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

Humboldt-Universität zu Berlin


Habilitationsschrift
Systemphysiologische Untersuchungen zur Bedeutung des frontalen und parietalen Kortex für visuelle Leistungen beim Menschen

zur Erlangung der Lehrbefähigung
für das Fach
Neurologie

vorgelegt dem Fakultätsrat der Medizinischen Fakultät Charité

von Herrn Dr. med Stephan A. Brandt,
geboren am 12. April 1966 in Wuppertal

Präsident: Prof. Dr. rer. nat. J. Mlynek

Dekan: Prof. Dr. J.W. Dudenhausen

eingereicht am: 20. April 2001

Tag der letzten Prüfung: 4.12.2001

Gutachter:
Prof. Dr. A. C. Ludolph
Prof. Dr. M. Fahle

Zusammenfassung

Es wird eine Reihe systemphysiologischer Untersuchungen zusammengefasst, die sich mit höheren visuellen Funktionen beim Menschen befassen. Mit Hilfe von Augenbewegungsmessungen, Kortexstimulation und funktioneller Kernspintomographie werden die kortikalen Strukturen und physiologischen Mechanismen untersucht, die sich mit der kortikalen Integration von visuellen, mnestischen, attentionalen und motorischen Verarbeitungsprozessen befassen.

Im den folgenden Abschnitten werden die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst:

1. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass Augenbewegungen während der visuellen Vorstellung explorierenden Augenbewegungen bei der Wahrnehmung entsprechen. Dies entspricht der Voraussage, dass Augenbewegungen bei visueller Vorstellung Ausdruck eines konstruktiven Prozesses der aufmerksamkeitsgesteuerten sensomotorischen Integration von Teilbildern und deren Position im Raum sind. Es wurde vorgeschlagen, dass die visuelle Vorstellung als ein konstruktiver Prozess zu verstehen sei, der unter Beteiligung des Dorsolateralen Präfrontalen Kortex (DLPFC) (Arbeitsgedächtnis) und parietaler (Raumwahrnehmung) und temporaler visueller Areale (Objektwahrnehmung) einzelne Teilbilder zu einem Vorstellungsbild zusammensetzt.

2. In weiteren Studien wurden zeitliche, strukturelle und behaviorale Aspekte des visuellen Arbeitsgedächtnisses untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das visuelle Arbeitsgedächtnis beim Menschen durch ein Netzwerk kortikaler Areale kontrolliert wird, das unter anderem den Posterior Parietalen Cortex (PPC) und den DLPFC umfasst. Erstmals wurde die selektive Störbarkeit dieser Areale durch transkranielle Kortexstimulation demonstriert und gezeigt, dass die Areale verschiedene kognitive Partialfunktionen wahrnehmen, die zu bestimmten Zeitpunkten des Gesamtprozesses wichtig sind. In weiteren Verhaltensexperimente wurde festgestellt, dass das visuelle Arbeitsgedächtnis selektiv die Wahrnehmungsinhalte repräsentiert, die für aktuelle Entscheidungen relevant sind.

3. Funktionell-kernspintomographische Untersuchungen hatten zum Ziel, die anatomischen Strukturen zu identifizieren, die bei bestimmten Formen der selektiven visuellen Aufmerksamkeit relevant sind. Es wurde die Rolle des Frontalen Augenfeldes (FEF) und des PPC in Paradigmen untersucht, in denen Augenbewegungen durch Fixation unterdrückt waren. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass das FEF bei der visuellen Selektion im Rahmen einer Suchaufgabe mit Merkmalsverknüpfung aktiviert wird und nicht nur für die Kontrolle von Augenbewegungen, sondern auch für Prozesse der Aufmerksamkeitssteuerung verantwortlich ist. Im PPC konnten auf Grund differentieller Aktivierungsniveaus funktionelle Subregionen identifiziert werden und gezeigt werden das der PPC entgegen gängiger kognitionspsychologischen Modellvorstellungen eine aktive Rolle bei der visuellen Suche mit Merkmalsverknüpfung spielt.

