Tải bản đầy đủ (.pdf) (191 trang)

Ebook Clinical neuroscience (2/E): Part 1

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (11.74 MB, 191 trang )


Clinical Neuroscience

Clinical Neuroscience offers a comprehensive overview of the biological bases of major
psychological and psychiatric disorders, and provides foundational information regarding
the anatomical and physiological principles of brain functioning. In addition, the book
presents information concerning neuroplasticity, pharmacology, brain imaging, and brain
stimulation techniques. Subsequent chapters address specific psychological disorders and
neurodegenerative diseases, including major depressive and bipolar disorders, anxiety,
schizophrenia, disorders of childhood origin, and addiction, as well as neurodegenerative
disorders, such as Parkinson’s and Alzheimer’s diseases. This highly readable textbook
expands case examples and illustrations to discuss the latest research findings in clinical
neuroscience from an empirical, interdisciplinary perspective.
Lisa L. Weyandt, Ph.D., is a professor of psychology at the University of Rhode Island
(URI). She is an active member of the University of Rhode Island Interdisciplinary
Neuroscience Program and faculty member of the George and Anne Ryan Institute for
Neuroscience. Professor Weyandt is recognized internationally and nationally as an expert
on the assessment and treatment of attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). She
has published numerous peer-reviewed articles covering an array of clinical neuroscience
topics ranging from the use and misuse of prescription stimulants, brain imaging
techniques, Tourette’s disorder, Alzheimer’s disease, and executive functions in clinical and
non-clinical populations. She is also a licensed psychologist and works with children and
adults with a variety of psychological conditions. Dr. Weyandt is the recipient of several
awards; has presented at numerous regional, national, and international conferences; and
has authored four books in addition to Clinical Neuroscience: Foundations of Psychological
and Neurodegenerative Disorders.



Clinical Neuroscience


Foundations of Psychological
and Neurodegenerative Disorders
SECOND EDITION

Lisa L. Weyandt, Ph.D.


Second edition published 2019
by Routledge
52 Vanderbilt Avenue, New York, NY 10017
and by Routledge
2 Park Square, Milton Park, Abingdon, Oxon, OX14 4RN
Routledge is an imprint of the Taylor & Francis Group, an informa business
© 2019 Taylor & Francis
The right of Lisa L. Weyandt to be identified as author of this work has been
asserted by her in accordance with sections 77 and 78 of the Copyright,
Designs and Patents Act 1988.
All rights reserved. No part of this book may be reprinted or reproduced or
utilized in any form or by any electronic, mechanical, or other means, now
known or hereafter invented, including photocopying and recording, or in
any information storage or retrieval system, without permission in writing
from the publishers.
Trademark notice: Product or corporate names may be trademarks or
registered trademarks, and are used only for identification and explanation
without intent to infringe.
First edition published by Routledge 2005
Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
Names: Weyandt, Lisa L., author.
Title: Clinical neuroscience : foundations of psychological and
neurodegenerative disorders / Lisa L. Weyandt.

Other titles: Physiological bases of cognitive and behavioral disorders.
Description: 2nd edition. | New York, NY : Routledge, 2019. | Preceded
by The physiological bases of cognitive and behavioral disorders /
Lisa L. Weyandt. 2006. | Includes bibliographical references and index.
Identifiers: LCCN 2018031153 (print) | LCCN 2018031940 (ebook) |
ISBN 9781315209227 (E-book) | ISBN 9781138629790 (hardback) |
ISBN 9781138630758 (pbk.) | ISBN 9781315209227 (ebk)
Subjects: | MESH: Mental Disorders—physiopathology | Neurocognitive
Disorders—physiopathology | Brain Diseases—physiopathology |
Cognitive Neuroscience—methods
Classification: LCC RC455.4.B5 (ebook) | LCC RC455.4.B5 (print) | NLM
WM 140 | DDC 616.89—dc23
LC record available at />ISBN: 978-1-138-62979-0 (hbk)
ISBN: 978-1-138-63075-8 (pbk)
ISBN: 978-1-315-20922-7 (ebk)
Typeset in Minion Pro
by Apex CoVantage, LLC


To my son, Sebastian, an extraordinary young man, and to
Andrew who has taught me the true meaning of tenacity.



