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 2. Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten

2.1 Sensomotorische Interaktion bei visueller Wahrnehmung

Im folgenden wird ein Überblick über ausgewählte kognitionswissenschaftliche Theorien gegeben, die sich mit der Integration perzeptueller, attentionaler, mnestischer und motorischer Informationen im visuellen System beschäftigen.

2.1.1 Die „scanpath" Theorie der visuellen Wahrnehmung

Grundlage für die „scanpath“ Theorie ist die Beobachtung, dass wir unsere Umwelt mit Augenbewegungen systematisch explorieren (Yarbus, 1967). Neisser (1967) unterstrich die Notwendigkeit von explorativen Augenbewegungen für die Objekterkennung indem er festhielt, dass "der größte Teil der Objektwahrnehmung sich von aufeinanderfolgenden Durchmusterungsbewegungen ableitet, wobei die Folge von Netzhautbildern in einen einzigen Formeindruck übersetzt wird" (Neisser, 1967). Er postulierte für die Integration der Teilbilder ein "visuelles Gedächtnis", dessen Funktion die Wahrnehmung des Objektes als Ganzes garantiert. Wahrnehmung eines Objektes hieße demnach die Konstruktion des Objektes aufgrund von zahlreichen Teilbildern (Abb.1a). Daraus entwickelten Noton und Stark (1971) die Hypothese, dass bei der visuellen Exploration eine interne Repräsentation geschaffen wird, und dass Wiedererkennen ein Ergebnis des Vergleichs von interner Repräsentation mit dem wahrgenommenen Muster ist. Solch ein Muster sei als sensomotorische Repräsentation („scanpath“) gespeichert, bestehend aus den durch das foveale Sehen hochaufgelösten Teilbildern („sensorischer Pfad") und den Augenbewegungen, die als „motorischer Pfad" die Teilbilder miteinander verbinden (Abb. 1b). Augenbewegungen beim Wiedererkennen dienen demnach nicht nur der Verschiebung des Bildes über die Retina, sondern sind ein integraler Bestandteil des Wiedererkennes und Lernens. Wiedererkennen eines Musters hieße demnach, die „sensomotorische Repräsentation" eines gespeicherten Musters durch eine bestimmte Abfolge von Fixationen und Sakkaden zu bestätigen (siehe auch Brandt & Stark 1997).


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Abb. 1: Scanpath-Theorie

2.1.2 Das Konzept des visuellen Arbeitsgedächtnisses

Das Konzept des visuellen Arbeitsgedächtnisses von Baddley und Hitch (Baddley und Hitch 1974, Baddley 1996) basiert auf ähnlichen Überlegungen, denn auch hier wird die enge Verknüpfung von visueller Wahrnehmung, Gedächtnis und Motorik betont: „Working memory provides a crucial interface between perception, attention, memory and action“ (Baddeley 1996). Das Konzept des Arbeitsgedächtnisses wird der Tatsache gerecht, dass jede Form von Verhalten auf einer Interaktion zwischen Wahrnehmung und Aktion beruht. Wahrnehmung der Umwelt führt zu modifizierenden (Re)Aktionen auf die Umwelt. Diese Aktionen generieren wiederum neue Wahrnehmungsinhalte, auf die mit neuen Aktionen Bezug genommen wird (Weizsäcker 1948/1996). Die resultierende reziproke Interaktion zwischen Wahrnehmung und Aktion lässt sich in einem „Wahrnehmungs-Aktions-Zyklus“ beschreiben (Abb. 2).

Abb. 2: Der Wahrnehmung-Aktions-Zyklus nach Fuster (1989)


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Während einfaches, reflexhaftes Verhalten auf einer direkten Rückkopplung zwischen Wahrnehmung und Aktion beruht und somit dem willkürlichen Zugriff weitgehend entzogen ist (Abb.2a), sind Wahrnehmung und Aktion bei komplexem, willkürlichem Verhalten immer durch eine kurze, „zeitliche Lücke“ voneinander getrennt (Abb.2b). Willkürliches und an die Umwelt angepasstes Verhalten ist also stets darauf angewiesen, dass die für das aktuelle Handeln relevanten Wahrnehmungsinhalte zumindest kurzzeitig als interne Repräsentationen in einem „Arbeitsspeicher“ gehalten und bearbeitet werden können (Abb.2c), bis die auf sie bezogene Aktion stattfindet. Der Wahrnehmungs-Aktions-Zyklus betont also wie die „scanpath“ Theorie die Interaktion von sensorischer Verarbeitung und motorischer Kontrolle und stellt somit eine Weiterentwicklung früherer Konzepte zur sensomotorischen Interaktion dar.

Arbeitsgedächtnis ist dabei definiert als ein Kurzzeit-Speichersystem, das aktuelles Verhalten determiniert und eine Verbindung zwischen zeitlich getrennten, aber inhaltlich aufeinander bezogenen Wahrnehmungen und Aktionen herstellt (Fuster 1995, Baddeley 1996, Goldman-Rakic 1996). Ohne ein solches Speichersystem kommt es zur „zeitlichen Desintegration“ von Verhalten und Denken, d.h. an die Umwelt angepasstes und zielgerichtetes willkürliches Verhalten wird gestört. So lassen sich, neben (Kurzzeit-) Gedächtnisdefiziten im engeren Sinne, zumindest mittelbar zahlreiche Symptome des „Frontalhirnsyndroms“ wie Distraktibilität, Perseveration, gestörte Handlungsplanung und Interferenzanfälligkeit auf die gestörte Fähigkeit, adäquate interne Repräsentationen im Arbeitsgedächtnis zu halten, beziehen (Fuster 1995, Goldman-Rakic 1996).

