Ein typisches Reaktionszeitparadigma gliedert sich in mehrere Abschnitte: (1) das Warnsignal, hier das Erscheinen des zentralen Fixationspunktes; (2) die Vorperiode (foreperiod), hier das Interstimulusintervall, also die Zeit zwischen Erscheinen des zentralen Fixationspunktes und dem Erscheinen des Diskriminationsstimulus; (3) den Reaktionszeitstimulus, hier der Diskriminationsstimulus; (4) die Antwort auf den Reaktionsstimulus und (5) das Intertrialintervall, d.h. der Zeit zwischen Ende eines Trials und Beginn des darauffolgenden Trials (Niemi und Näätänen 1981). Die Vorperiode ist der Zeitraum eines Trials, in dem die Versuchsperson sich auf die Beantwortung des Reaktionszeitstimulus vorbereitet. Der Zeitverlauf während der Vorperiode enthält dabei Informationen über die Auftretenswahrscheinlichkeit des Reaktionszeitstimulus: Je mehr Zeit nach Präsentation des Warnsignals vergangen ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für ein unmittelbares Auftreten des Reaktionszeitstimulus. Versuchspersonen lernen diesen Anstieg der Wahrscheinlichkeit zu nutzen und erhöhen mit zunehmender Dauer der Vorperiode ihre Bereitschaft, auf den Reaktionszeitstimulus zu reagieren. Diese gestiegene Bereitschaft resultiert in kürzeren Reaktionszeiten (Näätänen 1970). In einem Paradigma, in dem die Dauer der Vorperiode variiert wird, sinkt die Verlässlichkeit der Informationen über den Zeitverlauf, die Auftretenswahrscheinlichkeit des Reaktionszeitstimulus steigt jedoch ebenfalls mit der Dauer der Vorperiode an. Die höchste Auftretenswahrscheinlichkeit besteht demnach am Ende der Vorperiode in Trials mit der längsten Vorperiodendauer. Charakteristischerweise werden daher in Paradigmen mit variabler Dauer der Vorperiode die kürzesten Reaktionszeiten für die Trials mit der längsten Vorperiode und umgekehrt die längsten Reaktionszeiten für die Trials mit der kürzesten Vorperiode beobachtet.

In dem hier vorgestellten Experiment wurden drei verschiedene Interstimulusintervalle (1500, 2500 und 3500 ms), d.h. drei unterschiedlich lange Vorperioden, verwendet. Die Auftretenswahrscheinlichkeit für den Diskriminationsstimulus nimmt von Beginn eines Trials bis zur maximalen Dauer der Vorperiode von 3500 ms (ISI von 3500 ms) zu. Nach einer Dauer der Gedächtnisphase von 1500 ms, dem erstmöglichen Zeitpunkt der Präsentation des Diskriminationsstimulus (ISI von 1500 ms), besteht eine Auftretenswahrscheinlichkeit von 1/3. Wird der Diskriminationsstimulus nicht mit einem ISI von 1500 ms präsentiert, beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass der Diskriminationsstimulus nach weiteren 1000 ms zum nächstmöglichen Präsentationszeitpunkt (ISI von 2500 ms) präsentiert wird bereits 1/2. Bei einer Dauer der Gedächtnisphase von mehr als 2500 ms ohne Präsentation des Gedächtnisstimulus kann der Diskriminationsstimulus nur noch nach einem ISI von 3500 ms präsentiert werden, d.h. er wird mit einer Auftretenswahrscheinlichkeit von 1 nach einem ISI von 3500 ms präsentiert. Die Probanden lernen, diese steigende Wahrscheinlichkeit zu nutzen und reagieren mit einer erhöhten Bereitschaft den Diskriminationsstimulus zu verarbeiten und zu beantworten (Niemi und Näätänen 1981). Dementsprechend nahmen die manuellen Reaktionszeiten der Probanden auf den Diskriminationsstimulus sowohl in der Aktiv- als auch in der Passiv-Bedingung mit zunehmender Länge des Interstimulusintervalls ab.

In der Aktiv-Bedingung wurden im Mittel langsamere Reaktionszeiten als in der Passiv-Bedingung registriert. Darüber hinaus war die Differenz der mittleren Reaktionszeiten zwischen den drei Interstimulusintervallen in der Aktiv-Bedingung größer als in der Passiv-Bedingung. Diese Unterschiede sprechen für einen Einfluss der Gedächtnisaufgabe auf die manuellen Reaktionszeiten in den Trials der Aktiv-Bedingung.

Jolicœur und Dell’Acqua (1998) fanden, dass das Enkodieren sensorischer Informationen in ein Kurzzeit- oder Arbeitgedächtnis einen zentralen, kapazitätslimitierten Prozess erfordert, den sie Kurzzeit-Konsolidierung (short-term consolidation, STC) nannten. Während der Konsolidierung, die, wie Jolicœur und Dell’Acqua zeigen konnten, eine notwendige Vorraussetzung für eine stabile Gedächtnisrepräsentation ist, können andere zentrale Prozesse nicht oder nur verlangsamt ablaufen. Die short term consolidation stellt somit eine mögliche Ursache für einen Dual-task-Effekt dar, der zu einer Reaktionszeitverlangsamung für simultane kognitive Operationen führt.

Der von Jolicœur und Dell’Acqua beschriebene Kurzzeitgedächtnis-Konsolidierungsprozess kann die in dem hier vorgestellten Experiment beobachteten Reaktionszeitunterschiede zwischen Aktiv- und Passiv-Bedingung zumindest teilweise erklären: Der Konsolidierungsprozess, d.h. der Transfer des visuell präsentierten Gedächtnisstimulus in das räumliche Arbeitsgedächtnis, beeinflusste als zentraler kapazitätslimitierender Prozess die Verarbeitung der nachfolgenden Diskriminationsaufgabe. Dies resultierte in einer Verlängerung der manuellen Reaktionszeiten auf den Diskriminationsstimulus, die am stärksten in den 1500-ISI-Trials ausgeprägt war, den Trials mit der kürzesten zeitlichen Abfolge beider kognitiver Prozesse. Mit zunehmender Länge des Interstimulusintervalls und somit größerem zeitlichen Abstand zwischen Gedächtnisstimulus und Diskriminationsstimulus ließ der Einfluss des Konsolidierungsprozesses auf die Verarbeitung des Diskriminationsstimulus nach. Dies wird deutlich anhand der abnehmenden Differenz zwischen den mittleren Reaktionszeiten der Aktiv- und Passivbedingung für 2500-ISI und 3500-ISI-Trials. Eine weitere Ursache für die längeren Reaktionszeiten der 1500-ISI-Trials der Aktiv-Bedingung ist die räumlich-selektive Inhibition an der erinnerten Gedächtnisstimulusposition. Diese Inhibition wurde in der Passiv-Bedingung nicht beobachtet und bewirkte somit eine differentielle Erhöhung der mittleren Reaktionszeiten für Trials der Aktiv-Bedingung.

In der Aktiv-Bedingung des hier vorgestellten Experiments wurde eine Inhibition der visuellen Verarbeitung an aktuell im Arbeitsgedächtnis repräsentierten räumlichen Positionen beobachtet. Es wurden längere Reaktionszeiten auf Stimuli der Diskriminationsaufgabe registriert, wenn Diskriminations- und Gedächtnisstimulus im gleichen Hemifeld präsentiert wurden mit einem Maximum der Reaktionszeiten in Trials, in denen beide Stimuli an der selben räumliche Position auftraten. Die räumliche Selektivität der hier beobachteten Inhibition gleicht der räumlichen Verteilung von inhibition of return (IOR).