Contents

Acknowledgments ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ xiii
Foreword ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� xv
Preface ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� xvii
CHAPTER 1 — Neuroanatomy, Brain Development, Protection, Metabolic Needs of

the Brain, and Neuroplasticity����������������������������������������������������������������������������1
Learning Objectives������������������������������������������������������������������������������������������������������������������1
Overview of the Nervous System�����������������������������������������������������������������������������������������������2
Brain Regions, Structures, and Functions�����������������������������������������������������������������������������������5
Directionality and Terminology����������������������������������������������������������������������������������������������5
Brain Divisions�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������6
Forebrain and Lateralization�������������������������������������������������������������������������������������������������8
Midbrain���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������15
Hindbrain�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������16
Brain Development�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������17
Prenatal Brain Growth������������������������������������������������������������������������������������������������������������17
Neurulation�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������17
Brain Cells and Brain Maturation���������������������������������������������������������������������������������������������18
Neurons and Glial Cells�����������������������������������������������������������������������������������������������������18
Cell Migration�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������23
Synaptogenesis����������������������������������������������������������������������������������������������������������������24
Apoptosis�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������25
vii


viii  Contents

Postnatal Brain Growth and Neuroplasticity������������������������������������������������������������������������������26
Factors Influencing Brain Development������������������������������������������������������������������������������������27
Neuroplasticity�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������28
Traumatic Brain Injury������������������������������������������������������������������������������������������������������������29
Brain Injury—Stroke��������������������������������������������������������������������������������������������������������������31
Developmental Conditions������������������������������������������������������������������������������������������������������32
Amputation—Phantom Limb��������������������������������������������������������������������������������������������������33
Deprivation Studies����������������������������������������������������������������������������������������������������������������34

Enrichment Studies����������������������������������������������������������������������������������������������������������������36
Mechanisms of Neuroplasticity�����������������������������������������������������������������������������������������������37
Glial Cells, Dendritic Arborization, Axonal Sprouting, and Synaptogenesis������������������������������37
Medication, Neurotrophins, and Neurogenesis��������������������������������������������������������������������39
Neurotrophins�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������39
Protection and Metabolic Needs of the Brain����������������������������������������������������������������������������40
Brain Metabolism and TBI��������������������������������������������������������������������������������������������������42
Sex Differences in Brain Morphology and Function�������������������������������������������������������������������43
Chapter Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������45
Chapter Summary: Main Points�����������������������������������������������������������������������������������������������45
Review Questions�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������46
CHAPTER 2 — Cellular Function, Neurotransmission, and Pharmacology�������������������������������47
Learning Objectives����������������������������������������������������������������������������������������������������������������47
Intracellular Components and Functions����������������������������������������������������������������������������������47
Dendrites and Synapses����������������������������������������������������������������������������������������������������51
Development of the Action Potential����������������������������������������������������������������������������������������53
Electrostatic Pressure and Diffusion�����������������������������������������������������������������������������������53
Depolarization and Hyperpolarization����������������������������������������������������������������������������������54
Process of Chemical Neurotransmission����������������������������������������������������������������������������������56
Exocytosis������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������57
Neurotransmitter Regulation����������������������������������������������������������������������������������������������58
Postsynaptic Receptors����������������������������������������������������������������������������������������������������������60
Termination of Neurotransmission�������������������������������������������������������������������������������������������62
Endocytosis and Pinocytosis����������������������������������������������������������������������������������������������62
Neurotransmitter Substances��������������������������������������������������������������������������������������������������63
Transmitter Gases�������������������������������������������������������������������������������������������������������������64
Large Molecule Transmitters����������������������������������������������������������������������������������������������64
Small Molecule Transmitters����������������������������������������������������������������������������������������������65
Psychopharmacology�������������������������������������������������������������������������������������������������������������73
Pharmacokinetics�������������������������������������������������������������������������������������������������������������77

Medication Effects������������������������������������������������������������������������������������������������������������77
Agonists and Antagonists��������������������������������������������������������������������������������������������������78
An Overview of Psychotropic Drugs and Mode of Action�����������������������������������������������������������79
Antianxiety Medications�����������������������������������������������������������������������������������������������������79
Antidepressant Medications�����������������������������������������������������������������������������������������������81
Antipsychotic Medications�������������������������������������������������������������������������������������������������83
Mood Stabilizers���������������������������������������������������������������������������������������������������������������84
Psychostimulants��������������������������������������������������������������������������������������������������������������85


Contents  ix

Chapter Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������85
Chapter Summary: Main Points�����������������������������������������������������������������������������������������������85
Review Questions�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������86
CHAPTER 3 — Techniques of Brain Imaging and Brain Stimulation�����������������������������������������87
Learning Objectives����������������������������������������������������������������������������������������������������������������87
Fundamental Principles of Brain Activation and Measurement���������������������������������������������������87
Measurement Design Issues����������������������������������������������������������������������������������������������88
Brain Imaging Techniques: Structural Imaging��������������������������������������������������������������������������89
Computed Tomography (CT )����������������������������������������������������������������������������������������������89
Magnetic Resonance Imaging (MRI)�����������������������������������������������������������������������������������91
Diffusion Tensor Imaging (DTI)��������������������������������������������������������������������������������������������91
Brain Imaging Techniques: Functional Imaging�������������������������������������������������������������������������92
Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)������������������������������������������������������������������92
Positron Emission Tomography (PET )����������������������������������������������������������������������������������95
Methodological Limitations of Functional Neuroimaging Studies�������������������������������������������96
Electroencephalogram (EEG and qEEG)�������������������������������������������������������������������������������98
Real-Time Functional Magnetic Resonance Imaging (rtfMRI)����������������������������������������������100
Optical Imaging: Near Infrared Spectroscopy (NIRS)�����������������������������������������������������������100