2.1.3 Selektive visuelle Aufmerksamkeit

Die zuvor beschriebenen Modelle zur Interaktion mit unserer visuellen Umwelt betonen visuelle Wahrnehmung, Gedächtnis und Motorik (z.B. in Form von Augenbewegungen). Die vierte Komponente, die auch innerhalb des Wahrnehmungs-Aktions-Zyklus (Fuster 1989) berücksichtigt werden muss, ist die visuelle Selektion von Reizen. Bei der Exploration unserer Umwelt wählen wir Zielreize auf Grund ihrer aktuellen Relevanz aus einer Vielzahl irrelevanter Hintergrundreize aus. Es gibt zwei Strategien, um die Verarbeitung wichtiger Reize


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zu unterstützen. Entweder mit Hilfe von Augenbewegungen, die die Stelle des schärfsten Sehens, die Fovea, auf Zielreize lenken (siehe 2.1.1. und 2.1.2.), oder allein durch selektive Zuwendung durch den Aufmerksamkeitsfokus. Diese attentionale Zuwendung kann gleitend sein, z.B. beim Folgen bewegter Zielreize („attentive tracking“), oder in diskreten Schritten erfolgen (Absuchen einer visuellen Szene). Attentives Folgen ist im täglichen Leben dann notwendig, wenn man mehreren sich gleichzeitig bewegenden Zielreizen folgen muss. Bei Mannschaftssportarten muss man z.B. sowohl den Ball als auch die Mitspieler und Gegner „im Auge behalten“, ohne jedoch allen gleichzeitig mit Augenbewegungen folgen zu können. Visuelle Suche ist dann notwendig, wenn man in einer Gruppe von Menschen möglichst rasch die eine gesuchte Person finden möchte. Diese Art der visuellen Selektion lässt sich für die experimentelle Beobachtung mit Hilfe von visuellen Suchaufgaben operationalisieren.

Abb. 3: Visuelle Suche ohne Merkmalsverknüpfung (A) als “pop-out“ und mit Merkmalsverknüpfung (B) als Konjunktionssuche. Die Suchzeit (C) hängt bei B von der Anzahl der Distraktoren ab, während eine einfache „pop out“ Suche (A) davon weitgehend unabhängig ist (Treismann 1988).

Abbildung 3 zeigt zwei Varianten einer visuellen Suchaufgabe. In der „pop out“ Suche (A) erfolgt die Selektion des Zielreizes (vertikaler grüner Balken) einfach und rasch. Der Zielreiz scheint aus den Hintergrundreizen herauszustechen („pop out“) (Treisman und Gelade 1980). Die Suchzeit ist dabei unabhängig von der Anzahl der Distraktoren. Bei der Konjunktionssuche (B) müssen zur Selektion des Zielreizes (horizontal und rot) zwei Merkmale (Farbe und Orientierung) miteinander verknüpft werden. Die Suchzeit nimmt hier mit der Anzahl der Distraktoren zu. Abbildung 3C zeigt die Beziehung zwischen Suchzeit und Anzahl der Distraktoren bei den beiden Typen von Suchaufgaben aus Abbildungen 3A (rote Linien) und B (schwarze Linien)


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(Treisman, 1988). Die größere Steigung der schwarzen Kurven zeigt, dass das Auffinden des Zieles in der Verknüpfungsbedingung schwieriger ist als in der Bedingung, in der die Orientierung allein das Ziel definiert. Die Steigung der Kurve ist also ein Maß für die Effizienz, mit der das visuelle System die Selektion des relevanten Zielobjektes aus der Vielzahl der irrelevanten Objekte bewältigt. Je größer die Steigung, desto stärker wird folglich die Selektion des Zieles durch die Anwesenheit der Distraktoren behindert (Wolfe 1998).

Wie bewältigt das Gehirn diese scheinbar einfache Aufgabe? Mindestens zwei Typen von Modellen stehen sich in diesem Zusammenhang aus Sicht der Kognitionspsychologie gegenüber. Einige Autoren erklären den Anstieg der Suchzeit bei der Konjunktionssuche mit der notwendigen seriellen Selektion von Objektlokalisationen durch einen „Aufmerksamkeitsscheinwerfer“ (Treisman 1993, Posner & Dehaene 1994, Wolf 1994). Andere Autoren (Duncan & Humphreys 1989, Desimone & Duncan 1995) gehen von einer parallel organisierten Verknüpfung von Merkmalen aus, die keiner besonderen Aufmerksamkeitsleistung bedürfen. Beide Modelle sind im Effekt des Verhaltens gleich, d.h. es scheint nicht möglich zu sein, allein durch Verhaltensexperimente zwischen den rein parallelen Modellen und den parallel-seriellen Hybrid-Modellen zu unterscheiden (Wolfe 1998, Chelazzi 1999). An dieser Stelle setzen die Fragestellungen an, die in Kapitel 3.3. mit der funktionellen Bildgebung weiterverfolgt werden können.


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2.2 Struktur und Funktion des visuellen Systems

Als Grundlage für das Verständnis der kortikalen Verarbeitung visuospatialer Informationen werden in den beiden folgenden Abschnitten die wesentlichen Aspekte des Aufbaus des visuellen Systems geschildert. Eine genauere Analyse der funktionell-neuroanatomischen Grundlagen findet sich auch in einer eigenen Arbeit (Stoerig & Brandt 1993) zu diesem Thema.

2.2.1 Historisches

Funktionelle Neuroanatomie hat eine historische Dimension, die in dieser Arbeit nicht ausreichend gewürdigt werden kann. Im folgenden Abschnitt werden einzelne historische Beiträge Berliner Forscher zur modernen funktionellen Neuroanatomie des visuellen Systems genannt.