Die Präsentation eines salienten peripheren visuellen Stimulus bewirkt eine reflexive Aufmerksamkeitsverschiebung zu dessen räumlicher Position, wodurch die Verarbeitung visueller Informationen an dieser Position fazilitiert wird. Posner und Cohen (1984) fanden, dass dieser initialen Fazilitierung visueller Verarbeitung ein inhibitorischer Nacheffekt folgt, wenn der verwendete visuelle Stimulus keine Informationen bezüglich der räumlichen Position eines nachfolgenden peripheren Zielstimulus enthält. In den Experimenten von Posner und Cohen wurde den Versuchspersonen zunächst ein nicht-prädiktiver Warnreiz präsentiert, indem die Luminanz einer Rechteckkontur 8° links oder 8° rechts einer zentralen Rechteckkontur verändert wurde. Nach einem variablen Interstimulusintervall zwischen 0 und 500 ms erschien ein peripherer visueller Stimulus mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,6 im zentralen Rechteck und mit einer Wahrscheinlichkeit von je 0,1 im rechten oder linken Rechteck. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,2 traten Trials ohne Zielstimulus auf. Die Versuchspersonen drückten, sobald sie den Zielstimulus wahrgenommen hatten, eine vordefinierte Taste. Ein Vergleich der Reaktionszeiten zwischen den beiden peripheren räumlichen Zielstimulus-Positionen zeigte für Trials mit einem Interstimulusintervall bis 150 ms einen Reaktionszeitvorteil für Zielstimuli auf der Seite des Warnstimulus. In Trials mit einem Interstimulusintervall ab 300 ms wurde jedoch ein gegensätzlicher Effekt beobachtet, d.h. die Reaktionszeiten waren länger für Zielstimuli auf der Präsentationsseite des Warnstimulus. Diese Befunde legen die Vermutung nahe, dass Präsentation des Warnstimulus zu einer reflexiven Aufmerksamkeitsausrichtung führte und somit zu einer schnelleren Verarbeitung unmittelbar anschließend präsentierter Zielstimuli. Bedingt durch die hohe Auftretenswahrscheinlichkeit des Zielstimulus innerhalb des zentralen Rechtecks wird der Aufmerksamkeitsfokus in Trials mit einem längeren ISI nach Präsentation des Warnstimulus jedoch wieder zurück auf das Zentrum gerichtet. Die erneute Ausrichtung von Aufmerksamkeit auf eine periphere Zielstimulusposition erfolgt dann schneller auf die Seite kontralateral des Warnstimulus. Eine „Rückkehr“ des Aufmerksamkeitsfokus zu einer kürzlich attendierten räumlichen Position ist somit langsamer als eine Ausrichtung auf eine neue Position und führt zu relativ längeren Reaktionszeiten. Posner et al. (1985) bezeichneten diesen Effekt als inhibition of return (IOR) und beschrieben somit einerseits deskriptiv eine Hemmung der Rückorientierung von Aufmerksamkeit zu der ursprünglich attendierten Position. Darüber hinaus impliziert der Begriff inhibition of return als Mechanismus der beobachteten Inhibition die Ausrichtung von Aufmerksamkeit auf eine periphere räumliche Position und die anschließende Lösung des Aufmerksamkeitsfokus von dieser Position.

In den Experimenten von Posner et al. trat IOR an der Position eines nichtprädiktiven visuellen Stimulus mit einer Latenz von 200 – 300 ms auf. Der Zeitverlauf von IOR ist jedoch abhängig vom verwendeten Paradigma: So beobachteten Lupiáñez et al. (1997) eine Abhängigkeit vom Schwierigkeitsgrad der Aufgabe: IOR trat in einer Farbdiskriminationsaufgabe später auf als in einer einfachen Detektionsaufgabe. Lupiáñez und Milliken (1999) fanden, dass der zeitliche Beginn von IOR durch die Auftretenswahrscheinlichkeit von Distraktoren beeinflusst werden kann. Die genaue Bestimmung des zeitlichen Auftretens von IOR wird erschwert dadurch, dass auch die initiale Fazilitierung visueller Verarbeitung einer durch zahlreiche Faktoren modulierbaren, zeitlichen Dynamik unterliegt. So könnte IOR gleichzeitig mit fazilitierenden Effekten direkt nach Erscheinen eines peripheren visuellen Stimulus auftreten, ein inhibitorischer Einfluss auf Reaktionszeiten würde sich dann erst mit einer Abschwächung der Fazilitierung im weiteren zeitlichen Verlauf manifestieren. In einem alternativen Erklärungsansatz folgt der Präsentation des Warnstimulus zunächst lediglich eine Fazilitierung, die aber nach Lösen des Aufmerksamkeitsfokus von der Position des Warnstimulus in eine IOR übergeht (Klein 2000; Abb. 16, Seite 79). Berlucchi et al. (2000) konnten demonstrieren, dass attentionale Fazilitierung und IOR gleichzeitig an derselben räumlichen Position auftreten und sich überlagern können. Der resultierende behaviorale Effekt basiert auf der Summierung beider Effekte. Fazilitierende und inhibitorische Effekte folgen dabei unterschiedlichen zeitlichen Verläufen, so dass die aktuelle Stärke der Fazilitierung bzw. IOR determiniert, ob zu einem gegebenem Zeitpunkt eine Netto-Inhibition oder eine Netto-Fazilitierung auftritt (Berlucchi et al. 2000, Müller und Rabbitt 1989).

Eine mögliche Funktion von IOR ist die Steigerung der Effektivität von visueller Suche. Indem IOR die Orientierung zu bereits untersuchten Positionen hemmt und die Ausrichtung von Aufmerksamkeit auf neue räumliche Positionen begünstigt, werden redundante Mehrfachinspektionen vermieden (Klein und MacInnes 1999, Klein 2000). IOR stellt somit einen Mechanismus dar, der es ermöglicht, Aufmerksamkeit auf neue, noch nicht inspizierte räumliche Positionen zu lenken und so Zugang zu neuen Informationen zu erhalten. Durch diese Modulation der Aufmerksamkeitsausrichtung kann IOR die zielgerichtete Suche nach behavioral relevanten Informationen in einer visuellen Szene beschleunigen und den Suchprozess effizienter gestalten. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass IOR nicht in retinalen Koordinaten sondern in Umgebungskoordinaten kodiert wird. Räumliche Positionen oder Objekte der Umgebung können so unbeeinflusst von Augen- und Kopfbewegungen inhibiert werden (Klein 2000).

Die räumliche Verteilung der Inhibition in dem hier vorgestellten Experiment gleicht der räumlichen Verteilung von IOR, die Dorris et al. (1999) in einem Stimulus-Sakkade-Paradigma beobachteten (Abb. 14). Dorris et al. (1999) trainierten Makaken, einen zentralen Fixationspunkt zu fixieren und diese Fixation während der kurzzeitigen Präsentation eines peripheren visuellen Stimulus (S1) und einem sich anschließenden variablen Interstimulusintervall aufrechtzuerhalten. Gleichzeitig mit Erlöschen des zentralen Fixationspunktes wurde ein peripherer Sakkadenzielstimulus (T1) präsentiert und die Makaken führten eine Sakkade zu der Position des Zielstimulus aus. Der periphere visuelle Stimulus S1 vermittelte keine Informationen über die räumliche Position des Sakkadenzielstimulus T1. Eine Analyse der Sakkadenlatenzen in Abhängigkeit von der räumlichen Position des zuvor präsentierten visuellen Stimulus S1 zeigte eine IOR: Die kürzesten sakkadischen Reaktionszeiten wurden für Sakkadenzielstimuli beobachtet, die genau gegenüber des S1-Stimulus im kontralateralen Hemifeld lagen während die längsten Sakkadenlatenzen auftraten, wenn Sakkadenzielstimulus und peripherer Stimulus S1 an der gleichen räumlichen Position präsentiert wurden. Die in dem hier vorgestellten Experiment gefundene räumlich-selektive Inhibition zeigt die gleiche räumliche Verteilung. Die Präsentation des Gedächtnisstimulus könnte somit zu einer Inhibition der Diskriminationsleistung ähnlich einer IOR geführt haben.

