Brandt, Herrn Dr. med Stephan A.: Systemphysiologische Untersuchungen zur Bedeutung des frontalen und parietalen Kortex für visuelle Leistungen beim Menschen

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Kapitel 1. Einleitung

1.1 Bedeutung des Themas in den kognitiven Neurowissenschaften

Das Sehsystem, von der Retina über das Mittelhirn und die Area 17 des okzipitalen Kortex bis hin zu den weiterverarbeitenden temporalen und parietalen Arealen mit ihrer Anbindung an visuomotorische Areale im Frontallappen, ist das am besten untersuchte funktionelle System. Mehr als die Hälfte der Hirnrinde stehen bei Primaten ausschließlich oder vorwiegend der Verarbeitung visueller Informationen zur Verfügung (z.B. Ungerleider 1995). Das Gehirn bildet hier die visuelle Welt nicht einfach ab, sondern verarbeitet visuelle Informationen sehr früh nach kategorialen Gesichtspunkten (Bewegung, Form, Farbe etc.), die örtlich getrennt repräsentiert und analysiert werden (Livingstone & Hubel 1988; s. auch Kapitel 2.2.). Visuelle Wahrnehmung ist also ein konstruktiver Prozess, das Ergebnis einer spezifischen Analyse der elementaren Merkmale der visuellen Welt und nicht nur eine Abbildung der äußeren Welt. Prinzipien der visuellen Informationsverarbeitung, wie zum Beispiel die funktionelle und anatomische Modularität (Hubel & Wiesel 1977; Medizin-Nobelpreis 1981), sind auch auf andere Sinnessysteme (z.B. somatosensorisches oder auditives System) übertragbar.

Um die komplexen perzeptuellen Leistungen des visuellen Systems und die zum Teil bizarren agnostischen Störungen beim Menschen erklären zu können, ist es notwendig, Struktur und Funktion des visuellen Systems auf einer systemphysiologischen Ebene zu untersuchen. Die zentralen Themen der vorliegenden Arbeit sind die systemphysiologischen Vorgänge, die eine Integration visueller, attentionaler, mnestischer und motorischer Informationen ermöglichen. Die hier vorgelegten Originalarbeiten beschäftigen sich deshalb mit den strukturellen und funktionellen Grundlagen von höheren visuellen Funktionen, wie der selektiven visuellen Aufmerksamkeit, dem visuo-spatialen Arbeitsgedächtnis, der visuo-spatialen Vorstellung und der zerebralen Konnektivität im visuellen System. Gemeinsames Kennzeichen dieser visuellen Funktionen ist, dass sie eine Verknüpfung von Wahrnehmung und Aktion voraussetzten. Aktion bedeutet in diesem Fall z.B. Zuwendung durch Augen-, Kopf- oder Greifbewegungen. In Vorbereitung einer Aktion muss jedoch zunächst die aufmerksamkeitsgesteuerte Selektion der Zielreize stattfinden und das Ergebnis dieser Analyse in einem


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Kurzzeitgedächtnis gespeichert werden, bevor die Aktion (zum richtigen Zeitpunkt)

erfolgreich durchgeführt werden kann. Diese integrative Leistung des Gehirns ist die Vorraussetzung für eine reflektierte, willkürlich gesteuerte Interaktion mit unserer Umwelt (z.B. Mesulam 1990).

Bevor die eigenen Arbeiten zu diesem Thema in Kapitel 3 vorgestellt werden, führt Kapitel 2 in den Stand der Forschung unter Berücksichtigung eigener Vorarbeiten ein. Zunächst werden die Grundlagen der Problemstellungen an Hand der relevanten kognitionspsychologischen Theorien und der Ergebnisse psychophysischer Messungen des Verhaltens erläutert (Kapitel 2.1.). Es wird gezeigt, dass die Methoden der Kognitionspsychologie bei der Untersuchung systemphysiologischer Zusammenhänge an Grenzen stoßen. Die Übertragung der Problemstellung in neurophysiologische und anatomische Rahmenbedingungen ermöglicht es, funktional charakterisierte Prozesse (z.B. selektive Aufmerksamkeit und Arbeitsgedächtnis) einer neurophysiologischen Beschreibungsebene zu zuführen. In den vorliegenden Arbeiten wird deshalb der Vorteil komplementärer methodischer Ansätze (Psychophysik, Augenbewegungsmessung, Kortexstimulation und funktionelle Bildgebung; s. Kapitel 2.3.) genutzt, um von einer systemphysiologischen und neuroanatomischen Betrachtungsebene aus visuelle Funktionen des parietalen und frontalen Kortex zu untersuchen. Das bedeutet z.B. Aktivitätsänderungen des Gehirns während des Ablaufs dieser Funktionen mit funktionell bildgebenden Methoden zu messen. Dieser Ansatz ist kennzeichnend für die „kognitiven Neurowissenschaften“ (Gazzaniga 1995) und stellt die Grundlage für die Fragestellungen der vorliegenden eigenen Originalarbeiten dar. Ausgangspunkt für die systemphysiologische Hypothesenbildung sind außerdem die bereits gesicherten Erkenntnisse über Struktur und Funktion des Systems. Diese Erkenntnisse stammen zum Großteil aus tierexperimentellen Untersuchungen an nicht-menschlichen Primaten und werden in Kapitel 2.2. zusammengefasst.