Hermann Munk (1839-1912), Professor für Veterinärphysiologie, konnte erstmals zeigen, dass die Entfernung des rostralen Teils des Okzipitallappens bei Hunden und Affen, zu „Rindenblindheit“ führt. Entfernung umschriebener Teile der okzipitalen grauen Substanz führte zu „fleckförmiger kortikaler Blindheit“ (Munk, 1878, 1880, Fig. 2.25). Später verwendete Munk (1881) die von Fritsch und Hitzig (1870) in Berlin erstmals durchgeführte direkte elektrische Reizung des Kortex, um an Tieren durch Reizung des Okzipitallappens Augenbewegungen auszulösen. Der Mediziner und Physiker und spätere Gründer und Leiter des Physikalischen Instituts am Reichstagsufer in Berlin Hermann von Helmholtz (1821-1894), beinflusste die Neuroophthalmologie z.B. durch die Erfindung des Augenspiegels, der bahnbrechenden Dreifarbentheorie zur Farbwahrnehmung sowie der Entdeckung von drei Arten von Zäpfchen in der Netzhaut (1860). Cecile und Oskar Vogt legten gemeinsam mit Korbinian Brodmann während der erste Hälfte des letzten Jahrhunderts die Grundlage für die klassischen zytoarchitektonischen Karten der Hirnrinde (Brodmann 1909). Zur Bedeutung weiterer Berliner Ärzte und Wissenschaftler für die „Hirnlokalisationsforschung“ (z.B. Carl Wernicke, Kurt Goldstein, Hugo Liepmann, Fedor Krause), wird auf folgende Übersichten verwiesen (Holdorff & Winau 2000, Brandt 1998).

Wichtige Impulse für die funktionelle Neuroanatomie höherer visueller Funktionen gingen auch von dem in Frankfurt a.M. tätigen Kleist durch Beobachtungen an Hirnschussverletzten des ersten Weltkrieges aus. Er erkannte, dass es neben


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Gesichtsfelddefekten durch Läsionen der primären Sehrinde auch zu selektiven „Störungen der Objektwahrnehmung“ und „Störungen der Raumwahrnehmung“ kommen kann (Kleist 1934). Daraus leitete er ab, dass raumbezogene visuelle Informationen im okzipito-parietalen Kortex und objektbezogene Informationen im okzipito-temporalen Kortex verarbeitet werden. Außerdem lokalisierte Kleist visuomotorische Funktionen (Augenbewegungen, Greifbewegungen) in umschriebene Regionen des parietalen und frontalen Kortex.

2.2.2 Von der Retina zum Kortex

Der Aufbau des visuellen System ist durch drei wesentliche Bauprinzipien gekennzeichnet: Funktionelle Spezialisierung, parallele Verarbeitung und retinotope Organisation.

Funktionelle Spezialisierung und retinotope Organisation beginnen nicht erst im Kortex, sondern sind bereits in den retinalen Ganglienzellen und deren Projektion auf das Corpus geniculatum laterale angelegt.

Die Hauptganglienzellklassen sind die magnozellulären M-Zellen, die parvozellulären P-Zellen (Leventhal et al. 1981, Perry et al. 1984, Shapley 1990) und eine heterogene Gruppe sogenannter Gamma-Zellen (De Monasterio 1978, Schiller et al. 1977).

Die M-Zellen machen etwa 10% der Ganglienzellen aus und sind durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:

Die Eigenschaften der P-Zellen (80% der Ganglienzellen) verhalten sich in etwa komplementär zu denen der M-Zellen:


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Abb. 4: Retinale Ganglienzellen

Die Gamma-Zellen bevorzugen zwar bewegte Reize, haben aber eine langsamere Leitgeschwindigkeit (2-18 m/s) und zeichnen sich durch unterschiedlich große rezeptive Felder und heterogene Antworteigenschaften aus (De Monasterio 1978, Schiller et al. 1990). Die unterschiedlichen Antworteigenschaften der retinalen Ganglienzellklassen verdeutlichen, dass schon auf Höhe der Retina eine funktionelle Spezialisierung für Farbe, Bewegung und Form angelegt ist.

Von der Retina werden Sehinformationen in drei Pfaden weitergeleitet. Der kleinste Teil projiziert zum N. suprachiasmaticus und dient der Regulation von Schlaf-Wachrhythmen, etwa 10% ziehen zum Colliculus superior (Perry et al. 1984) im Mittelhirn und realisieren Funktionen wie Akkommodation, Pupillensteuerung und Augenbewegungen. Diese Bahnen werden auch extrastriäre Bahnen genannt und gehören zum magnozellulären System.

Der weitaus größte Teil aber endet im Corpus geniculatum laterale (CGL) (Fitzpatrick et al. 1983, Weber et al. 1983) und zieht nach Umschaltung in die visuelle Sehrinde. Die Hauptaufgaben des CGL sind Reorganisation der Afferenzen und Kontrastverschärfung durch inhibitorische Interneurone, die etwa 30% der Zellen im CGL ausmachen. Lateral inhibitorische Mechanismen zwischen Zellen verschiedener Augen aber überlappender rezeptiver Felder sind auch eine Grundlage für Raumwahrnehmung (Wiesel und Hubel, 1966). Die einlaufenden Afferenzen werden nach Herkunft des dritten Neurons aus Ganglienzellen eines jeden Auges nach folgendem Innervierungsschema K-I-K-I-I-K (K = kontralaterales Auge, I =


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ipsilaterales Auge) von dorsal nach ventral neugeordnet (siehe Abb. 5). Die im N. opticus weitgehend verloren gegangene Retinotopie erfährt hier eine nicht-lineare Neuordnung, in der die relevantere foveale Information überrepräsentiert ist. Die vormals erwähnten Zelltypen konvergieren hier in separaten, makroskopisch unterscheidbaren Regionen.