4. Im letzten Teil der Arbeit wird der Versuch geschildert, visuelle Kortexareale als Teil eines okzipito-parieto-frontalen Netzwerkverbundes bildgebend darzustellen. Mit artifizieller Reizung des visuellen Kortex durch transkranielle Kortexstimulation und gleichzeitiger fMRT, gelang es neben einer lokalen BOLD-Antwort auch Ferneffekte in visuellen und visuo-motorischen Arealen zu induzieren. Die beteiligten anatomischen Strukturen entsprechen jenen, für die auf Grund von tierexperimentellen Untersuchungen funktionell relevante Verbindungen unterstellt werden. Dies ist ein weitere Schritt, um beim Menschen mit nicht-invasiven Methoden zerebrale Konnektivität untersuchen zu können.

Die Erforschung von Struktur- und Funktionsbeziehungen höherer Leistungen des Sehsystems haben eine klinische Relevanz für die topische Diagnostik und Rehabilitation umschriebener Hirnläsionen. Dabei reicht es nicht einzelne Hirnfunktionen bestimmten Arealen zuzuordnen, sondern Hirnfunktionen als konzertierte Aktion verbundener Areale zu begreifen.

Abstract

The general aim of this collection of published papers was to identify the neuroanatomical basis and functional mechanisms realizing the integration of sensory, attentional, mnestic and motor components during different visuo-motor response tasks (visual imagery, visual-working memory, attentive tracking, visual search) and to interpret the results in the context of cerebral connectivity.

The main findings are:

1. Scanpaths, defined as repetitive sequences of fixations and saccades were found during visual imagery and viewing. Positions of fixations were distributed according to the spatial arrangement of subfeatures in the diagrams. For a particular imagined diagrammatic picture, eye movements were closely correlated with the eye movements recorded while viewing the same picture. Thus eye movements during imagery are not random but reflect the content of the visualized scene.

2. Investigating the role of the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) and the posterior parietal cortex (PPC) in memory-guided saccades in humans, it was found that repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) (20 Hz, 0.5 s) interferes temporarily with cortical activity in DLPFC and PPC during different intervals of the delay period. It was concluded that within this network the DLPFC is mainly concerned with the mnemonic representation and the PPC with the sensory representation of spatially defined perceptual information.

3. Comparison of functional magnetic resonance imaging data (fMRI) between attentive tracking and attention shifting revealed essentially identical activation patterns involving parietal, temporal and frontal cortical regions. This suggests that parietal cortex is involved not only in discrete shifts of attention between objects at different spatial locations, but also in continuous "attentional pursuit" of moving objects. Taken together, these data suggest that attentive tracking is mediated by a network of areas which includes (a) parietal and frontal regions responsible for attention shifts and eye movements and (b) the MT complex, thought to be responsible for motion perception.

4. Using fMRI in human subjects to investigate the functional neuroanatomy of attentional mechanisms employed during conjunction search it was found that the frontal eye field, the ventral precentral sulcus and several posterior parietal regions were consistently activated. Results suggested an involvement of the human frontal eye field in covert visual selection of potential targets during search and also provided evidence for a subdivision of posterior parietal cortex in multiple areas participating in covert visual selection, with a major contribution of the posterior intraparietal sulcus.

5. Using fMRI to investigate local and distant cerebral activation induced by transcranial electrical stimulation in order to non-invasively map functional connectivity in the human visual system distant coactivation in subcortical (lateral geniculate nucleus), cortical visual (striate and extrastriate) and visuomotor areas (frontal and supplementary eye fields) were found. This pattern of activation resembled a network of presumably interconnected visual and visuomotor areas. We conclude that combining transcranial electrical stimulation of neural tissue with simultaneous fMRI offers the possibility to study non-invasively cerebral connectivity in the human brain.

In general the results support the concept of a highly integrated cortico-cortical network of multiple frontal and parietal areas controlling partially overlapping subtask involved in directed attention, visuo-spatial working memory, eye movements and visual feature detection.

