Aus der Klinik für Neurologie
der Medizinischen Fakultät der Charité – Universitätsmedizin Berlin

DISSERTATION

Okulomotorische Untersuchungen zur Modulation
visueller Aufmerksamkeit durch räumliches Arbeitsgedächtnis
beim Menschen

Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor medicinae (Dr. med.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Carsten Finke
aus Leipzig

Dekan: Prof. Dr. med. Martin Paul

Gutachter:
1. Priv.-Doz. Dr. med. C.J. Ploner
2. Prof. Dr. med. T. Lempert
3. Prof. Dr. med. Chr. Helmchen

Datum der Promotion: 16.12.2005

Zusammenfassung

Erfolgreiches willkürliches Verhalten beruht auf der Selektion verhaltensrelevanter perzeptueller Informationen durch Aufmerksamkeit und deren kurzzeitiger Speicherung im Arbeitsgedächtnis. Bisherige Untersuchungen legen eine sowohl anatomische als auch funktionelle Interaktion beider kognitiver Funktionen nahe, insbesondere eine selektive Fazilitierung visueller Verarbeitung durch Arbeitsgedächtnisrepräsentationen. In der hier vorliegenden Arbeit wurde ein Gedächtnissakkadenparadigma (Gedächtnisphase 6 Sekunden) mit einer visuellen Diskriminationsaufgabe kombiniert, die 1500, 2500 oder 3500 ms nach Präsentation des Gedächtnisstimulus durchzuführen war. Im Gegensatz zu den Erwartungen wurde eine transiente Verlängerung der Reaktionszeiten auf Diskriminationsstimuli beobachtet, die an aktuell erinnerten räumlichen Positionen präsentiert worden waren. In einem Kontrollexperiment ohne mnestische Anforderungen trat dieser Effekt hingegen nicht auf. Darüber hinaus hing die verzögerte Diskrimination von der Präzision der Gedächtnissakkaden und somit von der Güte der Arbeitsgedächtnisrepräsentation ab. Die räumliche Verteilung der Inhibition zeigte eine sog. „Center-Surround“-Organisation, wie sie für lokale neuronale Netzwerke im visuellen und präfrontalen Kortex bekannt ist. Es wird ein aktiver inhibitorischer Mechanismus postuliert, der den durch räumliches Arbeitsgedächtnis induzierten fazilitierenden Effekten entgegenwirkt und somit eine flexible Orientierung zu neuen Informationen während der Repräsentation von behavioral relevanten Informationen im räumlichen Arbeitsgedächtnis ermöglicht. Ein neurophysiologisches Korrelat für diesen Mechanismus könnte inhibitorische Gedächtnisphasenaktivität im präfrontalen Kortex darstellen, die über direkte präfrontotektale Projektionen vermittelt wird.

Eigene Schlagworte: Visuelle Aufmerksamkeit, Arbeitsgedächtnis, Inhibition, Gedächtnissakkaden

Abstract

Voluntary behavior critically depends on attentional selection and short-term maintenance of perceptual information. Recent research suggests a tight coupling of both cognitive functions with visual processing being selectively enhanced by working memory representations. Here, a memoryguided saccade paradigm (6-s delay) was combined with a visual discrimination task, performed either 1,500, 2,500, or 3,500 ms after presentation of the memory cue. Contrary to what can be expected from previous studies, the results show that memory of spatial cues can transiently delay speeded discrimination of stimuli presented at remembered locations. This effect was not observed in a control experiment without memory requirements. Furthermore, delayed discrimination was dependent on the strength of actual memory representations as reflected by accuracy of memory-guided saccades. The spatial distribution of the observed discrimination inhibition showed a center-surround-organization reminiscent of activation patterns of local neuronal networks in prefrontal and visual cortex. An active inhibitory mechanism is proposed that counteracts facilitating effects of spatial working memory, promoting flexible orienting to novel information during maintenance of spatial memoranda for intended actions. Inhibitory delay-period activity in prefrontal cortex is a likely source for this mechanism which may be mediated by prefronto-tectal projections.