Warum sind zusätzlich zu den exakten tierexperimentellen Studien auch Untersuchungen am Menschen notwendig? Grundlage für die Übertragung neuroanatomischer und neurophysiologischer Befunde vom Affen auf den Menschen ist die begründete Annahme, dass entscheidende Entwicklungsschritte des Sehsystems in einer gemeinsamen phylogenetischen Phase vor der Abspaltung des Homo habilis erfolgt sind (Tobias 1985). Obwohl sich für die elementaren visuellen


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Funktionen homologe Funktionsprinzipien bei Mensch und Affe bestätigen lassen, kann man davon ausgehen, dass es bei höheren visuellen Funktionen größere Unterschiede gibt. Diese Unterschiede werden in Kunst, Architektur, Schriftsprache, Symbolik, Mimik und Gestik des Menschen offensichtlich und reflektieren letztlich die Leistungen eines fortentwickelten visuellen Systems mit präziseren abstrakten Fähigkeiten für Geometrie, Raum, spatiale Planung und visuomotorische Interaktion (siehe auch Grüsser & Landis 1991, S.16). Die neuroanatomischen Unterschiede zwischen Menschen und nicht-menschlichen Primaten sind im frontalen und parietalen Kortex besonders deutlich. Die Untersuchung des visuellen Systems am Menschen ist deshalb unverzichtbar, um die artspezifischen physiologischen und pathophysiologischen Vorgänge verstehen zu können.

1.2 Bedeutung des Themas für die Medizin

Störungen selektiver visueller Aufmerksamkeit

Da mehr als die Hälfte der Kortexoberfläche in über 30 Arealen für die visuelle Informationsverarbeitung zur Verfügung steht (Ungerleider 1995), führen umschriebene Hirnläsionen durch zerebrale Ischämien, Blutung, Trauma oder Tumor häufig zu Störungen visueller Funktionen. Die bekannteste Sehstörung ist die Hemianopsie, meist verursacht durch Läsion genikulostriärer Bahnen oder früher retinotoper, visueller Areale. Dabei sind 67% der homonymen Gesichtsfeldausfälle durch ischämische Hirninfarkte bedingt (Kölmel 1988). Mit großem Abstand folgen Hirntumore (15%), Blutungen (8%), Operationen (2,5%) Schädel-Hirn-Verletzungen (1,8%) und andere Ursachen (4,7%) (Kölmel 1988).

Beim Neglekt, einem Syndrom mit halbseitigen, kontralateralen Vernachlässigungs-phänomenen von sensorischen Reizen und/oder motorischen Funktionen,

dominieren Infarkte im Mediastromgebiet (Heilmann et al. 1993). Ein visueller Neglekt der kontralateralen Raumhälfte ist bei Patienten mit rechtshemiphärischer Schädigung häufiger und schwerer als bei linkshemisphärischer Läsion (Heilmann et al. 1997). Visuelle Explorationsstörungen sind dabei das häufigste und im Alltag besonders behindernde Symptom, das sowohl beim visuellen Neglekt (bis zu 53% der Patienten, de Renzi et al. 1982) als auch bei homonymen Hemianopsien (bis 76 %, Kerkhoff 1990) vorkommt (Übersicht in von Cramon et al. 1993). Patienten mit leichten Neglektsyndromen (oder Patienten mit einer fokalen Läsion im parietalen


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Kortex) haben häufig nur dann Schwierigkeiten, die vom Neglekt betroffene Raumhälfte nach einem Zielobjekt abzusuchen, wenn auf der gesunden Seite konkurrierende Reize auftauchen. Dies deutet auf eine spezifische Störung der räumlichen Aufmerksamkeitsverschiebung hin (Rafal & Robertson 1995).