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)

Im Einklang mit dieser Hypothese steht der Befund, dass IOR nicht nur in einfachen Detektionsaufgaben gefunden wurde, sondern auch in Paradigmen, die eine visuelle Diskrimination erfordern (Lupiáñez et al. 1997, Pratt et al. 1997). Lupiáñez et al. (1997) verglichen die manuellen Reaktionszeiten einer Detektionsaufgabe mit den Reaktionszeiten einer Farbdiskriminationsaufgabe. In beiden Paradigmen wurde eine IOR registriert, die IOR in der Diskriminationsaufgabe trat dabei später auf als in der Detektionsaufgabe. Diese Ergebnisse deuten darüber hinaus auf eine inhibitorische Modulation visueller Verarbeitung als den ursächlichen Mechanismus von IOR. Handy et al. (1999) untersuchten in einer Diskriminationsaufgabe mit d’ ein Maß der Signaldetektionstheorie, dass einen zuverlässigen Index perzeptueller Sensitivität darstellt und fanden weitere Evidenz für die Hypothese, dass IOR auf einer Modulation perzeptueller Verarbeitung beruht. McDonald et al. (1999) konnten in einer Untersuchung ereigniskorrelierter Potentiale nachweisen, dass IOR die sensorisch-perzeptuelle Verarbeitung durch Suppression der Aktivität in extrastriären visuellen Arealen beeinflusst. Sie fanden in Trials mit präsenter IOR eine Reduktion der P1-Komponente, einer Komponente ereigniskorrelierter Potentiale, die durch Aufmerksamkeit moduliert wird. Darüber hinaus wurde IOR in Paradigmen nachgewiesen, die reflexive Aufmerksamkeitsausrichtungen zu peripheren Stimuli erforderten (Posner und Cohen 1984, Klein 2000) und in Paradigmen, die die motorische Vorbereitung (Rafal et al. 1989) oder die Ausführung einer Sakkade (Posner und Cohen 1984, Rafal et al. 1989) erforderten.

Im Gegensatz zu IOR, die der Wahrnehmung eines peripheren visuellen Stimulus als passive Konsequenz folgt, stellt die hier beobachtete räumlich-selektive Inhibition visueller Verarbeitung jedoch einen aktiven, durch räumliche Arbeitsgedächtnisinhalte vermittelten Effekt dar. So wurde nur in der Aktiv-Bedingung, die ein Erinnern der räumlichen Stimulusposition erforderte, eine Inhibiton beobachtet. In der Passiv-Bedingung, in der ebenfalls ein peripherer visueller Stimulus präsentiert wurde, dessen räumliche Position aber nicht erinnert werden musste, trat keine räumlich-selektive Inhibition auf. Darüber hinaus nahm die Stärke der Inhibition in der Aktiv-Bedingung mit Güte der Arbeitsgedächtnisrepräsentation zu. Die beobachtete Inhibition ist somit das Resultat einer stabilen räumlichen Arbeitsgedächtnisrepräsentation eines peripheren visuellen Stimulus.

Ein inhibitorischer Einfluss von Arbeitsgedächtnisrepräsentationen auf visuelle Verarbeitung wurde in der Literatur noch nicht beschrieben und scheint früheren Befunden zu widersprechen: Arbeiten, die die Modulation räumlicher Aufmerksamkeit durch visuell-räumliches Arbeitsgedächtnis untersuchten fanden vorwiegend fazilitierende Einflüsse auf die visuelle Verarbeitung an erinnerten Positionen. In einem delayed matching-to-sample-Paradigma untersuchten Awh et al. (1998) den Einfluss von räumlichem Arbeitsgedächtnis auf eine intervenierende Diskriminationsaufgabe. Zu Beginn eines Trials wurde an einer von 108 möglichen räumlichen Positionen ein Buchstabe präsentiert, dessen räumliche Position erinnert werden musste. Während der sich anschließende Gedächtnisphase und mit einem Interstimulusintervall von 1500, 2500 oder 3500 ms erfolgte die Darbietung des Diskriminationsstimulus. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,25 trat dieser Diskriminationsstimulus, einer von zwei möglichen buchstabenähnlichen Zeichen, an der Position des zuvor präsentierten Gedächtnisstimulus auf, für alle anderen möglichen Positionen betrug die Wahrscheinlichkeit jeweils 0,007. Die Versuchspersonen gaben mittels Tastendruck die Identität des Stimulus an. Nach einer Gesamtdauer der Gedächtnisphase von 5000 ms wurde als Teststimulus ein zweiter Buchstabe präsentiert und die Versuchspersonen entschieden durch einen erneuten Tastendruck, ob die Positionen von Gedächtnisstimulus und Teststimulus übereinstimmten. Für die Dauer eines Trials hielten die Versuchspersonen eine zentrale Fixation aufrecht. Awh et al. fanden bei der Analyse der manuellen Reaktionszeiten auf den Diskriminationsstimulus kürzere Reaktionszeiten für Stimuli, die an der erinnerten Position präsentiert worden waren. Diese erhöhte Verarbeitungsgeschwindigkeit deutet auf eine Ausrichtung räumlich-selektiver Aufmerksamkeit auf die aktuell im Arbeitsgedächtnis repräsentierte räumliche Position. In einer modifizierten Variante des Paradigmas verglichen die Versuchspersonen nicht die räumlichen Positionen von Gedächtnis- und Teststimulus, sondern die Identität der beiden Buchstaben-Stimuli. In dieser Variante des Experiments wurde kein Reaktionszeitvorteil für Diskriminationsstimuli an der Position des Gedächtnisstimulus beobachtet. Awh et al. schlussfolgerten, dass die Repräsentation der Gedächtnisstimulusposition im Arbeitsgedächtnis zu der beobachteten Fazilitierung führte und postulierten, dass die Ausrichtung räumlich-selektiver Aufmerksamkeit auf die erinnerte Position den Mechanismus für die Repräsentation räumlicher Informationen im Arbeitsgedächtnis darstellt (Awh et al. 1998, Awh und Jonides 2001).

In einer elektrophysiologischen Arbeit untersuchten Awh et al. (2000) diese Hypothese eines aufmerksamkeitsbasierten Arbeitsgedächtnismechanismus, indem sie ereigniskorrelierte Potentiale (EKP) während einer delayed matching-to-sample–Aufgabe ableiteten. Während der Gedächtnisphase dargebotene irrelevante visuelle Stimuli evozierten größere Amplituden früher EKP-Komponenten, wenn sie an der erinnerten Position präsentiert wurden. Diese visuellen Modulationen stimmten in Latenz und Topographie mit den Modulationen überein, die durch verdeckte Ausrichtung räumlich-selektiver Aufmerksamkeit auf periphere Stimuluspositionen hervorgerufen wurden. Awh et al. schlossen aus diesen Befunden, dass räumliches Arbeitsgedächtnis die Ausrichtung von Aufmerksamkeit zu der erinnerten Position erfordert.

