra des Menschen und ihr Bezug zum Morbus Parkinson, Dissertation, Paul-Flechsing-Institut für Hirnforschung, 2010
  21. Hans-Peter Krüger, Hirn als Subjekt ? Philosophische Grenzfragen der Neurobiologie, Sonderband 15, Akademie Verlag, 2007
  22. Inka S. Eisfeld, Differentialdiagnostische Bewertung Neuropsychologischer Störungsprofile bei Basalganglien-Erkrankungen mit akinetisch-rigider Symptomatik, Dissertation, Magdeburg, 2005
  23. Susanne Kamphausen, Funktionelle Architektur der Kleinhirnkerne der Ratte, Dissertation, Tübingen, 2006
  24. Rolf Kötter, Strukturelle Determination kortikaler Informationsverarbeitung: Experimentelle und neuroinformatische Untersuchungen zur Aktivitätsausbreitung im Säugerkortex, Habilitationsschrift, 2001
  25. Linda Maria Leßmann, Modulation der Aktivität der Basalganglien im Parkinson-Modell der Ratte sowie nach Läsionen des Nucleus pedunculopontinus, Dissertation, Tübingen, 2006
  26. Ronny Niehage, Expressionsanalyse des ephidrin-/Eph-Systems im frontalen Gehirn der Maus während der embryonalen und postnatalen Entwicklung, Dissertation, Jena
  27. Kerstin Wellershaus, Charakterisierung einer konditional Cennexin36-defizienten Mausmutante sowie Vorversuche zur funktionellen Analyse von Horizontalzellen der Retina, Dissertation, Bonn, 2006
  28. Gudrun Lang, Veränderungen der neurophysiologischen Abläufe im visuellen Cortex des Menschen während einer optischen Lernaufgabe, Dissertation, Gießen, 2000
  29. Stefan Rathjen, Die Dynamik der Entstehung kolumnärer Systeme in der Sehrinde von Katzen, Dissertation, Magdeburg und Bielefeld, 2000
  30. Alexander Maye, Neuronale Synchronität, zeitliche Bindung und Wahrnehmung, Dissertation, Berlin, 2002
  31. Barbara Limmer, Legasthenie und reine Worttaubheit als neurologisch-basale Störung, Dissertation, Regensburg, 2001
  32. Edith Obermüller, Aktueller Stand des Farbsehens der Pavianarten, Fourierinterferometrische Untersuchungen am Mantelpavian, Dissertation, München, 2007
  33. Robert Alexander Reiprich, Untersuchungen zur zellulären Physiologie des unreifen Neokortex der Ratte, Dissertation, Bonn, 2002
  34. Cengiz, Cani, Morphologische Analyse der retinalen Ganglienzellen in der Retina des Menschen, Dissertation, Münster, 2006
  35. Anja Schierloh, Neuronale Netzwerke und deren Plastizität im Barrel-Kortex der Ratte, Dissertation, München, 2003
  36. Bernhard Reuss, Der Grundbauplan des menschlichen Nervensystems, Internetskript, Göttingen, Version 2009-09
  37. Johanna D. Crook, Christopher M. Davenport, Beth B. Peterson, Orin S. Packer, Peter B. Detwiler, Parallel ON and OFF Cone Bipolar Inputs Establish Spatially Coextensive Receptive Field Struktur of Blue-Yellow Ganglion Cells in Primate Retina, The Journal of Neuroscience, 29: 8372-8387 (2009)
  38. Martin C. Hirsch, interBRAIN, Topographische Anatomie des ZNS des Menschen, Basisversion, CD-ROM, Springer, 2004
  39. Christina Herold, Nicolea Palomere-Galllagher, Burkhard Hellmann, Sven Kröner, Carsten Theiss, Onur Güntürkün and Karl Zilles, The Receptorarchitecture of the Pigeos‘ Nidopallidum caudolaterale – an Avian Analogue to the Mammalian Prefrontal Cortex, zur Veröffentlichung vorgesehen, 2011
  40. Carmen Masanneck, Inhibitorische Netzwerke im somatosensorischen Kortex der Ratte: Nachweis der synaptischen Innervation von erregenden und hemmenden Zielzellen durch VIP-immunreaktive Interneurone, Dissertation, Düsseldorf, 2002
  41. David Marr, A Theorie of Cerebellar Cortex, J. Physiol. (1969), 202, pp. 437-470
  42. John K. Harting, The Global Cerebellum ’97, Ph. D., University of Wisconsin Medical School, Febr. 1997, Illustrations by: David P. Van Lieshout, Web Version by: Kevin J. Helmrick (Internet-Dokument)
  43. Matthias Brand, Hans J. Markowitsch, Gehirn und Verhalten, Monika Pritzel, Spektrum Akademischer Verlag, 2009
  44. D. Miskolczy, Die Endigungsweise der olivo-cerebellaren Faserung1, Aus der Hirnforschungsanstalt der Universität zu Szeged, 16. April 1934 (1 Herrn Prof. Karl Schaffer zum 70. Geburtstage)
  45. Karl Zilles, Bernhard N Tillmann, Anatomie, Springer Medizin Verlag Heidelberg, 2010
  46. Heldmaier, Neuweiler, Vergleichende Tierphysiologie, Rössler, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013
  47. Johannes W. Rohen, Funktionelle Neuroanatomie, 6. Auflage, Schattauer GmbH, Verlag für Medizin und Naturwissenschaften
  48. Roth, Wie einzigartig ist der Mensch? Die lange Evolution der Gehirne und des Geistes, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, 2011