Brain Stimulation Techniques������������������������������������������������������������������������������������������������101
Electroconvulsive Therapy (ECT )��������������������������������������������������������������������������������������101
Transcranial Magnetic Stimulation ( TMS) and Repetitive TMS (rTMS)����������������������������������103
Transcranial Electrical Stimulation (tES)����������������������������������������������������������������������������106
Optogenetics������������������������������������������������������������������������������������������������������������������106
Vagus Nerve Stimulation (VNS)�����������������������������������������������������������������������������������������106
Deep Brain Stimulation (DBS)�������������������������������������������������������������������������������������������107
Chapter Summary����������������������������������������������������������������������������������������������������������������109
Chapter Summary: Main Points���������������������������������������������������������������������������������������������109
Review Questions�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������110
CHAPTER 4 — Neurocognitive Disorder Due to Dementia of Alzheimer’s Type
and Parkinson’s Diseases�������������������������������������������������������������������������������111
Learning Objectives��������������������������������������������������������������������������������������������������������������111
Alzheimer’s Disease�������������������������������������������������������������������������������������������������������������112
Background Information��������������������������������������������������������������������������������������������������112
Etiology��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������114
Genetic Findings: Family and Twin Studies������������������������������������������������������������������������115
Genetic Findings: Early Versus Late Onset�������������������������������������������������������������������������116
Structural Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������119
Functional Findings���������������������������������������������������������������������������������������������������������124
Pharmacological Treatment����������������������������������������������������������������������������������������������126
Risk and Protective Factors Implicated in Dementia of Alzheimer’s Type������������������������������127
Summary of Alzheimer’s Disease������������������������������������������������������������������������������������������129
Parkinson’s Disease�������������������������������������������������������������������������������������������������������������130
Prevalence and Comorbidity Findings�������������������������������������������������������������������������������130
Genetic Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������������������133
Structural Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������135


x  Contents


Functional Findings���������������������������������������������������������������������������������������������������������140
Neurotransmitter Findings�����������������������������������������������������������������������������������������������141
Interventions for Parkinson’s Disease�������������������������������������������������������������������������������142
Environmental Factors�����������������������������������������������������������������������������������������������������145
Summary of Parkinson’s disease��������������������������������������������������������������������������������������147
Review Questions�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������148
CHAPTER 5 — Schizophrenia�������������������������������������������������������������������������������������������������149
Learning Objectives��������������������������������������������������������������������������������������������������������������149
Background, Prevalence, and Developmental Course��������������������������������������������������������������150
Multicultural Findings������������������������������������������������������������������������������������������������������150
Developmental Course����������������������������������������������������������������������������������������������������151
Etiologic Theories�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������152
Genetics Overview����������������������������������������������������������������������������������������������������������152
Genetic Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������������������153
Genetic Linkage Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������153
Candidate Gene Studies��������������������������������������������������������������������������������������������������154
Specific Candidate Genes������������������������������������������������������������������������������������������������155
Structural Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������158
Molecular Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������161
Functional Findings���������������������������������������������������������������������������������������������������������165
Pharmacological Interventions for Schizophrenia��������������������������������������������������������������������168
Mode of Action of Typical and Atypical Antipsychotic Medication�����������������������������������������170
Augmentation and Experimental Interventions�������������������������������������������������������������������171
Chapter Summary����������������������������������������������������������������������������������������������������������������171
Chapter Summary: Main Points���������������������������������������������������������������������������������������������171
Review Questions�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������172
CHAPTER 6 — Major Depressive Disorder and Bipolar Disorder��������������������������������������������173
Learning Objectives��������������������������������������������������������������������������������������������������������������173
Major Depressive Disorder����������������������������������������������������������������������������������������������������174

Prevalence and Demographic Information�������������������������������������������������������������������������174
Multicultural Findings������������������������������������������������������������������������������������������������������174
Developmental Findings��������������������������������������������������������������������������������������������������175
Etiologic Theories�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������176
Genetic Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������������������176
Neurotransmitter Levels: Monoamine Theory and Depletion Studies�����������������������������������182
Structural Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������183
Functional Findings���������������������������������������������������������������������������������������������������������187
Additional Etiologic Areas of Research: Major Depressive Disorder�������������������������������������189
Physiologically Based Treatment Methods for Major Depressive Disorder����������������������������190
Brain Stimulation and Non-Pharmacological Interventions��������������������������������������������������196
Summary of Major Depressive Disorder: Main Points���������������������������������������������������������199
Bipolar Disorder�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������200
Prevalence and Demographic Information�������������������������������������������������������������������������200
Genetic Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������������������201
Structural Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������203