Supèr et al (2001) konnten ein neuronales Korrelat von Arbeitsgedächtnis im primären visuellen Kortex (V1) von Makaken nachweisen. Während eines Gedächtnissakkadenparadigmas untersuchten sie die Aktivität von V1-Neuronen mit Hilfe kortikaler Einzelzellableitungen und fanden eine Verstärkung der neuronalen Aktivität in V1 für die Dauer der Gedächtnisphase, d.h. in Abwesenheit des Gedächtnisstimulus. Diese Modulation der neuronalen Aktivität wurde nur für behavioral relevante Stimuli beobachtet und war in Trials, in denen die anschließende Gedächtnissakkade korrekt ausgeführt wurde, stärker ausgeprägt. Ein möglicher Ursprung dieser Gedächtnisphasenaktivität ist der präfrontale Kortex als mutmaßlichem anatomischen Substrat von Arbeitsgedächtnis (Supèr et al. 2001, Supèr 2003). Aktuelle Arbeitsgedächtnisrepräsentationen scheinen somit neuronale Aktivität im primären visuellen Kortex räumlich-selektiv verstärken zu können. Es ist jedoch unklar, ob und ja welche behavioralen Parameter mit der beobachteten Gedächtnisphasenaktivität korrelieren.

Neuronale Einzelzellableitungen im parietalen Kortex nichtmenschlicher Primaten weisen darauf hin, dass die Kopplung von räumlichen Arbeitsgedächtnis und räumlich-selektiver Aufmerksamkeit nicht obligat ist. Während der Gedächtnisphase einer Arbeitsgedächtnisaufgabe präsentierte Distraktoren evozierten stärkere neuronale Antwortpotentiale an nicht-erinnerten räumlichen Positionen (Powell und Goldberg 2000, Steinmetz 1994) und führten zu einer kurzfristigen Aufmerksamkeitsausrichtung zu der Position des Distraktors. In einer Studie von Powell und Goldberg (2000) führten Makaken ein Gedächtnissakkadenparadigma aus. Während der Gedächtnisphase wurde ein irrelevanter Distraktor präsentiert und die Aktivität von Neuronen im lateralen intraparietalen Areal des parietalen Kortex (LIP) abgeleitet. Die Präsentation von Distraktoren an der im räumlichen Arbeitsgedächtnis repräsentierten Sakkadenzielposition bewirkte keine Veränderung oder eine Verminderung der Aktivität von LIP-Neuronen. Eine Verstärkung der neuronalen Aktivität wurde hingegen für Distraktoren beobachtet, die an nicht im räumlichen Arbeitsgedächtnis repräsentierten räumlichen Positionen dargeboten wurden. Darüber hinaus wurden weder Akkuratheit noch Latenz der Gedächtnissakkaden durch die Präsentation der Distraktoren beeinflusst. Die Distraktoren übten somit keinen nachteiligen Effekt auf die Arbeitsgedächtnisrepräsentation aus. Eine weitere elektrophysiologischen Studie untersuchte die neuronale Aktivität im lateralen intraparietalen Areal des parietalen Kortex (LIP) von Makaken in einem GO/NOGO-Gedächtnissakkadenparadigma (Bisley und Goldberg 2003). Zunächst wurde ein peripherer visueller Stimulus präsentiert, dessen räumliche Position erinnert werden sollte. Während der anschließenden Gedächtnisphase musste die Ausrichtung eines kontrastschwachen Landolt-Rings diskriminiert und am Ende der Gedächtnisphase, abhängig von dieser Ausrichtung, eine Gedächtnissakkade zu der erinnerten Position entweder ausgeführt (GO-Signal) oder unterdrückt (NOGO-Signal) werden. Bisley und Goldberg fanden eine erhöhte Kontrastsensitivität für Landolt-Stimuli, d.h. eine Fazilitierung visueller Verarbeitung, an aktuell im Arbeitsgedächtnis repräsentierten räumlichen Positionen. Die Aktivität in LIP korrelierte mit dem Ort der Aufmerksamkeitsausrichtung: Zu jedem Zeitpunkt eines Trials wurde für den Teil des visuellen Feldes die höchste Kontrastsensitivität beobachtet, der innerhalb der rezeptiven Felder der LIP-Neurone mit der höchsten Aktivität lag. In einer Variante des Paradigmas wurde zusätzlich ein Distraktor während der Gedächtnisphase präsentiert. Behaviorale und elektrophysiologische Befunde belegten, dass die Präsentation des Distraktorstimulus eine kurzzeitige reflexive Aufmerksamkeitsausrichtung zu der Position des Distraktors bewirkte. Dieser Befund und die Ergebnisse von Powell und Goldberg (2000) widersprechen der von Awh et al. (1998) formulierten Hypothese, dass räumlichen Arbeitsgedächtnisrepräsentationen eine obligate Aufmerksamkeitsausrichtung zu der erinnerten Position zugrunde liegt.

Wie lässt sich der Widerspruch zwischen der in dem hier vorgestellten Experiment gefundenen Inhibition und der in den Vorbefunden beobachteten Fazilitierung visueller Verarbeitung an erinnerten räumlichen Positionen erklären? Es wird angenommen, dass das Auftreten von Netto-Fazilitierung oder IOR im Anschluss an die Präsentation eines peripheren Stimulus das Resultat superponierter fazilitierender und inhibitorischer Effekte von Aufmerksamkeitsmechanismen darstellt. Fazilitierende und inhibitorische Komponenten unterliegen dabei unterschiedlichen zeitlichen Verläufen (Berlucchi et al. 2000, Müller und Rabbitt 1989). Verschiedene Mechanismen der Repräsentation räumlicher Arbeitsgedächtnisinhalte könnten, in Abhängigkeit von den aktuellen behavioralen Anforderungen und vom verwendeten Interstimulusintervall, zu einer differentiellen Modulation inhibitorischer und fazilitierender Effekte führen. Die von Awh et al. (1998) und Awh und Jonides (2001) beschriebenen fazilitierenden Effekte räumlicher Arbeitsgedächtnisrepräsentationen wurden in einem Paradigma beobachtet, in dem eine wesentlich höhere Auftretenswahrscheinlichkeit des Diskriminationsstimulus für die erinnerte Position verglichen mit aktuell nicht im räumlichen Arbeitsgedächtnis repräsentierten Positionen bestand. Weiterhin wurde eine delayed matching-to-sample-Paradigma verwendet, das sich in den kognitiven Anforderungen von dem hier verwendeten Gedächtnissakkadenparadigma unterscheidet. In beiden Paradigmen erfolgt zunächst die sensorische Registrierung des peripheren Gedächtnisstimulus und dessen Repräsentation im räumlichen Arbeitsgedächtnis. Während in einem delayed matching-to-sample-Paradigma die räumliche Position des Gedächtnisstimulus lediglich mit der Position eines Teststimulus verglichen werden muss, sind für das korrekte Ausführen eines Gedächtnissakkadenparadigmas weitere kognitive Prozesse erforderlich: (1) Planung einer willkürlicher Sakkade zu der erinnerten Stimulusposition, (2) Ausführung der Sakkade am Ende der Gedächtnisphase und (3) Suppression einer Sakkade zu der erinnerten Stimulusposition während der Gedächtnisphase (Funahashi et al. 1989). Im Vergleich zu einem delayed matching-to-sample-Paradigma könnten die spezifischen behavioralen Anforderungen des hier verwendeten Gedächtnissakkadenparadigmas eine verstärkte inhibitorische Aktivität der neuronalen Substrate von räumlichem Arbeitsgedächtnis voraussetzen. Der präfrontale Kortex, das mutmaßliche anatomische Korrelat des räumlichen Arbeitsgedächtnisses, ist ebenfalls zentral an der Generierung inhibitorischer Aktivität beteiligt.