Abb. 5: Corpus geniculatum laterale

Die vierte Synapse projiziert dann zum primären visuellen Kortex in Brodmann Area 17 oder V1. Hier in der Großhirnrinde beginnt die eigentliche Bildverarbeitung, die auf dem Prinzip der Eigenschaftsextraktion beruht. Dieses Prinzip besagt, dass sich eine Gruppe von Nervenzellen auf einen ganz bestimmten Aspekt eines visuellen Reizes spezialisiert und nur dann aktiv wird, wenn dieser Aspekt in ihrem rezeptiven Feld auftaucht. Um dieses wichtige Grundprinzip zu verstehen, betrachten wir einen kleinen Teil von V1 etwas genauer. Dieses Stück zeigt eine funktionelle Einheit des Kortex, ein sogenanntes Kortexmodul. Ein Modul verarbeitet die Informationen aus einem definierten Teil des Gesichtsfeldes, und dabei bearbeitet das benachbarte Modul die Sehinformationen aus dem benachbarten Bildpunkt im Gesichtsfeld. Das Kortexmodul hat einen charakteristischen Aufbau in sechs Schichten, die parallel zur Oberfläche organisiert sind (siehe Abb. 6). Schicht vier ist am dicksten, hier laufen die meisten Informationen aus der Retina ein (Blasdel & Lund 1983). Außerdem findet man eine Einteilung in funktionelle Module, die sogn. kortikalen Kolumnen. Nehmen wir als Beispiel die visuelle Reizeigenschaft Orientierung. Zellen einer solchen Kolumne werden vorwiegend dann aktiv, wenn auf dem entsprechenden Teil der Netzhaut eine Kontrastkante mit einer ganz bestimmten Orientierung zu liegen kommt. Jede der Säulen ist auf eine definierte Orientierung spezialisiert. Diese Art


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von Spezialisierung findet man bei Kontrast-, Farb-, Bewegungsrichtungs- und Kontureigenschaften. Den Prozess der Merkmalsidentifikation bezeichnet man auch als Eigenschaftsextraktion. Die Entdeckung dieses Prinzips durch Hubel und Wiesel (1977) wurde 1981 mit dem Nobelpreis für Medizin honoriert.

Abb. 6: Primärer visueller Kortex (V1).Das Prinzip der Eigenschaftsextraktion am Beispiel der Orientierungskolumnen.

2.2.3 Kortikale Verarbeitung visueller Informationen

Während in V1 eine erste Analyse der visuellen Welt stattfindet, erfolgt die weitere Verarbeitung auf zwei Pfaden (Abb. 7). Der temporale Pfad oder „ventral stream“

verläuft über V2 und V4 in den inferotemporalen Kortex. Entlang dieses Pfades findet die Objekterkennung statt, in der immer komplexere Eigenschaften eines Objektes repräsentiert sind. So sind z.B. die Zellen in V2 auf die Konturerfassung unbewegter Objekte spezialisiert. Hier sind Neurone zum Farb-, Bewegungs- und Formsehen in anatomisch unterscheidbaren Subzonen angeordnet (Tootell und Hamilton 1989). Ein wesentlicher Unterschied zu V1 ist die größere Reizantwortspezifität der Zellen. Sie reagieren auf komplexe Reizmuster und nicht nur auf Linien einer bestimmten Orientierung. Außerdem nimmt von Areal zu Areal die rezeptive Feldgröße zu (DeYoe & Van Essen 1985). Die Zellen in V4 reagieren vor allem auf die Oberflächenfarben und den Farbkontrast eines Objektes (Zeki 1980a). Neuronen in den Arealen des inferioren temporalen Kortex (Areale TEO und TE) reagieren selektiv auf komplexe, figurale Objektmerkmale (Tanaka, 1997). Bildgebende Untersuchungen beim Menschen zeigen, dass Regionen im Gyrus fusiformis (FFA, fusiform face area) bevorzugt auf Gesichter (z.B. Kanwisher et al. 1997) und im Gyrus parahippocampalis (PPA, parahippocampal place area) bevorzugt auf spezielle Objektkategorien (Epstein et al. 1999) reagieren.


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Der parietale Pfad oder „dorsal stream“ verläuft über V3, V3A, V5 (MT) und MST in den Posterior Parietalen Kortex (PPC). Er dient der Analyse von Bewegungen von Objekten und ihrer Lage im Raum. So sind die Zellen in Area MT auf spezifische Bewegungsmerkmale und Bewegungsrichtungen spezialisiert (Zeki 1980b, Maunsell & Newsome 1987). Area MST ist ebenfalls mit Bewegungswahrnehmung befasst, scheint aber auf komplexere Bewegungen wie z.B. Rotation, Expansion, Kontraktion zu reagieren (Sakata et al. 1986, Saito et al. 1986, Ungerleider und Desimone 1986b). Außerdem beinhaltet MST schon Neuronenpopulationen, die efferente okulomotorische Signale generieren, wie sie für die Programmierung von langsamen Augenfolgebewegungen notwendig sind (Newsome et al. 1988, Thier und Erickson 1992). Sehr viel komplexer sind die Funktionen der Zellen im PPC; sie scheinen sich auf eine Analyse des Raumes und der Lagebeziehung von Objekten im Raum zu beziehen und verarbeiten außerdem auch Informationen aus anderen Sinnessystemen. Die Struktur und Funktionen posterior parietaler Areale und deren Anbindung an visuomotorische präfrontale Areale sind ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit und werden im nächsten Kapitel und in den eigenen Originalarbeiten ausführlicher besprochen.

