Neue Studie identifiziert Gehirnzentren zur Aufmerksamkeitskontrolle

Neue Studie identifiziert Gehirnzentren zur Aufmerksamkeitskontrolle
Neue Studie identifiziert Gehirnzentren zur Aufmerksamkeitskontrolle
Anonim

DURHAM, N.C. – Indem die Versuchspersonen gebeten wurden, ihre Aufmerksamkeit auf bestimmte Bereiche im Raum zu lenken, während ihr Gehirn mit MRI gescannt wurde, haben Forscher Gehirnregionen kartiert, die in der hochrangigen neuronalen Kontrolle der Aufmerksamkeit aktiv sind. Wie eine anfängliche Satellitenerkundung von neuem Terrain stellt diese erste Kartierung einen wichtigen Schritt zum Verständnis der detaillierten Topographie und Funktion von Gehirnregionen dar, die an der hochrangigen „exekutiven“Kontrolle der Aufmerksamkeit beteiligt sind.

Die Forscher berichteten über ihre Ergebnisse in einem Artikel in der March Nature Neuroscience.Sie sind Postdoktorand Joseph Hopfinger und außerordentlicher Professor Michael Buonocore von der University of California in Davis sowie George R. Mangun, Professor für kognitive Neurowissenschaften und Psychologie an der Duke University. Ihre Forschung wurde vom National Institute of Mental He alth, dem Human Frontier Science Program und der National Science Foundation gefördert.

Laut Mangun könnte ein grundlegendes Verständnis der Aufmerksamkeitskontrolle Einblicke in die Pathologie solcher Probleme wie Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS), Schizophrenie und Aufmerksamkeitsstörungen nach Hirnschäden durch Schlaganfall liefern. Ein solches Verständnis könnte auch Messungen der therapeutischen Aktivität medikamentöser Behandlungen bei der Verbesserung der Aufmerksamkeitsfunktion ermöglichen.

"Bevor wir verstehen können, wie sich solche Patienten in ihrer Aufmerksamkeitskontrolle unterscheiden, müssen wir wissen, wie der Prozess normalerweise funktioniert", sagte Mangun, Direktor des Duke Center for Cognitive Neuroscience.„Mit diesem Ergebnis legen wir wichtige Grundlagen, um die an der Aufmerksamkeitskontrolle beteiligten Bereiche abzubilden und letztendlich ihre rechnerische Struktur zu verstehen.“

Mangun fügte hinzu, dass die Untersuchung einer solchen "exekutiven Kontrolle" im Gehirn eine wichtige neue Richtung für die kognitive Neurowissenschaft darstellt, die sich oft hauptsächlich darauf konzentriert hat, wie das Gehirn sensorische Eingaben während der Aufmerksamkeit verarbeitet.

Mangun und seine Kollegen verwendeten eine Analysetechnik, die als "ereignisbezogene funktionelle MRT" bekannt ist, um Gehirnregionen zu unterscheiden, die während der Aufmerksamkeitskontrolle aktiv sind. Die MRT verwendet harmlose Magnetfelder, um das Gehirn abzubilden und Regionen mit erhöhtem Blutfluss zu erkennen, die eine erhöhte Aktivität von Gehirnzellen, den sogenannten Neuronen, widerspiegeln.

In ihren Experimenten setzten die Forscher Probanden in ein MRT-Gerät und ließen sie auf einen Pfeil achten, der auf einem Videobildschirm auftauchte. Je nachdem, ob der Pfeil nach links oder rechts zeigte, sollten sie nach einer Pause ihre Aufmerksamkeit, ohne die Augen zu bewegen, auf ein Schachbrett links oder rechts des Pfeils richten.Ihre Aufmerksamkeit g alt der Aufgabe, festzustellen, ob das schwarz-weiße Schachbrett irgendwelche grauen Quadrate enthielt.

Durch die Integration der Ergebnisse einer großen Anzahl solcher Versuche stellten die Wissenschaftler fest, dass bestimmte diskrete Hirnareale des Kortex während der Aufmerksamkeitsaufgaben ausnahmslos Aktivität zeigten. Die wichtigsten dieser Bereiche sind der obere frontale, der untere parietale und der obere temporale Kortex. Der Kortex ist die dünne Schicht des Gehirngewebes, die über dem Gehirn liegt und für die Integration sensorischer und motorischer Informationen und für eine höhere Gehirnfunktion verantwortlich ist.

Während frühere Studien des Gehirns Regionen des Kortex in die Aufmerksamkeitskontrolle verwickelt hatten, sagte Mangun, hatten die Studien nicht zwischen dem Akt der willentlichen Ausrichtung der Aufmerksamkeit und der anschließenden selektiven Verarbeitung sensorischer Eingaben, die beachtet oder ignoriert wurden, unterschieden.