Contents  xi

Neurotransmitter Studies�������������������������������������������������������������������������������������������������205
Functional Studies�����������������������������������������������������������������������������������������������������������205
Molecular Processes�������������������������������������������������������������������������������������������������������207
Pharmacological Treatment of Bipolar Disorder�����������������������������������������������������������������207
Brain Stimulation������������������������������������������������������������������������������������������������������������209
Summary of Bipolar Disorder: Main Points������������������������������������������������������������������������209
Review Questions�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������210
CHAPTER 7 — Anxiety Disorder and Obsessive-Compulsive Disorder�����������������������������������211
Learning Objectives��������������������������������������������������������������������������������������������������������������211
Panic Disorder���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������212

Background Information��������������������������������������������������������������������������������������������������212
Genetic Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������������������213
Structural Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������217
Functional Findings���������������������������������������������������������������������������������������������������������219
Anxiety Models���������������������������������������������������������������������������������������������������������������221
Neurotransmitter Findings�����������������������������������������������������������������������������������������������223
Pharmacological Intervention and Brain Stimulation Techniques�����������������������������������������225
Alternative Interventions��������������������������������������������������������������������������������������������������226
Summary of Panic Disorder���������������������������������������������������������������������������������������������227
Obsessive-Compulsive Disorder (OCD)����������������������������������������������������������������������������������228
Prevalence, Cross-Cultural, Diversity, and Developmental Findings�������������������������������������228
Religiosity and OCD���������������������������������������������������������������������������������������������������������228
Comorbidity��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������229
Genetic Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������������������230
Structural Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������233
Functional Findings���������������������������������������������������������������������������������������������������������236
Neurotransmitter Findings�����������������������������������������������������������������������������������������������239
Physiologically Based Interventions for OCD����������������������������������������������������������������������242
Neuorosurgery����������������������������������������������������������������������������������������������������������������243
Summary of Obsessive-Compulsive Disorder��������������������������������������������������������������������245
Review Questions�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������246
CHAPTER 8 — Addiction and Substance Use Disorders���������������������������������������������������������247
Learning Objectives��������������������������������������������������������������������������������������������������������������247
Drug Addiction���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������247
Background, Prevalence, Multicultural, and Developmental Findings�����������������������������������248
Initiation and Maintenance of Addiction: Reinforcement Theories����������������������������������������252
Genetic Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������������������261
Stimulants����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������271
Chapter Summary����������������������������������������������������������������������������������������������������������������274
Review Questions�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������274

CHAPTER 9 — Disorders of Childhood Origin: Attention Deficit Hyperactivity
Disorder, ASD, and Tourette’s Disorder�����������������������������������������������������������275
Learning Objectives��������������������������������������������������������������������������������������������������������������275
Background Information�������������������������������������������������������������������������������������������������������275


xii  Contents

Prevalence���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������275
Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD)�����������������������������������������������������������������������276
Comorbidity��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������277
Genetic Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������������������277
Structural Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������279
Functional Findings���������������������������������������������������������������������������������������������������������280
Summary�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������282
Pharmacological Interventions�����������������������������������������������������������������������������������������282
Non-Pharmacological Interventions����������������������������������������������������������������������������������284
Summary of Attention Deficit Hyperactivity Disorder����������������������������������������������������������285
Autism Spectrum Disorder����������������������������������������������������������������������������������������������������285
Prevalence���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������285
Comorbidity��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������286
Savants��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������286
Genetic Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������������������286
Structural Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������288
Functional Findings���������������������������������������������������������������������������������������������������������291
Additional Theories����������������������������������������������������������������������������������������������������������292
Pharmacological and Additional Interventions��������������������������������������������������������������������293
Summary of Autism Spectrum Disorder����������������������������������������������������������������������������294
Tourette’s Disorder���������������������������������������������������������������������������������������������������������������294
Prevalence���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������294

Comorbidity��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������295
Genetic Findings�������������������������������������������������������������������������������������������������������������296
Structural Findings����������������������������������������������������������������������������������������������������������297
Functional Findings���������������������������������������������������������������������������������������������������������299
Pharmacological Interventions�����������������������������������������������������������������������������������������300
Alternative Interventions��������������������������������������������������������������������������������������������������302
Summary of Tourette’s Disorder���������������������������������������������������������������������������������������304
Review Questions�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������304
References�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������305
Index���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������453