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Abb. 7: Synoptische Zusammenstellung der wichtigsten Stationen der retino-genikulo-striären Signaltransduktion und der parallelen Verarbeitung visueller Submodalitäten in einem ventralen Pfad („Was-System“) und einem dorsalen Pfad („Wo-System“), die beide zum prämotorischen und präfrontalen Kortex projizieren (Mishkin et al. 1983; Andersen et al. 1997, Wise et al. 1997, und in Anlehnung an Stoerig und Brandt, 1993). Abkürzungen: siehe Verzeichnis am Ende der Arbeit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Areale entlang des temporalen Pfades mit der Objekterkennung beschäftigen und solche des parietalen Pfades mit der Bewegungs- und Raumwahrnehmung. Für diese Dichotomie wurden die Begriffe “Was-“ und “Wo-System“ oder „dorsal & ventral stream“ geprägt (Mishkin et al. 1983, Goodale & Milner 1992, Ungerleider & Haxby 1994). Beide Pfade projizieren dann in den Präfrontalen Kortex (PFC), wobei räumliche Informationen in die dorsolateralen Anteile (BA 46) und objektspezifische Informationen in die ventrolateralen Anteile des PFC gelangen (Goldman-Rakic 1984, Ungerleider et al. 1998). Das Frontale Augenfeld (FEF, BA 45 und 8), empfängt dagegen Projektionen aus beiden Pfaden (Schall et al. 1995) (Abb. 7).


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2.2.4 Visuomotorische Interaktion und ein fronto-parietales Netzwerk

Frühe Anatomen und Neurologen beschrieben den Posterioren Parietalen Kortex als ein klassisches Assoziationsareal, das Informationen aus verschiedenen sensorischen Modalitäten zu einer gemeinsamen Repräsentation des Raumes verknüpft (s. Critchley, 1953, Mountcastle et al. 1975; s. Hyvärinen 1982 für eine Übersicht). Allerdings blieb es unverstanden, in welchem Referenzsystem die Positionen von Umweltreizen repräsentiert werden und wie diese Informationen von motorischen Arealen genutzt werden können, um zielgerichtete Bewegungen auszuführen.

In den letzten Jahren konnte mit einer Vielzahl tierexperimenteller, elektrophysiologischer Untersuchungen gezeigt werden, wie der Posteriore Parietale Kortex multimodale Repräsentationen des Raums formt und an prämotorische und motorische Areale weitergibt (s. Andersen et al. 1997, für eine Übersicht). Demnach wird die Raumrepräsentation offenbar durch eine Vielzahl sensorischer Modalitäten (visuell, somatosensorisch, auditorisch und vestibulär) gebildet. Selbst Efferenzkopiesignale von motorischen Befehlen, die vermutlich in den prämotorischen Arealen generiert werden, konvergieren im PPC und stellen Informationen über bewegungsbedingte Veränderungen der Raumkoordinaten zur Verfügung. Diese sensorischen und Efferenzkopiesignale stammen aus unterschiedlichen neuronalen Systemen und reflektieren unterschiedliche Bezugssysteme (z.B. okulozentrisch, egozentrisch, allozentrisch). Eine Aufgabe des PPC ist es, distribuierte Repräsentationen des Raums zu formen, die den multiplen Bezugssystemen gerecht werden, so dass motorische Areale zielgerichtet Bewegungen planen können. Außerdem muss ein Prozess postuliert werden, der Zielreize auf Grund ihrer Relevanz selektiert und in das Zentrum der Aufmerksamkeit rückt. Das heißt, dass es zwischen rein sensorischer und motorischer Verarbeitung eine Zwischenstufe mit einer abstrakten Repräsentation von Raum, Beurteilung von Verhaltensrelevanz, sowie Steuerung von Aufmerksamkeit geben muss, um eine Interaktion mit der Umwelt erfolgreich durchführen zu können. Auf Grund der umfangreichen Literatur zu diesem Thema wird hier nur auf die für diese Arbeit wichtigsten Aspekte, nämlich die Selektion von Zielreizen, die Bedeutung okulomotorischer Signale und die Rolle des PPC, FEF und PFC eingegangen.


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Abb. 8: Zusammenfassung der kortiko-kortikalen Verbindungen vom Posterioren Parietalen Kortex zum primären motorischen (M1) und prämotorischen Kortex (PM) (aus Wise et al. 1997). Unten die Lateralansicht, oben die mesiale Ansicht einer Makakenhemisphäre, mit den wichtigsten meist reziproken Projektionen. VIP, LIP und MIP (ventrales, laterales und mediales intraparietales Areal); PO (parieto-occipitales visuelles Areal); MDP (mediales dorsales parietales Areal); FEF,SEF (frontales und supplementäres Augenfeld); 7a, 7b, und 7m (Areale des Posterioren Parietalen Kortex)

Tierexperimentelle Untersuchungen (beim Affen) mit Einzelzellableitungen aus den Arealen LIP und Brodmann Area 7a im Posterioren Parietalen Kortex (PPC) zeigen, dass verhaltensrelevante visuelle Reize mit einer spezifischen neuronalen Aktivität beantwortet werden (Andersen & Gnadt 1989; Andersen et al. 1990, Colby & Goldberg, 1999). Zwei Beobachtungen sprechen dafür, dass diese verhaltensbedingte Modulation den Prozess der visuellen Selektion reflektiert und nicht einfach an sensorische Verarbeitung oder motorische Ausführung gekoppelt ist.

1. Soll der Reiz erst nach einer Verzögerung von einigen Sekunden beantwortet werden, ist die Feuerrate während der gesamten Verzögerungsperiode, nicht erst kurz vor der Ausführung der Handlung, erhöht (Andersen & Gnadt 1989; Colby et al. 1996).

2. Die Modulation ist in diesen Arealen nicht an eine spezifische Handlung gekoppelt: die Feuerrate steigt unabhängig davon an, ob eine Sakkade oder eine Armbewegung zu dem Reiz gemacht, oder ob eine Helligkeitsabnahme des Reizes mit dem Loslassen eines Hebels beantwortet wird (Bushnell et al. 1981; Colby et al. 1996).