Keywords: visual attention, working memory, inhibition, memory-guided saccades

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
  • 1.1  Visuelle Aufmerksamkeit
  • 1.2 Arbeitsgedächtnis
  • 1.3 Interaktion von visueller Aufmerksamkeit und Arbeitsgedächtnis
  • 1.4 Herleitung der Fragestellungen
• 2  Methodik
  • 2.1  Versuchspersonen
  • 2.2 Versuchsaufbau
    • 2.2.1  Augenbewegungsmessung
    • 2.2.2 Stimuluspräsentation und Messung der manuellen Reaktionszeiten
  • 2.3 Paradigma
  • 2.4 Versuchsablauf
  • 2.5 Datenanalyse
    • 2.5.1  Analyse der Rohdaten
    • 2.5.2 Statistische Analyse
• 3  Ergebnisse
  • 3.1  Gedächtnissakkaden
    • 3.1.1  Präzision der Gedächtnissakkaden
    • 3.1.2 Latenzen der Gedächtnissakkaden
  • 3.2 Diskriminationsleistung
    • 3.2.1  Präzision
    • 3.2.2 Manuelle Reaktionszeiten
  • 3.3 Einfluss der Güte der Arbeitsgedächtnispräsentation auf die Diskriminationsleistung
• 4  Diskussion
  • 4.1  Gedächtnissakkaden
    • 4.1.1  Präzision der Gedächtnissakkaden
    • 4.1.2 Latenzen der Gedächtnissakkaden
  • 4.2 Diskriminationsleistung
    • 4.2.1  Präzision der Diskriminationsleistung
    • 4.2.2 Manuelle Reaktionszeiten
      • 4.2.2.1  Kovariation der manuellen Reaktionszeiten mit dem Interstimulusintervall
      • 4.2.2.2 Unterschiede in den manuellen Reaktionszeiten zwischen Aktiv- und Passiv-Bedingung
      • 4.2.2.3 Kovariation der manuellen Reaktionszeiten mit der Gedächtnisstimulusposition
      • 4.2.2.4 Interaktion von Arbeitsgedächtnis und Aufmerksamkeit – Behaviorale und neurophysiologische Studien
      • 4.2.2.5 Arbeitsgedächtnis und Inhibition – Behaviorale und neurophysiologische Studien
      • 4.2.2.6 Arbeitsgedächtnis und Inhibition – Die Bedeutung des Colliculus superior
      • 4.2.2.7 Räumliche Verteilung der Inhibition
      • 4.2.2.8 Neurophysiologisches Modell
  • 4.3 Ausblick
• 5  Zusammenfassung
• Literatur
• Danksagung
• Curriculum vitae
• Publikationen
• Erklärung an Eides Statt

Tabellen

• Tab. 1: Experimentalbedingungen
• Tab. 2: Gruppenmittelwerte der Amplitudenfehler der Gedächtnissakkaden in Grad (Werte sind auf zwei Nachkommastellen gerundet).
• Tab. 3: Gruppenmittelwerte der Gedächtnissakkadenlatenzen in ms für die Versuchspersonen der Aktiv-Bedingung (Werte sind auf ganze Zahlen gerundet).
• Tab. 4: Mittelwerte der Präzision der Diskriminationsleistung in Prozent für die Versuchspersonen der Aktiv- und der Passiv-Bedingung (Werte auf eine Nachkommastelle gerundet).
• Tab. 5: Individuelle Mediane der manuellen Reaktionszeiten für die Versuchsgruppen der Aktiv- und der Passiv-Bedingung (in ms; Werte auf ganze Zahlen gerundet). Kürzel der einzelnen Versuchspersonen sind in der ersten Spalte angegeben.
• Tab. 6: Gruppenmittelwerte der manuellen Reaktionszeiten auf den Diskriminationsstimulus für die Versuchsgruppen der Aktiv- und der Passivbedingung (in ms; Werte auf ganze Zahlen gerundet, in Klammern ist der Standardfehler angegeben).
• Tab. 7: Signifikanzniveau der p-Werte in paarweise durchgeführten t-Tests für einen Vergleich der manuellen Reaktionszeiten auf den Diskriminationsstimulus bei ipsi- und kontralateraler Präsentation (s. Text)
• Tab. 8: Gruppenmittelwerte der manuellen Reaktionszeiten auf den Diskriminationsstimulus für die Aktiv-Bedingung und getrennt für AKKURAT- und INAKKURAT-Trials (Einzelheiten s. Text; Werte auf ganze Zahlen gerundet)