Acknowledgments

I would like to express my gratitude to the University of Rhode Island (URI), College of
Health Sciences, and the Department of Psychology for supporting my professional leave so
that I could devote my time to formulating and writing Clinical Neuroscience: Foundations
of Psychological Disorders and Neurodegenerative Disease. I would also like to express my
deepest appreciation to Megan Keith, an undergraduate student enrolled in the nursing
program at the University of Rhode Island, who served as my research assistant during the
writing stage. Megan was responsible for typing the reference section of the text—a formidable task given the extensive number of citations and the attention to detail required to
complete this section of the textbook. Megan’s enthusiasm for the project and her unwavering work ethic inspired me to continue writing into the late evening and early morning
hours. Thank you, Megan. I would also like to thank Aaron Doerflinger, an undergraduate
URI student who helped to create tables for the initial chapters of the text and who also
assisted with references early on in the project, despite being enrolled as a full-time student
and working two jobs. Thank you, Aaron.
I would also like to thank my editor, Lillian Rand, for her support throughout the writing
and publication process, as well as her assistant, Olivia Powers. Bruce Blausen, CEO and
president of Blausen Medical Scientific and Medical Animations; the project coordinator
and medical illustrator Katherine Henning; illustrator Joseph Ewing; and the entire Blausen

team deserve special recognition for their professionalism, commitment to the project, and
for creating the internal images, as well as the exquisite cover for the text.
I would like to acknowledge the scientists and their research participants who have
contributed their expertise and time toward the advancement of knowledge. I extend my
thanks to my undergraduate and graduate students whose questions and insights over the
xiii


xiv  Acknowledgments

years have continued to fuel my interest in the field of physiological psychology and clinical
neuroscience.
I am particularly grateful to my partner, Andrew, who saw relatively little of me for the
past year and a half yet whole-heartedly supported my efforts on this project. I would especially like to thank him for venturing down the rabbit holes with me and discussing obscure
facets of neuroscience, and sharing my awe of life. Lastly, I would like to express my gratitude to my 18-year-old son, Sebastian, who day after day observed me reading, researching,
and writing, and unfortunately too often heard me say, “Not now, I’m working on my book”.
Thank you, Sebastian, for your patience, your love, and your encouragement. I hope that all
your dreams come true.


Foreword

In his seminal work, The Structure of Scientific Revolutions, Thomas Kuhn distinguished the
two modes in which science occurs: incremental step-by-step “puzzle-solving” and revolutionary changes in perspective and fundamental assumptions, which he termed “paradigm
shifts”. Kuhn noticed that all the sciences, like all human endeavors, are built on an implicit
framework of shared and unspoken assumptions. These include tenaciously defended views
on what questions can legitimately be posed, the methods that can be used to address those
questions, and the criteria by which answers are judged to be valid or not. This is the “paradigm” that organizes what we know at any point in time. Working within a paradigm provides the basis for the true alchemy of science: the emergence of profound insights from the
accumulation of individual findings, each of them nearly insignificant when considered in
isolation. Inevitably, Kuhn observed, knowledge accumulates within the accepted paradigm

until a tipping point is reached, beyond which newly acquired data no longer fit the previously accepted framework/mosaic. This conflict between data and theory is first resolved by
rejecting the data, which are always flawed and subject to multiple interpretations. Eventually, as data in conflict with the dominant paradigm continue to accrue, theories are altered
ad hoc. Such improvised fixes can continue indefinitely, but their progressive esthetic and
predictive deficiencies inevitably accumulate. Following a period of fertile but disturbing
confusion, new paradigms emerge, encompassing prior observations and providing additional conceptual space for continued scientific exploration. And so on.
Just over 100 years ago, Albert Einstein published three papers that led to the paradigm
shifts that became known as the theory of relativity and quantum mechanics. Although
it took several decades for these fundamental ideas to take hold within the physics community, now it is difficult to take seriously the perseverative attempts to measure the ether
xv


xvi  Foreword

through which the earth was supposedly moving or Euclidian definitions of space and time.
Despite these achievements, even physics, the “hardest” of the sciences, continues to struggle with incipient paradigm shifts, as demonstrated by continuing failed attempts to formulate a unified theory of gravity and electromagnetism.
However, the most challenging, fascinating, and necessary task before the community of
21st-century scientists is arguably the attempt to understand the physiological bases of psychiatric disorders and neurodegenerative diseases. This endeavor began in the 19th century,
but every generation since has made its hard-won contributions. However, it has only been
in the past three decades that the tools to study the living brain with reasonable spatial and
temporal resolution have become available. The human brain is the most complex object in
the universe, with more than 100 billion neurons integrating inputs from up to tens of thousands of other neurons dozens of times a second. Fortunately, the pace of discovery in brain
sciences continues to accelerate so that we can be confident that new paradigms will emerge
that will dramatically alter the way in which we understand brain function and dysfunction.
The elements of this vast mosaic are emerging from clinics in which the suffering of individual patients is systematically cataloged, thus improving our diagnostic systems. Other
elements are increasingly provided by the panoply of emerging neuroimaging technologies,
including positron emission tomography, magnetic resonance imaging, electroencephalography, magnetoencephalography, and near infrared spectroscopic imaging. The exuberant
enthusiasm about decoding the human genome has been replaced by awareness that nearly
all diseases are complex, resulting from the interplay of hundreds or thousands of genetic
and environmental factors, in variegated space (where in the brain) and developmental
time. Still, the clues continue to accumulate as the cultural shifts of Big Data and Open