Störungen der räumlichen Aufmerksamkeit kommen aber auch bei neurologischen Erkrankungen ohne umschriebene Substanzdefekte vor; hier z.B. bei Dyslexie (Shallice & Warrington 1977, Valdois et al. 1995), Schizophrenie (Andreasen 1994), Morbus Alzheimer und Morbus Parkinson (Parasuraman & Greenwood 1998). Bei der Dyslexie wird die verminderte Leseleistung von einigen Autoren als Folge einer gestörten Entwicklung jener kortikalen Areale interpretiert, die die visuell-räumliche Selektion kontrollieren (z.B. Vidyasagar 1999). Tatsächlich haben dyslektische Patienten auch Schwierigkeiten bei der visuellen Suche (Ruddock 1991, Vidyasagar & Pammer 1999). Im Frühstadium des Morbus Alzheimer ist (neben dem episodischen Gedächtnis) besonders die selektive Aufmerksamkeit beeinträchtigt (Parasuraman & Greenwood 1998, Perry & Hodges 1999). Es fällt auf, dass die Patienten Schwierigkeiten mit der visuellen Exploration der Umwelt und der Selektion visueller Objekte haben. Dabei fällt es ihnen schwer, Aufmerksamkeit von einem selektierten visuellen Objekt „abzukoppeln“ und dem nächsten zu zuwenden. Die Patienten profitieren, anders als gesunde Erwachsene, bei einer schwierigen visuellen Suchaufgabe kaum von zuvor dargebotenen räumlichen Hinweisreizen. Die Pathomechanismen der Aufmerksamkeitsdefizite beim Morbus Alzheimer sind weitgehend unverstanden. Es fällt auf, dass es beim Morbus Alzheimer sehr früh zu einem Neuronenverlust in den für die visuell-räumliche Selektion zuständigen Arealen des Präfrontalen Kortex (PFC) und des Posterior Parietalen Kortex (PPC) kommt (Parasumaran & Martin 1994, Boller & Duyckaerts 1997). Außerdem ist die gestörte cholinerge Innervation kortikaler Aktivität aus dem basalen Vorderhirn ein möglicher pathophysiologischer Mechanismus, der die Modulation der Aktivität im PPC und Frontalen Augenfeld (FEF) oder die Antwortsynchronisation in den frühen visuellen Arealen stört.

Für das Verständnis dieser Störungen ist es notwendig, die neuronalen Mechanismen zu identifizieren, die diesen Prozessen beim Gesunden zugrundeliegen. Erst die präzise Beschreibung der Beiträge jedes einzelnen der beteiligten Areale, sowie der Interaktion dieser Areale bei der visuellen Selektion


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erlaubt es, ein pathophysiologisches Modell räumlicher Aufmerksamkeitsstörungen zu erstellen. In der vorliegenden Arbeit wird im Kapitel 3.2. ein Beitrag zu diesen Problemen geleistet.

Störungen des visuellen Arbeitsgedächtnisses

Störungen des visuellen Arbeitsgedächtnisses sind ebenfalls ein relevantes Symptom häufiger neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen. Die Fähigkeit, relevante Wahrnehmungsinhalte kurzzeitig in einem Arbeitsgedächtnis zu speichern und zu bearbeiten ist eine wesentliche Voraussetzung für alle Formen willkürlichen Handelns und Denkens (Fuster 1995). Zum einen führen umschriebene vaskuläre, traumatische oder neoplastische Läsionen, die den frontalen Kortex und die mit ihm verbundenen subkortikalen Areale betreffen, regelmäßig zu Störungen des Arbeitsgedächtnisses. Zum anderen zeigen Patienten mit Morbus Parkinson schon in frühen Krankheitsstadien Defizite in Tests, die kurzzeitiges Behalten und Bearbeiten visuell-räumlicher Informationen erfordern (Owen et al. 1997, Hodgson et al. 1999). Ähnliche Befunde wurden für Patienten mit Morbus Huntington erhoben (Lawrence et al. 2000). Funktionen des Arbeitsgedächtnisses sind ebenfalls früh beim Morbus Alzheimer betroffen (Baddeley et al. 1991). Auch an Schizophrenie Erkrankte und ein Teil ihrer Angehörigen zeigen Defizite in Arbeitsgedächtnisaufgaben (Park und Holzman 1992, Park et al. 1995, Goldman-Rakic 1999). Innerhalb der kognitiven Syndrome dieser Erkrankungen sind Störungen des Arbeitsgedächtnisses kein Epiphänomen, sondern zentrale und behindernde Defizite (Fuster 1995, Goldman-Rakic 1996, Baddeley 1996). Umgekehrt haben Studien einen Zusammenhang zwischen individueller Arbeitsgedächtniskapazität und einem erfolgreichen Problemlöseverhalten, sowie allgemeinen Intelligenzmaßen belegt (Baddeley 1996, Wickelgren 1997).

Allein mit tierexperimenteller Forschung auf neuronaler Ebene wird sich uns die Funktionsweise des visuellen Systems nicht erschließen. Der Autor ist davon überzeugt, dass die Untersuchung der systemphysiologischen Zusammenhänge, der funktionellen Neuroanatomie und Phänomenologie höherer visueller Funktionen beim Menschen notwendig ist, um z.B. die komplexe Wechselwirkung mehrerer Kortexareale zu verstehen. Dies ist wiederum die Grundlage für das Verständnis gestörter visueller Wahrnehmung und deren Behandlung.


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Wed Sep 18 16:54:41 2002