Die Antworten von Neuronen in diesen Arealen können entweder selektiv für eine bestimmte Reizposition (visuelle Neuronen), oder selektiv für einen bestimmten


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Sakkadenzielpunkt (motorische Neuronen) sein. Eine dritte Neuronenpopulation in diesen Arealen vereinigt beide Antwortcharakteristika. Diese Zellen werden auch „visuomotorische“ Neurone genannt (Andersen & Gnadt, 1989).

Ein ähnlicher Typ von verhaltensbedingter und räumlich-selektiver Antwortmodulation wurde im Frontalen Augenfeld (FEF) nachgewiesen (Goldberg & Segraves 1989, Schall & Thompson 1999). Entgegen einer früheren Interpretation (Goldberg & Segraves 1989) handelt es sich nicht um Neuronenpopulationen, die die Präparation der Sakkade im FEF vorbereiten, sondern um ein neurophysiologisches Korrelat für visuelle Selektion. Der Beginn der Modulation ist zeitlich an die Präsentation des Reizes und nicht an die Sakkadeninitiation gekoppelt (Thompson et al. 1996) und außerdem zeigen einige Neuronen auch dann eine Modulation, wenn die Sakkade zurückgehalten wird (Thompson et al. 1997).

Ein drittes Areal mit räumlich-selektiver verhaltensbedingter Antwortmodulation ist der Dorsolaterale Präfrontale Kortex (DLPFC). Die Modulation ist im DLPFC dann besonders ausgeprägt, wenn der Zielpunkt einer Sakkade zu Beginn einer Verzögerungsperiode verschwindet und die Sakkade am Ende der Verzögerungsperiode allein vom Kurzzeitgedächtnis gesteuert wird (Funahashi et al. 1990, 1993). Weitere Befunde deuten darauf hin, dass dieses Antwortverhalten weniger die visuelle Selektion per se reflektiert als vielmehr die Ergebnisse der visuellen Selektion im Kurzzeitgedächtnis (Rainer et al. 1997).

Zusammengefasst lassen die tierexperimentellen Untersuchungen den Schluss zu, dass visuell-räumliche Selektion durch Signale aus dem PFC und PPC kontrolliert wird (Desimone & Duncan 1995, LaBerge 1995, Reynolds & Desimone 1999). Außerdem zeigen sie eine große konzeptuelle Überlappung mit den eingangs beschriebenen kognitionspsychologischen Theorien, da sowohl der Aufbau (hierarchische Organisation, serielle und parallele Verarbeitung, Konzept der sensomotorischen Integration) als auch die beteiligten anatomischen Strukturen enge Parallelen aufweisen.


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2.3 Methoden zur Untersuchung funktioneller Neuroanatomie

In diesem Kapitel werden die beiden wichtigsten apparativen Untersuchungsmethoden vorgestellt, mit denen die meisten Untersuchungen durchgeführt wurden. Die Kernspintomographie und die transkranielle Kortexstimulation sind nicht-invasive Verfahren, die einerseits einen festen Platz in der klinischen Diagnostik von Hirnpathologie haben, andererseits aber auch die derzeit wichtigsten apparativen Hilfsmittel bei der Erforschung der funktionellen Neuroanatomie von Kortexfunktionen beim Menschen darstellen. Die Augenbewegungsmessung wird ausführlicher in den einzelnen Originalarbeiten (Brandt et al. 1997, Brandt et al. 1998) beschrieben. Mit der Aufzeichnung von Augenbewegungen während funktioneller Kernspintomographie und der Bedeutung von sensorischen und okulomotorischen Komponenten bei Aktivierungsstudien durch langsame Folgebewegungen beschäftigt sich ein Buchbeitrag (Brandt et al. 1999).

2.3.1 Transkranielle Kortexstimulation

Zunächst ein kurzer Überblick über Entwicklung, Prinzip und Anwendungsmöglichkeiten der transkraniellen Kortexstimulation. Eine ausführlichere Beschreibung findet sich auch in eigenen Arbeiten (Brandt et al. 1997, Meyer et al. 1997), die sich mit den Möglichkeiten und Grenzen der transkraniellen Magnetstimulation in neurologischer Forschung und klinischer Anwendung beschäftigen.

Entwicklung, Prinzip und Technik

Gustav Fritsch und Eduard Hitzig konnten 1870 in Berlin durch direkte elektrische Stimulation kortikaler Areale beim Tier erstmals reizortsspezifische Effekte nachweisen (Fritsch und Hitzig 1870). Dies führte zu der Erkenntnis, dass das Gehirn selbst elektrisch erregbar ist und stützte die Hypothese, dass die Hirnrinde in funktionale Einheiten unterteilbar ist. Heute wird die Kortexstimulation in Form der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) auch beim Menschen als neurophysiologische Methode zur funktionellen Untersuchung normaler und gestörter Kortexfunktionen verwendet. Frühe Erkenntnisse über sensorische, motorische und kognitive Funktionen der Großhirnrinde basieren zum Teil auf intraoperativer direkter Kortexstimulation beim wachen Patienten (Krause 1924, Foerster 1929, Penfield 1952). Die transkranielle elektrische Stimulation (TES) (Merton & Morton 1980)


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machte seit 1980 eine breitere Anwendung am gesunden Probanden und an Patienten möglich. Mit der transkraniellen magnetischen Stimulation (TMS) steht seit 1985 (Barker et al. 1985) eine nicht-invasive und im Gegensatz zur TES schmerzlose Methode zur Stimulation umschriebener Kortexareale beim Menschen zu Verfügung. Im Unterschied zur direkten Kortexstimulation hatten TES und TMS bislang den Nachteil, dass mit einzelnen Reizen oder sehr niederfrequenten Reizserien nur kurzdauernde Reizeffekte ausgelöst werden konnten und nur über primären sensorischen und motorischen Kortexarealen erfassbare Reizeffekte zu erzielen waren. In den letzten Jahren entwickelte Magnetstimulatoren sind in der Lage, hochfrequente Reizserien zu generieren und damit eine temporäre und reversible Interferenz mit Funktionen stimulierter Kortexareale zu bewirken. Die repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten, wie z.B. die Untersuchung sekundär motorischer und visueller Areale oder des frontalen und parietalen Assoziationskortex.