"Wir wollten unterscheiden zwischen den neuronalen Netzwerken, die aktiviert werden, wenn Sie jemandem zunächst sagen, dass er auf etwas achten soll, und denen, die an der Verarbeitung dessen beteiligt sind, was als Ergebnis passiert", sagte Mangun.„So konnten wir in unserer Studie unterscheiden, welche Hirnregionen am initialen Aufmerksamkeitsbefehl beteiligt sind, von der Ausrichtung der Aufmerksamkeit auf einen räumlichen Ort.“

"Es ähnelt der Unterscheidung im motorischen System des Gehirns zwischen dem, was passiert, wenn eine Person sich entscheidet, nach einem Objekt zu greifen, und den darauffolgenden neuronalen Signalen, um die Muskelkontraktion zu aktivieren, um tatsächlich die Hand auszustrecken."

Laut Mangun musste das Experiment aufgrund einer leichten Verzögerung zwischen erhöhter neuronaler Aktivität und der Änderung des Blutflusses, die sich auf MRT-Scans zeigen würde, so konzipiert werden, dass die beiden Aufgaben zeitlich deutlich voneinander getrennt werden.

"Wenn Sie Änderungen des Blutflusses messen, wie wir es bei der Neurobildgebung tun, kann die Reaktion des Blutflusses auf den Hinweis innerhalb von Sekunden erfolgen. Wenn die Präsentation des Hinweises und des Ziels nur durch Millisekunden getrennt sind, ist dies der Fall sehr schwierig, die Antworten zu unterscheiden."

Eine solche Verzögerung bedeutete, dass selbst bei einer 10-sekündigen Trennung der Elemente des Experiments eine sorgfältige Analyse des Anstiegs und Abfalls der „hämodynamischen Reaktion“immer noch notwendig war, um die Gehirnregionen, die streng an der Aufmerksamkeit beteiligt waren, eindeutig aufzudecken Steuerung.

Mangun betonte, dass die neuen Erkenntnisse nur den Anfang der Bemühungen darstellen, die an der Aufmerksamkeitskontrolle beteiligten Gehirnregionen zu definieren. Weitere Experimente werden leistungsstärkere funktionelle MRT-Techniken verwenden, um die aktiven Regionen mit höherer Auflösung abzubilden, wie z. B. die Unterscheidung von immer feineren Objekten in Satellitenbildern.

Die Forscher planen auch, die MRT-Kartierung mit einer komplementären Technik der elektrischen Aufzeichnung von Gehirnwellen während Aufmerksamkeitsaufgaben zu kombinieren, eine Methode, über die erstmals 1994 von Mangun und seinen Kollegen berichtet wurde. Während eine solche elektrische Aufzeichnung aktive Regionen des Gehirns nicht unterscheiden kann ebenso wie die MRT kann es eine weitaus genauere Messung des Timings der Aktivität der Gehirnregion ermöglichen.

"Nun können wir die aktiven Gehirnregionen unterscheiden, aber wir müssen im Detail verstehen, welche zuerst, zweitens und drittens aktiv sind", sagte er. „Unser Ziel ist es, die verschiedenen beteiligten mentalen Operationen zu unterscheiden, um letztendlich den detaillierten Berechnungsprozess der Aufmerksamkeit zu verstehen."

Laut Mangun sind auch neue Experimente im Gange, die die Natur der Aufmerksamkeitsaufgabe variieren; z. B. auf Farbe statt auf räumliche Lage achten. Solche Experimente sollten weitere Einblicke in die grundlegenden Gehirnmechanismen der Aufmerksamkeitskontrolle geben.

Das Mangun-Papier war eines von zwei sich ergänzenden Papieren zur Aufmerksamkeitskontrolle, die in der Ausgabe von Nature Neuroscience veröffentlicht wurden. Das andere Papier war von Maurizio Corbetta und Kollegen an der Washington University School of Medicine in St. Louis. In diesem Bericht testeten die Autoren die Idee, dass die Verbindung zwischen den temporalen und parietalen Bereichen eine Rolle bei der Neuausrichtung der Aufmerksamkeit auf Reize an unerwarteten Orten spielt; und dass eine andere Region, die als intraparietaler Sulcus bezeichnet wird, an der willkürlichen Orientierung und Aufrechterh altung der Aufmerksamkeit an cued-Locations beteiligt ist.

Während beide Arbeiten die beiden Hauptkomponenten der Aufmerksamkeit untersuchten – die Kontrollprozesse der Aufmerksamkeit von oben nach unten und die daraus resultierenden Modulationen der Wahrnehmungsverarbeitung – isolierte und demonstrierte die Arbeit von Mangun die beiden Komponenten.

In einem News and Views-Artikel über das Papier schrieben die Co-Autoren Roger Tootell und Nouchine Hadjhikhani vom Massachusetts General Hospital: „… diese beiden Papiere demonstrieren die Leistungsfähigkeit neuer Bildgebungstechniken, um komplexe kognitive Operationen in ihre Teilschritte aufzulösen, und die an jedem Schritt beteiligten Strukturen aufzudecken.

"Sie werden wahrscheinlich viele zukünftige Studien anregen, und durch die Kombination immer besserer Bildgebungsmethoden mit anderen Ansätzen wie Patientenstudien und der Physiologie nichtmenschlicher Primaten können wir hoffen, ein neues Verständnis dafür zu gewinnen, wie das Gehirn steuert die Aufmerksamkeit."

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