Science continue to be powered by the apparently inexorable increase in computational
power predicted by Gordon Moore in 1965. This is the landscape that this text surveys,
with a specific focus on methods of studying the brain and on the major classes of psychopathology. Neurodegenerative disorders of aging are well covered, as are schizophrenia,
mood and anxiety disorders, addiction, and the prototypical disorders of childhood origin.
Continuing studies of these conditions will inevitably lead to the new paradigms of brain
function that we so badly need. Ironically and wonderfully, it is much more likely that those
new paradigms will be conceived by the generation of students who will be introduced to
these topics by this comprehensive text, rather than by one of the authors cited in its list of
references. And that is as it should be.
Francisco Xavier Castellanos, MD
Brooke and Daniel Neidich Professor of Child and Adolescent Psychiatry;
Professor of Radiology, Neuroscience and Physiology
Hassenfeld Children’s Hospital at NYU Langone
NYU School of Medicine
New York, NY USA


Preface

Clinical neuroscience is a branch of neuroscience that involves the scientific study of mechanisms that underlie disorders and diseases of the brain and central nervous system. The
focus of this text is on psychological disorders and neurodegenerative diseases that affect
a startling percentage of the population. The World Health Organization recently reported
that depression is the leading cause of disability and ill health worldwide, with approximately 300  million people living with depression (WHO, March, 2018). In the United
States, the National Institute of Mental Health (NIMH) recently reported that one in six
adults live with a mental illness, representing 18.3% of the adult population. According to
NIMH, approximately 50% of adolescents experience any level of mental health disorder
(mild, moderate, severe), and 13% of children age 8–15 experience a severe psychological
disorder prior to adulthood. When these figures are examined further, they reveal that rates
of psychological disorders are higher among women and adults age 18–25 years, and among
adults reporting two or more races. Rates of mental health disorders are particularly high

among vulnerable populations, including the homeless, prisoners, and juveniles involved
with the justice system. With regard to treatment, the majority of children and adults living with psychological disorders do not receive appropriate mental health services, and
minority populations are less likely to have access to needed services. For example, NIMH
reported that African Americans and Hispanic Americans use mental health services at
about one-half the rate of Caucasian Americans (NIMH; Noonan, Velasco-Mondragon, &
Wagner, 2016). Clearly, a greater understanding of the etiology of psychological disorders
is needed in order to develop appropriate preventative and treatment programs for all segments of the population, particularly those most at risk.

xvii


xviii  Preface

With regard to neurodegenerative disease, Alzheimer’s disease is the most common
form of dementia in those over the age of 65. Alzheimer’s disease is a progressive disease,
and current treatments do not reverse or cure the disease. Alzheimer’s is estimated to
affect 44 million individuals worldwide, and the numbers of patients with this disease are
expected to double nearly every 20 years. In the United States, approximately 5.3 million
Americans have the disease, and this number is projected to increase to 13.8 million by 2050
(Du, Wang, & Geng, 2018). The economic cost of the disease is substantial; approximately
$226 billion was spent for long-term care, hospice, and general health care of patients 65
and older with dementia in 2015, according to the Alzheimer’s Association. Parkinson’s
disease is also a progressive neurodegenerative disease and is estimated to affect seven to
ten million individuals worldwide (Aarsland et al., 2010). Parkinson’s disease is classified
as movement disorder, although most patients with the disease exhibit a wide variety of
non-motor symptoms, including cognitive impairment, depression and anxiety, psychotic
symptoms, fatigue, urinary problems, and sleep disorders (Santiago, Bottero, & Potashkin,
2017). Although genetic factors play a role in the pathophysiology of Alzheimer’s disease
and Parkinson’s disease, the etiologic underpinnings of both diseases remain a mystery.
Psychological and neurodegenerative disease affect all our lives at a personal and global

level. Scientists from a variety of disciplines, such as molecular genetics, biology, psychology, neuropsychology, neuroimaging, neurophysiology, engineering, communication disorders, pharmacy, neurology, and more, have helped to further our understanding of brain
functioning and pathology. The level of knowledge that is currently available, however, is
at a rudimentary level relative to that which is yet to be discovered about the brain. The
purpose of this text is to provide foundational information regarding the anatomical and
physiological principles of brain functioning, as well as information concerning neuroplasticity, pharmacology, brain imaging, and brain stimulation techniques, followed by chapters
addressing specific psychological disorders and neurodegenerative diseases from an empirical, interdisciplinary perspective. This text is designed for undergraduate and graduate
students enrolled in traditional liberal arts programs, interdisciplinary neuroscience programs, medical programs, psychology and clinical neuroscience courses, and professional
degree programs.
What makes this text unique is the focus on clinical neuroscience—i.e., psychological
disorders and neurodegenerative disease. Numerous biopsychology textbooks are available;
however, these texts are often designed for undergraduate courses and typically include
only one chapter concerning pathological conditions. Only a handful of clinical neuroscience texts are available in the market, and these texts lack the depth and resources presented
in the present text. This text is also unique for its coverage of brain imaging techniques
as well as brain stimulation techniques and their applied use for various disorders. The
references provided are extensive and will aid the student and the professional in obtaining additional information regarding topics, disorders, and diseases covered in the text. In
relation to the 2006 publication (The Physiological Bases of Cognitive and Behavior Disorders), the current version offers expanded and more in-depth content of previously covered
topics. New content is included regarding multicultural findings, genetic information, and
molecular findings. Each chapter now contains hundreds of new citations, color images,
additional tables, summaries, and chapter review questions. An overarching objective of the
text is to encourage the reader to think scientifically, to consider information from various
perspectives, to carefully consider both supporting and non-supporting evidence, and to be
open to interdisciplinary ways of thinking.