Die TMS beruht auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion mit einer stromdurchflossenen Stimulatorspule. Der Reizeffekt ist um so stärker, je schneller sich das induzierte Magnetfeld ändert (Geddes 1987). Bei Verwendung von monophasigen Pulsen fließt der im Gehirn induzierte Strom vorwiegend in eine Richtung, bei biphasigen Pulsen zuerst in eine und dann in die entgegengesetzte Richtung (Werhahn et al. 1994). Die Dauer der Strompulse determiniert welche Gewebe erregt werden, da die induzierten Ströme das Ruhemembranpotential der Zellen oder Nervenfasern herabsetzen müssen, um eine Erregung auszulösen. Dabei werden vermutlich vor allem großamplitudige schnelleitende Nervenfasern erregt (Ammasian et al. 1998).

Anwendungen in der klinischen und experimentellen Neurologie

Hauptanwendungsbereiche in der klinischen Diagnostik sind der Nachweis demyelinisierender Läsionen der Pyramidenbahn z.B. bei der Diagnostik der Multiplen Sklerose (Benecke & Knur 1992, Schmierer et al. 2000), bei zervikaler Myelopathie (Maertens de Noordhout et al. 1991) und motoneuronalen Erkrankungen (Ingram & Swash 1987) (zusammenfassende Übersicht bei Meyer 1992). Grundsätzlich muss zwischen der Auslösung von Positiv-Phänomenen (z.B. Bewegungseffekte, Phosphene) und Negativ-Phänomenen (z.B. Störung perzeptueller, motorischer und sprachlicher Funktionen) unterschieden werden. Mit


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der transkraniellen Kortexstimulation können verhaltensrelevante Hirnfunktionen “nicht-invasiv“ am menschlichen Gehirn direkt untersucht oder beeinflusst werden (Pascual-Leone et al. 2000). Dies gilt auch für Untersuchungen der funktionellen Neuroanatomie des menschlichen Gehirns und der Pathophysiologie von Krankheiten. Der Wert dieses Reizverfahrens als Instrument zur Erforschung und diagnostischen Beurteilung von Hirnfunktionen ist hoch und unbestritten [s. Editorials von Hallett in Nature (2000), Rothwell in Brain (2000), Edgley and Lemon im Journal of Physiology (1999) und Pascual-Leone in Current Opinion in Neurobiology (2000)]. Die zunehmende Bedeutung der transkraniellen Magnetstimulation ist auch an der deutlichen Zunahme von Publikationen ablesbar (siehe Abb. 5). Im Rahmen dieser Arbeit werden eigene Untersuchungen des visuellen Systems mit der transkraniellen und elektrischen Kortexstimulation einen Schwerpunkt bilden. Grenzen und Schwierigkeiten dieser Methoden werden in Kapitel 3.4. eingehender diskutiert.

Abb. 9: In Medline geführte Publikationen mit transkranieller Magnetstimulation


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2.3.2 Funktionelle Kernspintomographie

Die Kernspintomographie ist derzeit die Methode der Wahl zur Beurteilung der Hirnmorphologie in vivo. Außerdem werden die meisten funktionellen Methoden (s. Posner & Raichle 1994 für einen Überblick) in Bezug auf diese Basis-Darstellung der Hirnmorphologie durchgeführt.

Prinzip und Technik

Funktionell kernspintomographische Techniken (Belliveau et al. 1991, Kwong et al. 1992, Ogawa et al. 1992, Frahm et al. 1992) ermöglichen es, aktivierte Gehirnareale mit hoher räumlicher Auflösung (~1 mm) und guter zeitlicher Auflösung (wenige Sekunden) zu lokalisieren. Sie basieren darauf, dass die kernspintomographisch gemessene Zeitkonstante T2* des Blutes vom Oxygenierungszustand abhängt. Die meisten MR-Verfahren nutzten dabei den BOLD („blood-oxygenation-level-dependent“) Kontrast, um Änderungen in der Deoxihämoglobinkonzentration unter kortikaler Aktivierung zu messen. Die Änderung der Konzentration ist hierbei von physiologischen Vorgängen abhängig, die allerdings nur unvollständig verstanden sind (Villringer & Dirnagl 1995). Folgende Grundannahmen können allerdings als gesichert gelten (Heeger et al. 2000):

  1. Regionale Hirndurchblutung ist an den metabolischen Bedarf gekoppelt.
  2. Metabolischer Bedarf wird durch die synaptische Aktivität bestimmt.
  3. Synaptische Aktivität hängt von der Feuerrate präsynaptischer Neurone ab.
  4. Präsynaptische Neurone sind vorwiegend Teil eines lokalen Neuronenverbundes.

Die funktionelle Kernspintomographie macht sich dabei den folgenden Effekt zu nutze: Während durch eine Verstärkung lokaler synaptischer Aktivität der lokale metabolische Bedarf steigt, wird mehr Deoxyhämoglobin erzeugt. Gleichzeit verringert sich aber dessen Blutkonzentration durch eine gleichzeitige Erhöhung des zerebralen Blutflusses und Blutvolumens in dem entsprechenden Hirnareal. Deoxyhämoglobin ist eine paramagnetische Substanz und erzeugt lokale Magnetfeldinhomogenitäten. Eine Reduktion seiner Konzentration führt zu einer Homogenisierung des Magnetfeldes und nachfolgend zu einer Verlängerung der T2*-Relaxationszeit. Die den Abfall des MR-Signals bestimmende Zeitkonstante T2* sinkt


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also mit zunehmender Inhomogenität des Magnetfeldes. Folglich fällt das Signal des Hb schneller ab (T2* ist kürzer) als das des HbO2 (Thulborn et al., 1982).