Bilder

• Abb. 1: Das Drei-Komponenten-Modell des Arbeitsgedächtnisses nach Baddeley und Hitch (1974)
• Abb. 2: Das Gedächtnissakkadenparadigma mit Aufzeichnung der Augenbewegung (Auge). Die Versuchsperson wird aufgefordert, einen zentralen Fixationspunkt (F) zu fixieren. Während die zentrale Fixation fortgesetzt werden soll, wird ein peripherer Stimulus (S) präsentiert, dessen Position für eine anschließende Gedächtnisphase von einigen Sekunden zu erinnern ist. Das Erlöschen der zentralen Fixation ist das Signal zur Ausführung einer Gedächtnissakkade zu der erinnerten Stimulusposition. Anschließend wird durch erneute Präsentation des Fixationspunktes angezeigt, die Augen wieder in die Mitte zurückzuführen.
• Abb. 3: Versuchsaufbau: (1) Monitor zur Präsentation der visuellen Stimuli, (2) Dichroitischer Spiegel, (3) Infrarotlichtquelle, (4) Beißbrett mit individuellem Gebissabdruck, (5) Kinnauflage, (6) EXKEY-Antworttaste rechts. Einzelheiten s. Text.
• Abb. 4: Kontrolle der korrekten Erfassung der Pupillenränder mit Hilfe eines Oszilloskops. Abgebildet ist ein infrarotokulographisch gewonnenes Pupillensignal. Die rechte und linke Begrenzung der zentral abgebildeten Mulde entsprechen dem rechten bzw. linken Rand der Pupille.
• Abb. 5: Schematische Darstellung der Aktiv- und der Passiv-Bedingung.
• Abb. 6: Darstellung des zeitlichen Ablaufs der Gedächtnisphase der Aktiv-Bedingung: Nach Präsentation des Gedächtnisstimulus (G) wurde der Diskriminationsstimulus mit einem Interstimulusintervall von 1500 ms (1), 2500 ms (2) oder 3500 ms (3) präsentiert. Das Ende der Gedächtnisphase nach 6 Sekunden wurde durch Erlöschen des zentralen Fixationskreuzes signalisiert und die Versuchspersonen führten eine Gedächtnissakkade (S) zur erinnerten Position des Gedächtnisstimulus aus.
• Abb. 7: Präzision der Gedächtnissakkaden für die Interstimulusintervalle von 1500 ms (schwarz), 2500 ms (grau) und 3500 ms (weiß) dargestellt als Amplitudenfehler.
• Abb. 8: Latenzen der Gedächtnissakkaden in der Aktiv-Bedingung in Millisekunden. Dargestellt sind die Gruppenmittelwerte mit Standardfehler getrennt für die räumliche Position des Gedächtnisstimulus (6°, 9°, 12°; jeweils ipsi- und kontralaterale Stimuluspositionen gemeinsam) und getrennt für Präsentationsseite des Gedächtnisstimulus relativ zum Diskriminationsstimulus (Ipsi, Kontra)., sowie getrennt für das Interstimulusintervall (ISI). * bezeichnet einen signifikanten Unterschied zu den zugeordneten Bedingungen
• Abb. 9: Manuelle Reaktionszeiten in der Diskriminationsaufgabe für die Aktiv- und die Passiv-Bedingung. Dargestellt sind Gruppenmittelwerte und Standardfehler. „Ipsilateral“ und „Kontralateral“ beziehen sich auf die Präsentationseite des ersten visuellen Stimulus (in der Aktiv-Bedingung der Gedächtnisstimulus) relativ zum Diskriminationsstimulus. Der graue Balken stellt den Diskriminationsstimulus dar. Die Kreisfarben repräsentieren die verschiedenen Interstimulusintervalle: 1500 ms (schwarz), 2500 ms (grau) und 3500 ms (weiß).
• Abb. 10: Akkurate und inakkurate Gedächtnissakkaden der Versuchsperson EK, ausgerichtet auf den Sakkadenbeginn. Dargestellt sind Sakkaden der 9-IPSI-Bedingung mit einem ISI von 1500 ms. Die Balken repräsentieren die korrespondierenden Mediane der manuellen Reaktionszeiten in der Diskriminationsaufgabe.
• Abb. 11: Räumlich-selektive Inhibtion dargestellt als Inhibitionsindex. Abgebildet sind die Indizes mit Standardfehlern für Trials mit akkuraten (schwarz) und inakkuraten (grau) Gedächtnis-sakkaden für die drei verschiedenen Interstimulusintervalle. Eine signifikante Inhibition bestand nur für AKKURAT-Trials mit einem ISI von 1500 ms.
• Abb. 12: Lokal gewichtete, nicht-lineare Regressionsanalysen für Trials mit Präsentation des Gedächtnis- und Diskriminationsstimulus im gleichen Hemifeld und für alle drei Interstimulus-intervalle. Dargestellt ist der Mittelwert (rot, blau bzw. grün) und der Standardfehler (grau hinterlegtes Areal) der individuellen Regressionsanalysen der 10 Versuchspersonen.
• Abb. 13: An der Generierung von Sakkaden beteiligte anatomische Strukturen des Makaken. Modifiziert nach Goldberg 2000.
• Abb. 14: A: Räumliche Verteilung der Inhibition in Trials mit einem Interstimulusintervall von 1500 ms. B: Räumliche Verteilung von IOR in einem Stimulus-Sakkade-Paradigma von Dorris et al. (1999)
• Abb. 15: Tuning-Kurven der Gedächtnisphasenaktivität von zwei präfrontalen Neuronen. Die Gedächtnisphasenaktivität (Feuerrate der Neurone während der Gedächtnisphase in Hz) ist dargestellt als Funktion der Gedächtnisstimulusposition. Für beide Neurone liegt die präferierte Stimulusposition bei 180°, wobei das Neuron in (A) ein engeres räumliches Tuning zeigt als das Neuron in (B). Modifiziert nach Funahashi et al. 1989 und Wang 2001.
• Abb. 16: Modell der zeitlichen Dynamik von Inhibition of Return. Modifiziert nach Klein (2000).