Die herausragende Rolle des präfrontalen Kortex für die Inhibition unerwünschten oder unangemessenen Verhaltens ist seit der Beschreibung des Falles des Phineas Gage (Harlow 1848) bekannt. Bei einem Unfall erlitt Gage eine ausgedehnte Läsion des präfrontalen Kortex, die sich in einer drastischen Wesensänderung äußerte: Zuvor als umgänglich und besonnen bekannt, fiel Gage nach dem Unfall durch impulsives, rücksichtsloses und unbeständiges Verhalten auf, das auf eine Disinhibition reflexiven Verhaltens infolge der kortikalen Läsion zurückgeführt wurde (Harlow 1848, Ratiu et al. 2004). Spätere Läsionsstudien bestätigten die Bedeutung des präfrontalen Kortex für die Kontrolle willkürlichen Verhaltens. Patienten mit präfrontalen Läsionen zeigen ein von salienten sensorischen Stimuli getriebenes Verhalten und sind beeinträchtigt in der Fähigkeit, Handlungen zu unterdrücken, die reflexiv durch diese Stimuli hervorgerufen werden (Miller 2000).

Die Bedeutung des präfrontalen Kortex für die Inhibition reflexiver Sakkaden wiesen Guitton et al. (1985) an Patienten mit epilepsiechirurgischen Läsionen des präfrontalen Kortex nach. In einem Antisakkaden-Paradigma wurden die Versuchspersonen instruiert, nach Präsentation eines peripheren visuellen Stimulus eine Sakkade zu der spiegelbildlichen räumlichen Position im kontralateralen Gesichtsfeld auszuführen. Das korrekte Ausführen einer Antisakkade erfordert die Suppression einer reflexiven Sakkaden zu der Position des visuellen Stimulus (Pro-Sakkade) und die anschließende Transformation der Stimulusposition in ein okulomotorisches Signal für eine Sakkade in die entgegengesetzte Richtung (Anti-Sakkade). Die von Guitton et al. untersuchten Patienten wiesen im Vergleich mit gesunden Normalpersonen einen signifikant höheren Anteil reflexiver Sakkaden zur Position des visuellen Stimulus auf. Dieser Befund demonstriert eine mangelnde Inhibition reflexiver okulomotorischer Aktivität. Guitton et al. schlossen aus dieser Beobachtung, dass der präfrontale Kortex an der Suppression unerwünschter, reflexiver Sakkaden beteiligt ist. In weiteren Läsionsstudien konnte nachgewiesen werden, dass insbesondere der dorsolaterale präfrontale Kortex (DLPFC) für die Inhibition reflexiver Sakkaden verantwortlich ist (Pierrot-Deseilligny et al. 1991, 2003). So wurden bei einer Untersuchung von Patienten mit reinen DLPFC-Läsionen in 85% der Trials eines Antisakkaden-Paradigmas fehlerhafte reflexive Sakkaden beobachtet, während bei gesunden Normalpersonen lediglich in 8% der Trials Sakkaden zur Position des visuellen Stimulus auftraten (Pierrot-Deseilligny et al. 2003). Diese spezifische inhibitorische Rolle des DLPFC konnte weiterhin auch in Arbeiten mit funktioneller Bildgebung (Sweeney et al. 1996, Müri et al. 1998) und transkranieller Magnetstimulation (Müri et al. 2000) bestätigt werden. Darüber hinaus stellt der DLPFC ein mutmaßliches anatomisches Substrat des räumlichen Arbeitsgedächtnisses dar (Fuster und Alexander 1971, Funahashi 1989). Dies legt die Vermutung nahe, dass Arbeitsgedächtnisprozesse über inhibitorische Mechanismen an der Steuerung von willkürlichem Verhalten beteiligt sein könnten. Tatsächlich fanden Funahashi et al. (1989) während der Gedächtnisphase einer Gedächtnissakkadenparadigmas nicht nur exzitatorische Aktivität, sondern auch räumlich-selektive inhibitorische Aktivität im DLPFC von Makaken. Die Aktivität dieser Neuronengruppen unterlag dabei unterschiedlichen Zeitverläufen: Während die exzitatorische neuronale Aktivität während der Gedächtnisphase zunahm, verringerte sich die inhibitorische Aktivität mit zunehmender Dauer der Gedächtnisphase.

Weitere Evidenz für eine inhibitorische Funktion von visuell-räumlichem Arbeitsgedächtnis bietet eine Arbeit von Funahashi et al. (1993b), in der mit neuronalen Einzelzellableitungen die Aktivität des DLPFC von Makaken in einem modifizierten Gedächtnissakkadenparadigma untersucht wurde. Hierbei musste nach Ende der Gedächtnisphase entweder eine Gedächtnissakkade zu der erinnerten Stimulusposition oder eine Gedächtnis-Antisakkade in die entgegengesetzte Richtung ausgeführt werden. Ein Teil der untersuchten dorsolateralen präfrontalen Neurone zeigte während der Gedächtnisphase ein Aktivitätsmuster, das sowohl von der Stimulusposition als auch von der Sakkadenzielposition beeinflusst wurde. In Prosakkaden-Trials wurde, in Abhängigkeit von der Stimulus- bzw. Sakkadenzielposition, entweder eine Verstärkung oder eine Verminderung der Gedächtnisphasenaktivität beobachtet. In Antisakkaden-Trials schienen diese Neurone zum Beginn der Gedächtnisphase die Suppression einer reflexiven Sakkade zur Position des Gedächtnisstimulus zu kodieren. Dieser Suppression folgte eine exzitatorische Gedächtnisphasenaktivität, die die Richtung der bevorstehenden Antisakkade antizipierte. Diese Resultate sprechen ebenfalls für eine Bedeutung des visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisses bei der Inhibition motorischer Antworten.

In einer aktuellen elektrophysiologischen Arbeit fanden Hasegawa et al. (2004) Neurone im präfrontalen Kortex von Makaken, die selektiv eine räumliche Position kodierten, zu der keine Sakkade erfolgen sollte. In einem delayed nonmatch-to-sample-Paradigma wurde kurzzeitig ein peripherer visueller Stimulus präsentiert, dessen räumliche Position erinnert werden musste. Nach einer Gedächtnisphase erfolgte die Präsentation zweier peripherer visueller Stimuli, von denen einer an der ursprünglichen Position dargeboten wurde. Die Aufgabe der Makaken war es, eine Sakkade zu dem neuen, nicht erinnerten Stimulus auszuführen. Für eine Gruppe von Neuronen im präfrontalen Kortex wurde eine gesteigerte Aktivität während der Gedächtnisphase beobachtet, wenn im Antwortfeld (response field) dieser Neurone der Stimulus präsentiert wurde, zu dem keine Sakkade erfolgen sollte. Diese Neurone kodierten somit eine Sakkadensuppressionssignal für eine spezifische räumliche Position. Im Gegensatz zum Antisakkaden-Paradigma trat dabei keine globale Suppression der gesamten sakkadischen Aktivität auf, sondern eine räumlich-selektive Suppression einer spezifischen Sakkade während der gleichzeitigen aktiven Vorbereitung einer weiteren Sakkade. Die Aktivität der Suppressions-Neurone korrelierte weiterhin mit Erfolg oder Misserfolg in der Aufgabe: Die Gedächtnisphasenaktivität in Fehler-Trials, d.h. Trials in denen eine Sakkade zu der erinnerten Position erfolgte, war signifikant niedriger als die Aktivität in korrekt ausgeführten Trials. Zusammengefasst sprechen die angeführten Befunde dafür, dass visuell-räumliches Arbeitsgedächtnis neben exzitatorischen auch inhibitorische Einflüsse auf okulomotorisches Verhalten ausübt. Diese Inhibition scheint über direkte Projektionen vom präfrontalen Kortex zum Colliculus superior vermittelt zu werden (Gaymard et al. 2003).