Gradientenecho-MR-Sequenzen, wie z.B. die FLASH-Sequenz, oder echoplanare (EPI-) Bildgebungssequenzen sind sehr sensitiv auf solche Veränderungen und werden zur Visualisierung des durch die Homogenisierung resultierenden MR-Signalanstiegs verwendet. Die feinen Unterschiede im Signal zwischen Aktivierung und einem Ruhezustand werden anschließend mittels statistischer Testverfahren ermittelt und die entsprechenden Bildpunkte der aktivierten Areale über eine Farbkodierung visualisiert. Das gemessene Signal entspricht dabei also nicht der eigentlichen elektrischen Aktivität von Gehirnzellen, sondern ist Ausdruck der damit gekoppelten Blutflussantwort. Der weitere Erfolg dieses Verfahrens hängt davon ab, ob es gelingt, eine quantitative Beziehung zwischen dem BOLD-Signal und der mittleren Feuerrate (oder einem anderen Parameter der elektrischen Aktivität) der Neuronenpopulation herzustellen (Heeger et al. 2000, Wandell 1998). Kürzlich wurden Hinweise für eine erstaunlich einfache Beziehung gefunden: das BOLD-Signal scheint in den Arealen V1 und MT (unter gut belegten Annahmen über deren Physiologie) direkt proportional zur mittleren Feuerrate zu sein (Boynton et al. 1996; Heeger et al. 2000; Rees et al. 2000). Die fMRT ist also eine zuverlässige, vergleichsweise einfach anwendbare und vor allem nicht-invasive Untersuchungs-methode, die inzwischen die größte Bedeutung bei der Korrelation von Hirnfunktion und Hirnstruktur beim Menschen erlangt hat.

Individuelle Kartierung visueller Areale beim Menschen

In den letzten Jahren wurde mit Hilfe der fMRT beim Menschen eine Reihe retinotoper und funktionell spezialisierter, visueller Areale im Individuum identifiziert (DeYoe et al. 1994, Sereno et al. 1995, Tootell et al. 1995, Engel et al. 1997). Mit einer Kombination von mehreren Techniken (Mehrschicht fMRT, phasenkodierte visuelle Stimulation, Rekonstruktion der kortikalen Oberfläche und Berechnung der Retinotopie) ist es möglich, die Organisation der visuellen Areale V1, V2, V3, VP und V4 in einem Individuum zu identifizieren und die Grenzen dieser Areale festzulegen (z.B. Tootell et al. 1996, Wandell 1999). Dabei fixiert die Versuchsperson einen zentralen Lichtpunkt während z.B. ein sich exzentrisch ausbreitender Ringstimulus präsentiert wird (Abb. 10, links oben). Dies führt zu einer dynamischen BOLD-Antwort entlang der Exzentrizität retinotoper Areale von foveal nach peripher. Die


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Präsentation eines rotierenden, segmentförmigen Stimulus der über die horizontalen und vertikalen Meridiane des Gesichtsfeldes gleitet (Abb. 10 links, Mitte), führt zu gegenläufigen Aktivierungswellen (Phasenumkehr) an den Grenzen der multiplen retinotopen Repräsentationen. Durch Kombination beider Antwortprofile wird dann die Ausdehnung und Lokalisation retinotoper Areale bestimmbar (Abb. 10 a,b,c). Ähnlich verfährt man bei der Identifikation der Areale für die Bewegungswahrnehmung. Hier wird z.B. die BOLD-Antwort bei Wahrnehmung eines bewegten Ringstimulus (Abb. 10, links unten) gegen die stationäre Variante des Reizmusters kontrastiert, was typischerweise zu einer starken Aktivierung in Area V3A und Area MT/MST führt (z.B. Tootell et al. 1995).

Abb. 10: : Darstellungen der retinotopen Areale in der rechten Hemisphäre mit (a) gefurchtem Kortex, (b) entfaltetem Kortex und (c) „ausgebreitetem“ Kortex. Es sind die Areale V1, V2, V3, V3A, V4, und VP abgrenzbar. Die Reizmuster bewegen sich entweder entlang der Exzentrizität von foveal nach peripher (links oben) oder rotieren über die horizontalen und vertikalen Meridiane des Gesichtsfeldes (links, mitte). Area V3A und MT/MST (V5) lassen sich zusätzlich mit Hilfe eines speziellen Bewegungsstimulus (links unten) nachweisen (modifiziert aus Tootell et al. 1995).


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Zur besseren Korrelation der funktionellen Veränderungen mit den anatomischen Strukturen werden Verfahren zur dreidimensionalen Rekonstruktion anatomischer Daten (Dale & Sereno 1993, Goebel et al. 1998) verwendet. Diese Darstellung ist das Ergebnis einer computergestützten, kortikalen Oberflächenrekonstruktion eines hochauflösenden, drei-dimensionalen, T1-gewichteten kernspintomographischen Datensatzes; sie gibt also die individuelle Furchenzeichnung jedes Probanden wieder. Die funktionellen Daten können auf 3D-Darstellungen der gefurchten (Abb. 10a) bzw. aufgefalteten (Abb. 10b) Kortexoberfläche oder auf einen Ausschnitt einer 2D-Darstellung (Abb. 10c) des Kortex projiziert werden. Der Vorteil einer solchen Darstellungsweise besteht vor allem darin, dass sie den Überblick über mehrere kortikale Aktivierungsorte erleichtert und sich retinotope Aktivierungen dem Betrachter leichter erschließen.

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Wed Sep 18 16:54:41 2002