one

Neuroanatomy,
Brain
Development,
Protection,

Metabolic
Needsof the
Brain, and
Neuroplasticity
Clinical neuroscience is a branch of neuroscience that focuses on the fundamental mechanisms that underlie disorders and diseases of the brain and central nervous system, and on
scientifically based approaches to diagnosis and treatment. Clinical neuroscience has made
its way into the mainstream media with daily headlines claiming, “Rewire your brain, overcome your addictions”, “train your mind, change your brain”, and online programs that offer
personalized brain training programs to improve memory and cognition. This textbook will
provide students with a foundation in neuroscience that will enable students to differentiate neuroscience fact from fiction and to navigate and decipher the clinical neuroscience
literature. This chapter presents foundational information by reviewing the anatomy of the
brain: the structures and associated functions of the forebrain, midbrain, and hindbrain,
and lateralization of the hemispheres. It also covers glial cells and neurons, and addresses
the processes involved in prenatal and postnatal brain development, including neurulation, dendritic arborization, and myelination. Sex differences in brain morphology are also
explored. Finally, the concept of neuroplasticity is introduced with respect to the brain’s
capacity to change in response to environmental stimulation, including cerebral stroke,
developmental conditions, deprivation, limb amputation, and enrichment.

Chapter 1  Learning Objectives









Identify the major divisions and subdivisions of the brain and nervous system.
Describe the brain’s major structures and associated functions.
Identify the major anatomical directional terms and planes of section.

Distinguish between two main types of brain cells.
Explain the process of brain development from prenatal to young adulthood.
Distinguish between synaptogenesis, necrosis, and apoptosis.
1


2   Neuroanatomy, Brain Development









Define neuroplasticity and provide examples of plasticity.
Explain physiological mechanisms of plasticity.
Explain brain lateralization and provide specific examples of lateralization.
Discuss brain morphology and sex differences.
Identify protective layers of the brain.
Discuss blood supply and metabolic needs of the brain.

Overview of the Nervous System
The nervous system has two main divisions: the peripheral nervous system (PNS) and the
central nervous system (CNS) (Figure 1.1). The PNS is located outside the skull and spine,

FIGURE 1.1.  Organization of the Nervous System
Copyright Blausen Medical Communications. Reproduced by permission.



Neuroanatomy, Brain Development   3

and detects environmental information via sensory receptors. It then transmits this information to the CNS by way of sensory nerves known as afferent nerves (from the Latin for
carry information to the CNS). The PNS also transmits information from the CNS to muscles, glands, and internal organs by way of motor nerves known as efferent nerves (from the
Latin for carry information away from the CNS) (Figure 1.2). The PNS is subdivided into
the somatic and autonomic nervous systems. The somatic division includes both sensory
and motor nerves, and controls skeletal and voluntary movement. The autonomic division
controls glands and muscles of internal organs, and regulates internal bodily processes. The
autonomic division consists of three main parts: the sympathetic (arousal, “fight or flight”)
and parasympathetic (restoration) nervous systems, as well as the enteric nervous system
(ENS) that governs the function of the gastrointestinal system. The ENS receives sympathetic and parasympathetic input but is also capable of acting independently to affect the
functions of the gastrointestinal tract. The gastrointestinal tract has recently been implicated
in depression symptoms. Major depressive disorder will be covered in detail in Chapter 6.

FIGURE 1.2.  Afferent and Efferent Nerves
Reproduced by permission.


4   Neuroanatomy, Brain Development

BOX 1.1  Can Probiotics Help Lessen Depression Symptoms?
The human gastrointestinal (GI) tract consists of a large number of microorganisms.
Research has found a bidirectional relationship between the brain and the GI tract that
involves neural, hormonal, and immunological pathways. Preliminary evidence suggests
that these microbes may play an important role in the development and maturation
of brain systems that are associated with stress responses. Recently, Slykerman et al.
(2017) found that women who were treated with a probiotic for six months following
childbirth reported significantly less depression and anxiety symptoms relative to
women who were randomly assigned to a placebo condition. In patients with irritable

bowel syndrome (IBS), Pinto-Sanchez and colleagues (2017) found probiotic treatment
was associated with a significant reduction in depression and increased quality of
life in patients with IBS compared to patients taking a placebo. Furthermore, the
clinical improvements were associated with changes in brain activation patterns—i.e.,
reduced limbic reactivity to negative emotional stimuli. Although additional studies are
needed, researchers hypothesize that probiotics lead to a reduction in GI inflammation
while simultaneously increasing brain levels of serotonin.