Autoradiographische anatomische Studien an Makaken haben gezeigt, dass efferente Neurone des DLPFC monosynaptische Verbindungen mit dem Colliculus superior (SC) aufweisen (Goldman und Nauta 1976, Selemon und Goldman-Rakic 1988). Die Axone dieser Neurone folgen, nachdem sie die Capsula interna verlassen haben, einer pedunculotegmentalen Route zum Mittelhirn und erreichen den kaudalen Pol des SC (Leichnetz et al. 1981). Der Colliculus superior, eine aus sieben Zellschichten aufgebaute Struktur im Tectum mesencephali, stellt eine zentrale sensomotorische Schaltstelle für die Generierung sakkadischer Augenbewegungen dar und ist darüber hinaus wesentlich an der verdeckten Ausrichtung von Aufmerksamkeit beteiligt (Robinson 1972, Wurtz und Goldberg 1972, Kustov und Robinson 1996). Die drei oberen Schichten des Colliculus superior erhalten afferente Verbindungen sowohl direkt aus der Retina als auch aus dem striären und extrastriären visuellen Kortex und repräsentieren die visuellen Informationen des kontralateralen Hemifelds auf einer retinotopisch organisierte Karte. Kollikuläre Neurone in den intermediären und tiefen Schichten bilden eine korrespondierende motorische Karte, wobei individuelle Neurone eine Aktivitätszunahme vor und während Sakkaden einer bestimmten Amplitude und Richtung zeigen (Robinson 1972, Sparks 1986). Jedes motorische Neuron verfügt somit über ein Bewegungsfeld (movement field), d.h. es kodiert für Sakkadenziele in einer bestimmten Region des Gesichtsfeldes. Elektrische Stimulation dieser Neurone löst eine Sakkade in das Bewegungsfeld des stimulierten Neurons aus (Robinson 1972). Die rostralen Anteile des SC repräsentieren dabei die Fovea, d.h. sie sind aktiv bei Fixation und bei Sakkaden geringer Amplitude, die kaudalen Anteile werden aktiviert vor Sakkaden größerer Amplitude und die medialen und lateralen Anteile des SC repräsentieren nach kranial bzw. nach kaudal gerichtete Sakkaden (Lee et al. 1988, Sparks 2002, King 2004). Indirekte Evidenz für eine inhibitorische Beeinflussung des Colliculus superior durch den DLPFC bietet die Tatsache, dass elektrische Stimulation des DLPFC, trotz monosynaptischer Verbindungen zum SC, keine sakkadischen Augenbewegungen auslöst (Boch und Goldberg 1989). Gaymard et al. (2003) berichten über einen Patienten, der in einem Antisakkadenparadigma eine deutlich erhöhte Anzahl nicht-inhibierter reflexiver Sakkaden und somit Anzeichen einer dorsolatero-präfrontalen Disinhibition aufwies. Anatomische Untersuchungen mit bildgebenden und histologischen Verfahren deuteten auf eine Läsion der direkten inhibitorischen Projektionen des DLPFC auf den Colliculus superior hin. Die Suppression sakkadischer Augenbewegungen erfolgt somit wahrscheinlich über direkte präfronto-tektale Projektionen (Gaymard et al. 2003).

Neben der Beteiligung an der Generierung sakkadischer Augenbewegungen ist der Colliculus superior auch für verdeckte Aufmerksamkeitsausrichtungen von zentraler Bedeutung (Kustov und Robinson 1996). Rizzolatti et al. (1987, 1994) postulierten mit der prämotorischen Theorie der Aufmerksamkeit (premotor theory of attention) einen gemeinsamen Mechanismus für die verdeckte Ausrichtung visuell-räumlicher Aufmerksamkeit und die Generierung von Sakkaden: Verdeckte Aufmerksamkeitsausrichtungen basieren auf Aktivierungen der Areale, die einer prämotorischen Vorbereitung von Sakkaden dienen. Eine enge Kopplung von Augenbewegungen und Aufmerksamkeitsausrichtungen wird durch eine Reihe von Arbeiten unterstützt: So sind Patienten mit progressiver supranukleärer Paralyse, die an einer vertikalen Blickparese leiden, stark beeinträchtigt in der Fähigkeit, verdeckte Aufmerksamkeitsverschiebungen in der vertikalen Ebene auszuführen (Posner et al. 1982, Rafal et al. 1988). Okulomotorische Untersuchungen an gesunden Normalpersonen zeigten, dass verdeckte Aufmerksamkeitsausrichtungen eine Deviation anschließend ausgeführter Sakkaden bewirkten (Sheliga et al. 1994). In psychophysischen Studien konnte beobachtet werden, dass die Vorbereitung einer Sakkade zu einer peripheren Position und die Ausrichtung von verdeckter Aufmerksamkeit auf einen peripheren Ort des Gesichtsfeldes kaum voneinander zu dissoziieren sind (Kowler et al. 1995, Deubel und Schneider 1996). Räumlich-selektive Aufmerksamkeit ist dabei auf die periphere Zielposition einer bevorstehenden Sakkade ausgerichtet (Deubel und Schneider 1996).

Weitere Evidenz für die prämotorische Theorie der Aufmerksamkeit bieten Daten aus funktioneller Bildgebung am Menschen, die eine hohe Übereinstimmung der aktivierten kortikalen Areale bei offenen bzw. verdeckten Aufmerksamkeitsausrichtungen belegen (Corbetta et al. 1998). In einer elektrophysiologischen Arbeit konnte durch unterschwellige elektrische Stimulation des Frontalen Augenfelds, dessen Bedeutung für die Kontrolle willkürlicher Sakkaden bekannt ist (Gaymard et al 1998, Tehovnik et al. 2000), eine attentionale Modulation retinotopisch korrespondierender visueller Neurone in der Area V4 evoziert werden (Moore und Armstrong 2003). Ebenfalls in einer elektrophysiologischen Arbeit wiesen Kustov und Robinson (1996) für den Colliculus superior des Makaken eine prämotorische Aktivität im Zuge von verdeckten Aufmerksamkeitsausrichtungen nach. In einem Stimulus-Sakkade-Paradima führten die Makaken eine Sakkade zu einem peripheren visuellen Zielstimulus aus, dessen räumliche Position durch einen zuvor dargebotenen peripheren oder zentralen visuellen Warnstimulus mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,8 prädiziert wurde. Die Präsentation sowohl des peripheren als auch des zentralen Warnstimulus führte zu einer verdeckten Aufmerksamkeitsausrichtung auf die entsprechende räumliche Position. Durch Mikrostimulation von Neuronen der intermediären Schicht des Colliculus superior während der verdeckten Aufmerksamkeitsverschiebung ausgelöste Sakkaden wiesen eine Deviation in Richtung auf den Warnstimulus auf, d.h. eine Deviation in Richtung der aktuellen Position des Aufmerksamkeitsfokus. Dieser Befund zeigt, dass die verdeckte Ausrichtung von Aufmerksamkeit mit der Vorbereitung einer sakkadischen Augenbewegung zu der attendierten Position assoziiert ist (Kustov und Robinson 1996).