Schlagwörter:
Visuelles System, Aufmerksamkeit, funktionelle Kernspintomographie, transkranielle Kortexstimulation

Keywords:
visual system, attention, functional magnetic resonance imaging, transcranial cortex stimulation


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Inhaltsverzeichnis

TitelseiteSystemphysiologische Untersuchungen zur Bedeutung des frontalen und parietalen Kortex für visuelle Leistungen beim Menschen
1 Einleitung
1.1Bedeutung des Themas in den kognitiven Neurowissenschaften
1.2Bedeutung des Themas für die Medizin
2 Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten
2.1Sensomotorische Interaktion bei visueller Wahrnehmung
2.1.1Die „scanpath" Theorie der visuellen Wahrnehmung
2.1.2Das Konzept des visuellen Arbeitsgedächtnisses
2.1.3Selektive visuelle Aufmerksamkeit
2.2Struktur und Funktion des visuellen Systems
2.2.1Historisches
2.2.2Von der Retina zum Kortex
2.2.3Kortikale Verarbeitung visueller Informationen
2.2.4Visuomotorische Interaktion und ein fronto-parietales Netzwerk
2.3Methoden zur Untersuchung funktioneller Neuroanatomie
2.3.1Transkranielle Kortexstimulation
2.3.2Funktionelle Kernspintomographie
3 Fragestellungen und Experimente
3.1Visuelle Vorstellung
3.1.1Hintergrund und Fragestellungen
3.1.2Ergebnisse und Diskussion
3.2Visuelles Arbeitsgedächtnis
3.2.1Hintergrund und Fragestellungen
3.2.2Ergebnisse und Diskussion
3.3Selektive visuelle Aufmerksamkeit
3.3.1Hintergrund und Fragestellungen
3.3.2Ergebnisse und Diskussion
3.4Zerebrale Konnektivität im visuellen System
3.4.1Hintergrund und Fragestellungen
3.4.2Ergebnisse und Diskussion
4 Originalarbeiten
4.1Visuelle Vorstellung
4.2Visuelles Arbeitsgedächtnis
4.3Selektive visuelle Aufmerksamkeit
4.4Cerebrale Konnektivität im visuellen Systems
5 Zusammenfassung
Bibliographie Literatur
Abkürzungsverzeichnis Abkürzungen
Danksagung
Lebenslauf
Selbständigkeitserklärung

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Scanpath-Theorie
Abb. 2: Der Wahrnehmung-Aktions-Zyklus nach Fuster (1989)
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).
Abb. 4: Retinale Ganglienzellen
Abb. 5: Corpus geniculatum laterale
Abb. 6: Primärer visueller Kortex (V1).Das Prinzip der Eigenschaftsextraktion am Beispiel der Orientierungskolumnen.
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
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)
Abb. 9: In Medline geführte Publikationen mit transkranieller Magnetstimulation
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).
Abb. 11: Vergleich der „scanpaths“ bei Exploration und visueller Vorstellung von abstrakten Reizmustern (Beispiel aus Bandt und Stark 1997)
Abb. 12: Mittlere Fehler der Amplitude und Richtung von gedächtnisgesteuerten Sakkaden nach rTMS über dem DLPFC im Vergleich zu einer Kontrollstimulation über dem motorischen Kortex (Beispiel aus Brandt et al. 1998)
Abb. 13: Vergleich zwischen Konjunktionssuche und „pop-out“ Suche. (A) Ergebnisse der Gruppenanalyse projiziert auf ein „Standardhirn“; (B) Posteriore und Lateralansicht der aufgefalteten Kortexoberfläche eines Probanden mit Aktivierung in LIP, PreCeS, CeSe, PostCeS, STS und FusG. (C) Ausschnitt aus dem PPC von drei weiteren Probanden mit individuellen Aktivierungen, die konsistent drei Subregionen (AIPS, PIPS, IPTO) einschließen (Beispiel aus Donner et al. 2001; Abkürzungen siehe Anhang).
Abb. 14: Aktivierungsmuster eines Probanden bei „attentive tracking“ von visuellen Reizen mit gleitenden Bewegungen (oben) und diskreten Sprüngen (unten) (Beispiel aus Culham et al. 1998, Abkürzungen siehe Anhang).
Abb. 15: Transkranielle elektrische Stimulation (TES) über dem visuellen Kortex der rechten Hemisphäre während fMRT. Darstellung der aufgefalteten Kortexoberfläche (A,B) mit TES induzierter Aktivität unter der Stimulationselektrode in V3A und Koaktivierungen im Corpus geniculatum laterale (LGN), in V1 sowie in multiplen extrastriären, posterior parietalen und frontalen Arealen (Beispiel aus Brandt et al. 2001).

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Wed Sep 18 16:54:41 2002