The CNS is located in the skull and spine, and consists of the brain and the spinal
cord. Twelve pairs of cranial nerves and 31 pairs of spinal nerves connect the PNS to
the brain and spinal cord. As shown in Figure  1.3, cranial nerves are located on the

FIGURE 1.3.  Location and Function of Cranial Nerves
Copyright Blausen Medical Communications. Reproduced by permission.


Neuroanatomy, Brain Development   5

ventral surface of the brain and involve numerous functions of the head, neck, and face.
Cranial nerves I and II (olfactory and optic) are located in the forebrain, while cranial
nerves III and IV (oculomotor, trochlear) are located in the midbrain. The final eight
pairs of cranial nerves, which are found on the ventral surface of the brain stem, are
important in tongue and neck movements, as well as regulating internal organs and
vital functions.

Brain Regions, Structures, and Functions
Directionality and Terminology
The brain can be viewed from various anatomical directions based on three axes: anterior-­
posterior, dorsal-ventral, and medial-lateral. Anterior refers to the front (also known as rostral in four-legged animals) and posterior refers to the rear or tail (also known as caudal).
Dorsal refers to the back or top and ventral toward the belly or ground. Lateral refers to the

side and medial the midline (Figure 1.4). Ipsilateral refers to the same side of the body and
contralateral to the opposite side of the body. The structures of the brain can also be viewed
from several sections (“cuts”): horizontal, sagittal, and coronal planes. A horizontal plane
runs parallel to the top of the brain, a sagittal plane runs parallel to the midline of the brain,
and a coronal plane runs parallel to the front of the brain, dividing the nervous system from
front to back (“frontal cut”). A section that divides the brain into two equal halves is known
as a midsagittal section. This directional terminology will be important for understanding
the information to follow (Tables 1.1 and 1.2) as well as understanding and interpreting the
scientific literature.

FIGURE 1.4.  Directionality and Planes
Copyright Blausen Medical Communications. Reproduced by permission.


6   Neuroanatomy, Brain Development
Table 1.1  Major Structures and Functions of the CNS
Cerebrum

The cerebrum is the largest part of the human brain. It is associated
with higher brain functions and is divided into four lobes: frontal,
parietal, occipital, and temporal.

Frontal Lobe

The front lobes are involved in executive functions, planning, speech
production, motor movements, emotional regulation, and complex
problem solving.

Parietal Lobe


The parietal lobes are involved in somatosensation, spatial
orientation, and sensory integration.

Occipital Lobe

The occipital lobes are involved in processing and perception of
visual stimuli.

Temporal Lobe

The temporal lobes are involved in perception and processing of
auditory stimuli, memory, speech pattern recognition, and receptive
language.

Cerebellum

The cerebellum, like the cerebrum, has two hemispheres. The
cerebellum is involved in numerous functions, including memory,
coordination of movement, posture, and balance.

Limbic System

The limbic system is a set of interconnected structures involved in
emotions, learning, motivation, memory, and the four Fs.

Thalamus

The thalamus functions as the major relay station of the brain for
sensory-motor information and is involved in sleep and arousal.


Hypothalamus

The hypothalamus is involved in hormonal regulation and numerous
homeostatic functions, such as temperature regulation, circadian
rhythms, thirst, and hunger.

Amygdala

The amygdala is involved in memory, processing and formations of
emotion, and motivation.

Hippocampus

The hippocampus is involved in memory formation and memory
retrieval, as well as spatial navigation.

Brain Stem

The brain stem connects the cerebrum to the spinal cord, has
numerous ascending and descending sensory-motor pathways, and
is involved in maintaining vital functions.

Midbrain/
Mesencephalon

The midbrain is the most rostral part of the brain stem. It includes
the tectum and tegmentum, and is involved in vision, hearing, eye
movement, and voluntary body movement.

Pons


The pons is part of the hindbrain and is involved in motor control,
posture, and sensory-motor functions.

Medulla

The medulla is in the most caudal part of the brain stem located
between the pons and spinal cord, and is involved in regulating
autonomic functions, such as breathing, heart rate, and blood
pressure.

Brain Divisions
The brain consists of three major divisions with further subdivisions: 1) prosencephalon,
telencephalon, and diencephalon; 2) mesencephalon; and 3) rhombencephalon, metencephalon, and myelencephalon. The prosencephalon refers to the forebrain, mesencephalon
the midbrain, and the rhombencephalon the hindbrain (Figure 1.5).


×