In einer aktuellen Arbeit wurde direkt die Aktivität von Neuronen der intermediären Schicht des Colliculus superior während verdeckten Aufmerksamkeitsausrichtungen aufgezeichnet (Ignashchenkova et al. 2004). Verdeckte Aufmerksamkeitsausrichtungen wurden durch räumliche Hinweisreize auf die Position eines anschließend zu diskriminierenden Landolt-Stimulus induziert. Die Orientierung des Landolt-Stimulus signalisierte, zu welchem von zwei dargebotenen visuellen Zielstimuli eine Sakkade erfolgen sollte. Die Sakkadenzielstimuli wurden dabei orthogonal zur Position des Landolt-Stimulus dargeboten, um eine Dissoziierung motorischer von attentionaler kollikulärer Aktivität zu ermöglichen. Ignashchenkova et al. identifizierten drei Gruppen von Neuronen in der intermediären Schicht des SC: motorische, visuelle und visuo-motorische Neurone. Visuo-motorische Neurone zeigten, im Gegensatz zu den anderen Neuronen-Subtypen, eine verstärkte Aktivität während der verdeckten Ausrichtung von Aufmerksamkeit. Diese Aktivität kann nicht auf die Vorbereitung einer Sakkade zurückgeführt werden, da der Ort der Aufmerksamkeitsausrichtung nie das Ziel einer Sakkade darstellte. Darüber hinaus wurde eine positive Korrelation zwischen der Stärke der neuronalen Aktivität während der verdeckten Aufmerksamkeitsausrichtung und der Stärke der attentionalen Fazilitierung visueller Verarbeitung beobachtet. Die visuo-motorischen Neurone scheinen somit das anatomische Substrat des Colliculus superior für verdeckte Aufmerksamkeitsausrichtungen darzustellen.

Der Colliculus superior ist folglich sowohl an der Kontrolle offener als auch verdeckter Aufmerksamkeitsausrichtung beteiligt, d.h. an räumlich-selektiver Aufmerksamkeit mit und ohne begleitende Augenbewegungen. Inhibitorische Neurone im DLPFC mit Projektionen auf den Colliculus superior könnten demnach nicht nur für die Suppression unerwünschter Sakkaden, sondern auch für die Unterdrückung verdeckter Aufmerksamkeitsausrichtungen verantwortlich sein. Eine solche Hemmung der Ausrichtung von räumlich-selektiver Aufmerksamkeit könnte Ursache der in dem hier vorgestellten Experiment beobachteten Inhibition visueller Verarbeitung an erinnerten räumlichen Positionen sein. Im Unterschied zu einem delayed matching-to-sample-Paradigma, das keine okulomotorische Komponente beinhaltet, muss in dem hier verwendeten Gedächtnissakkadenparadigma während der Gedächtnisphase eine Sakkade bzw. offene Ausrichtung von Aufmerksamkeit zu der erinnerten Position des peripheren visuellen Stimulus bis zum Erlöschen des Fixationspunktes unterdrückt werden (Funahashi et al. 1989). Dieses präfronto-tektal vermittelte Suppressionssignal könnte ebenfalls eine Hemmung der Ausrichtung verdeckter Aufmerksamkeit bewirken. Die Notwendigkeit der Inhibition offener Aufmerksamkeitsausrichtungen im jeweiligen behavioralen Kontext würde demnach entscheidend beeinflussen, ob fazilitierende oder inhibitorische behaviorale Netto-Effekte an aktuell im räumlichen Arbeitsgedächtnis repräsentierten Positionen auftreten. Eine solche aktive Inhibition der Aufmerksamkeitsausrichtung wäre kurz nach der Präsentation des Gedächtnisstimulus am stärksten ausgeprägt. Im weiteren Verlauf der Gedächtnisphase könnten fazilitierende Einflüsse zunehmend an Einfluss gewinnen und Aufmerksamkeit würde schließlich, kurz vor der offenen Aufmerksamkeitsausrichtung, d.h. kurz vor Ausführung der Gedächtnissakkade, auf die Sakkadenzielposition gerichtet sein. Eine solche Aufmerksamkeitsverschiebung auf die Sakkadenzielposition kurz vor der Gedächtnissakkade konnten Bisley und Goldberg (2003) in einer elektrophysiologischen Studie an Makaken demonstrieren, die eine okulomotorische Arbeitsgedächtnisaufgabe ausführten. Dieser Befund ist vereinbar mit den Ergebnissen psychophysischer Studien, in denen eine Aufmerksamkeitsausrichtung auf die Zielposition einer bevorstehenden Sakkade beobachtet wurde (Kowler et al 1995, Deubel und Schneider 1996).

Die Analyse der manuellen Reaktionszeiten in Abhängigkeit von der Präzision der Gedächtnissakkaden mit Hilfe einer lokal gewichteten, nicht-linearen Regression zeigte für Trials mit einem ISI von 1500 ms eine „Center-Surround“-Organisation der räumlichen Verteilung der Inhibition (Abb. 13). Die längsten manuellen Reaktionszeiten, d.h. eine Inhibition visueller Verarbeitung, wurden für Trials beobachtet, in denen Gedächtnissakkadenamplitude exakt 9° betrug und in denen somit eine räumliche Arbeitsgedächtnisrepräsentation für die Position bestand, an der der Diskriminationsstimulus präsentiert wurde. Mit wachsender Abweichung der Gedächtnissakkadenamplitude von 9° traten zunehmend kürzere Reaktionszeiten in der Diskriminationsaufgabe auf und in Trials mit Gedächtnissakkadenamplituden von 6° und 12° wurden die kürzesten Reaktionszeiten im Sinne einer relativen Fazilitierung visueller Verarbeitung beobachtet. Neurone im dorsolateralen präfrontalen Kortex, die während räumlichen Arbeitsgedächtnisaufgaben eine persistierende räumlich-selektive Gedächtnisphasenaktivität zeigen, verfügen ebenfalls über ein solches charakteristisches räumliches Tuning: Die räumlich-selektive Aktivität dieser Neurone in Abwesenheit visueller Stimuli stellt das neuronale Substrat von visuell-räumlichem Arbeitsgedächtnis dar. Diese Neurone verfügen dabei über ein mnestisches Feld (Gedächtnisfeld, memory field), d.h. sie weisen nur dann eine persistierende Aktivität während der Gedächtnisphase auf, wenn ein visueller Reiz innerhalb dieses Gedächtnisfeldes präsentiert wurde. Das Gedächtnisfeld eines Neurons wird durch eine Tuning-Kurve charakterisiert, die die mittlere Feuerrate eines Neurons während der Gedächtnisphase als Funktion der Stimulusposition darstellt. Diese Tuning-Kurve zeigt ein Maximum der neuronalen Aktivität für visuelle Stimuli exakt an der von dem jeweiligen Neuron präferierten räumlichen Position θ und ein Minimum, das meist niedriger als die Spontanfeuerrate liegt, für Stimuli in räumlich entgegengesetzter Position zu θ (Funahashi et al. 1989, Abb. 15). Die Weite der Tuning-Kurve entspricht hierbei der Größe des Gedächtnisfeldes. Die Populationsantwort des den Stimulus repräsentierenden dorsolateral-präfrontalen Netzwerkes ergibt ein Aktivierungsmuster in Form eines sogenannten „Mexikaner-Hutes“ (mexican hat), wenn die Neurone dieses Netzwerkes anhand ihrer präferierten Stimulusposition angeordnet werden. Die durchschnittliche Feuerrate ist hierbei für die Neurone am höchsten, in deren Gedächtnisfeld der Stimulus präsentiert wird. Ein solches Mexikaner-Hut-Aktivierungsmuster zeigt somit ebenfalls eine Center-Surround-Organisation mit ausgeprägter zentraler „Center“-Exzitation bzw. Fazilitierung flankiert von lateraler „Surround“-Inhibition (Kang et al. 2003, Wang et al. 2004).

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.