  49. V. Braitenberg, A. Schüz, Cortex: Statistics and Geometry of Neuronal Connectivyty, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 1991
  50. Samuel M. Blinkov/Ilja I. Glezer, Das Zentralnervensystem in Zahlen und Tabellen, VEB Gustav Fischer Verlag Jena, 1968
  51. Claudia Rose, geb. Wagner, Genetische und epigenetische Einflüsse auf die Entwicklung der Amygdala und des emotionalen Verhaltens – Untersuchung an drei Mäusestämmen, Dissertation, Magdeburg, 2006
  52. Tobias Benno Kaschel, Die Langzeit-Depression in der lateralen Amygdala, Dissertation, Berlin, 2010
  53. Markus Groffmann, Zur Rolle der Amygdala bei dysphorischen Störungen. Eine klinische und volumetrische MR-Studie bei Patienten mit chronischer Temporallappenepilepsie. Dissertation, Freiburg i. Br., 2003
  54. Thiên-Tri Lâm, Die Rolle des medialen Septums für die synaptogene Östrogenwirkung am Hippocampus, Dissertation, Freiburg i. Brsg., 2005
  55. Andreas Ehret, Präsynaptische Modulation der Freisetzung von Acetylcholin: Untersuchungen im Neocortex des Menschen sowie an cholinergen Neuronenkulturen aus der Septum-Region des fetalen Rattenhirns, Dissertation, Freiburg im Breisgau, 2004
  56. Jörg Lesting, Adaptive Reifung von Dopamin und Serotonin im Nucleus accumbens, der integrativen Schnittebene zwischen Emotion und Bewegung: Isolationsaufzucht und Methamphetamin-Intoxikation als Induktoren einer gestörten Reifung bei Meriones unguiculatus, Dissertation, Bielefeld, 2005
  57. Anja Knoche, Histaminerge Modulation hochfrequenter Oszillationen im Hippocampus der freibeweglichen Ratte, Dissertation, Düsseldorf, 2001
  58. Peter Franz-Josef Prang, Regenerationsfähigkeit entorhino-hippocampaler Fasern in organotypischen Schnittkulturen, Frankfurt / Main, 2001
  59. Emre Gazyakan, Postnatale Entwicklung präsynaptischer Opioidrezeptoren im Hippocampus und Septum der Ratte, Dissertation, Freiburg i. Br., 2000
  60. F. Brücke, G. Gogolák, Ch. Stumpf, Mikroelektrodenuntersuchung der Reizantwort und der Zelltätigkeit im Hippocampus bei Septumreizung, Pflügers Archiv, 276, 456-470 (1963)
  61. Peter Somogyi, Thomas Klausberger, Defined types of cortical interneurone structure space and spike timing in the hippocampus, J. Physiol 562.1 (2005) pp 9-26
  62. T. F. Freud, G. Buzsáki, Interneurons of the Hippocampus, Hippocampüus 6:347-470 (1996)
  63. Rainer WT, Ulinski PS, Organization of nucleus rotundus, a tectofugal thalamic nucleus in turtles. III. The tectorotundal projection, J Comp Neurol. 1982 Aug. 1; 209(2):208-23
  64. Karten, H. J. and Hodos, W., Telencephalic projections of the nucleus rotundus in the pigeon (Columba livia), J. (1979), Comp. Neurol., 140:35-51. doi: 10.1002/cne.901400103
  65. Marion Pilar Helene Theiß, geb. Meller, Neuroanatomische Untersuchungen zur Immunohistochemie und den Verschaltungsmustern des Nucleus subpraetectalis im visuellen System der Taube (Columba livia), Dissertation, Göttingen, 2001
  66. Mario Perko, Vergleichende Untersuchung zu den Kerngebieten visueller, somatosensorischer, auditorischer und motorischer Bahnen bei verschiedenen Hühnerrassen, Dissertation, Düsseldorf, 2006
  67. Rafed Arne Jalali, Auswirkungen der tiefen Hirnstimulation des Nucleus subthalamicus auf zwanghaftes Verhalten im Quinpirol-Tiermodell für Zwangskrankheit, Dissertation, Berlin, 2010
  68. K. F. Schröder, A. Hopf, H. Lange und G. Thörner, J. Morphometrisch-statistische Strukturanalysen des Striatums, Pallidums und Nucleus subthalamicus beim Menschen, Hirnforsch. 16 (1975) 333-350
  69. Yehonala Gudlowski, Neurophysiologische Substrate von Störungen des Belohnungssystems und kognitiver Funktionen bei unmedizierten Schozophreniepatienten untersucht mitttels funktioneller Magnetresonanztomografie und H-Magnetresonanzspektroskopie, Dissertation, Berlin, 2009
  70. Michaele Siebert, Die Bedeutung der Amygdala für Emotionsverarbeitung und Gedächtnis, Dissertation, Bielefeld, 2002
  71. Asla Pitkänen, Vesa Savander and Joseph E. LeDoux, Organisation of intra-amygaloid circuitries in the rat: an emerging framework for understanding functions of the amygdala, Trends Neurosci. (1997) 20, 517-523
  72. Asla Pitkänen, Jarko Tuunanen, Roetta Kälviäinen, Kaarina Partanen, Tuuli Salmenperä, Amygdala damage in experimental and human temporal lobe epilepsy, Epilepsy Research 32 (998) 233-253
  73. Birol Taskin, Entwicklung eines strukturtreuen Kabelmodells eines inhibitorischen Interneurons im Gyrus dentatus des Hippocampus der Ratte, Dissertation, Freiburg, 2003

 

 

 (End of bibliography)


ISBN 978-3-00-037458-6


Monograph by Dr. rer. nat. Andreas Heinrich Malczan