Neuronale Netzwerkmodelle zur Simulation von räumlichen Arbeitsgedächtnisprozessen basieren auf den beschriebenen räumlichen Tuning-Kurven und bestätigen deren Validität (Compte et al. 2000, Wang 2001, Renart et al. 2003). Ein solches Arbeitsgedächtnis-Netzwerk erfordert eine Netzwerkarchitektur, in der die Stärke der synaptischen Kopplung zwischen zwei Pyramidenzellen abnimmt mit wachsendem Unterschied deren präferierter Stimuluslokalisationen. Es enkodiert die räumliche Stimulusposition und speichert diese in Form eines räumlich lokalisierten persistierenden Aktivitätsmusters („bump attractor“). Dieser Aktivitätszustand wird durch reverberatorische Erregungen aufrechterhalten bis eine behaviorale Antwort erfolgt und das Netzwerk wieder in den Spontanfeuerungszustand zurückkehrt. In Übereinstimmung mit physiologischen Daten basiert das räumliche Tuning dabei auf der synaptischen Inhibition durch Interneurone (Rao et al. 1999). Zahlreiche Netzwerkmodelle von räumlichem Arbeitsgedächtnis beruhen zudem auf einer Mexikaner-Hut-Konnektivität mit zentraler Exzitation und lateraler Inhibition, um stabile räumliche Arbeitsgedächtnisrepräsentationen bilden zu können (Compte et al. 2000, Camperi et al. 1998, Wang et al. 2004).

Müller und Kleinschmidt (2004) beobachteten in einer Studie mit funktioneller Bildgebung ein Center-Surround-Muster der attentionalen Modulation neuronaler Aktivität im primären visuellen Kortex (V1). Die Befunde zeigen eine verstärkte neuronale Aktivität in Arealen des striären Kortex, die eine attendierte Position repräsentieren. Zugleich fand sich eine Suppression der neuronalen Aktivität in den striären Arealen, die für die Bereiche des visuellen Feldes in der Nachbarschaft der attendierten räumlichen Positionen kodierten. In einer Folgearbeit fanden Müller et al. (2005) behaviorale Evidenz für ein Mexikaner-Hut-Muster der Modulation perzeptueller Diskrimination durch Aufmerksamkeit. In einer Variante des Flanker-Paradigmas von Eriksen und Hoffman (1973) untersuchten Müller et. al die manuelle Reaktionsgeschwindigkeit auf einen Ziel-Diskriminationsstimulus in Abhängigkeit von dessen Distanz zu einem simultan dargebotenen inkompatiblen Distraktorstimulus. Eine Analyse der manuellen Reaktionszeiten in der Diskriminationsaufgabe als Funktion der Distanz zwischen Ziel- und Distraktorstimulus zeigte ein Center-Surround-Muster, wobei die längsten Reaktionszeiten in den Bedingungen mit der geringsten Distanz zwischen Diskriminations- und Distraktorstimulus beobachtet wurden.

In der hier vorgestellten Arbeit wurde eine räumliche Verteilung der Inhibition beobachtet, wie sie auch für das beschriebene Mexikaner-Hut-Muster des räumlichen Tunings präfrontaler und striärer Neurone bekannt ist. Die räumliche Verteilung der Inhibition verhielt sich dabei genau spiegelbildlich zu der von Müller et al. (2005) beobachteten räumlichen Verteilung von Aufmerksamkeit. Der hier vorliegende Befund bietet somit behaviorale Evidenz für eine Center-Surround-Organisation des räumlichen Tunings inhibitorischer präfrontaler Neurone.

Das Auftreten einer Netto-Fazilitierung oder Netto-Inhibition visueller Verarbeitung an einer räumlichen Position ist das Ergebnis der Summation verschiedener fazilitierender und inhibitorischer Einflüsse. Die Zeitverläufe der einzelnen fazilitierenden und inhibitorischen Einflüsse bestimmen demzufolge die zeitliche Dynamik des behavioral messbaren Nettoeffekts. In der hier vorliegenden Arbeit wurde eine Inhibition visueller Verarbeitung an einer im räumlichen Arbeitsgedächtnis repräsentierten Position beobachtet. Diese Inhibition trat nur nach dem kürzesten Interstimulusintervall von 1500 ms auf. Für die Interstimulusintervalle von 2500 und 3500 ms bestand, relativ zu den räumlich benachbarten Positionen, eine Fazilitierung der visuellen Verarbeitung. Diesem behavioralen Nettoeffekt können unterschiedliche zeitliche Verläufe einzelner fazilitierender und inhibitorischer Effekte zu Grunde liegen.

Klein (2000) postulierte ein Modell zur Erklärung der zeitlichen Dynamik von Inhibition of Return (für eine Definition s. Kapitel 4.2.2.3), in dem er die hypothetischen Zeitverläufe von Fazilitierung und Inhibition skizzierte. Das Modell beruht auf den Daten von Posner und Cohen (1984; für eine Beschreibung der Studie s. Kapitel 4.2.2.3). Eine graphische Darstellung des Modells zeigt die Differenz der Reaktionszeiten zwischen Trials mit Präsentation eines Warnstimulus und Trials ohne Präsentation eines Warnstimulus als Funktion des Interstimulusintervalls. Negative Werte der Reaktionszeiten-Differenz repräsentieren demzufolge eine Netto-Fazilitierung, positive Werte eine Netto-Inhibition (Abb 16A).

Der Erklärungsansatz in Abbildung 16B basiert auf der Annahme, dass unmittelbar nach der Präsentation des Warnstimulus eine Fazilitierung an dessen Position auftritt. Nach Lösen des Aufmerksamkeitsfokus von der Position des Warnstimulus geht die Fazilitierung in eine Inhibition über. Fazilitierung und Inhibition addieren sich und ergeben den behavioralen Nettoeffekt (gelb markiert). Eine alternative Interpretation geht davon aus, dass Inhibition und Fazilitierung gleichzeitig direkt nach Erscheinen des Warnstimulus auftreten (Abb. 16C). Im weiteren Verlauf bleibt die Inhibition konstant bestehen während die Stärke der Fazilitierung abnimmt. Der behaviorale Nettoeffekt ergibt sich wiederum aus der Addition der Einzeleffekte und entspricht dem Nettoeffekt aus Abbildung 16B.

Abb. 16: Modell der zeitlichen Dynamik von Inhibition of Return. Modifiziert nach Klein (2000).

Zusammenfassend bestimmen drei Einflussgrößen den behavioralen Nettoeffekt: (1) die Stärke der Fazilitierung, (2) die Stärke der Inhibition und (3) die Steigung von Fazilitierung und/oder Inhibition. Es ist wahrscheinlich, dass auch der in der hier vorliegenden Arbeit beobachtete behaviorale Effekt auf der Superponierung fazilitierender und inhibitorischer Effekte beruht. Stärke und zeitlicher Verlauf der fazilitierenden und inhibitorischen Effekte könnten dabei durch aktuelle behaviorale Anforderungen beeinflusst werden. Das hier verwendete Gedächtnissakkadenparadigma erfordert die Inhibition einer offenen Aufmerksamkeitsausrichtung während der Gedächtnisphase. Dieses wahrscheinlich präfronto-tektal vermittelte Suppressionssignal könnte ebenfalls eine Hemmung der verdeckten Aufmerksamkeitsausrichtung bewirken (s. Kapitel 4.2.2.6) und somit, bezogen auf das Modell von Klein, zu einer Verstärkung inhibitorischer Einflüsse zu Beginn der Gedächtnisphase führen. Für die Trials mit dem kürzesten Interstimulusintervall würde als behavioraler Nettoeffekt eine Inhibition visueller Verarbeitung an der aktuell im Arbeitsgedächtnis repräsentierten räumlichen Position resultieren. Im weiteren Verlauf der Gedächtnisphase könnte die Stärke der inhibitorischen Einflüsse abnehmen bzw. der Anteil fazilitierender Einflüsse zunehmen und zu einer Reduktion der Netto-Inhibition bzw. zu einer Netto-Fazilitierung visueller Verarbeitung führen.