Dorsolateraler präfrontaler Kortex, Arbeitsgedächtnis und prospektive Handlungskodierung

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Dorsolateraler präfrontaler Kortex, Arbeitsgedächtnis und prospektive Handlungskodierung

Die Rolle des dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) bei der Verhaltenskontrolle ist nach wie vor ein kontroverses Thema. Die Entdeckung anhaltender neuronaler Entladungen in den Neuronen des DLPFC von Affen während des Retentionsintervalls von Delayed-Response-Aufgaben (DR) legt nahe, dass diese Region an der Online-Aufrechterhaltung und -Verarbeitung von Informationen (d. h. am Arbeitsgedächtnis) beteiligt ist. Funktionelles Neuroimaging des DLPFC zeigte, dass die Aktivität in dieser Region nicht notwendigerweise während der gesamten Verzögerungszeit einer gedächtnisgesteuerten räumlichen Delayed-Response-Aufgabe auftritt, sondern nur zum Zeitpunkt der Antwortauswahl (Rowe et al., 2000). Darüber hinaus tritt verzögerungsbezogene Aktivität im DLPFC nur dann auf, wenn eine Antwort zu Beginn des Verzögerungsintervalls ausgewählt werden kann (Pochon et al., 2001).

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse schlugen Rowe et al. (2000) eine Rolle des DLPFC für die Auswahl von Repräsentationen für bevorstehende Handlungen und nicht für die Speicherung sensorischer Informationen vor. Diese Interpretation deckt sich mit Studien zur funktionellen Magnetresonanztomographie und zur transkraniellen Magnetstimulation, die zeigen, dass der DLPFC auch an Aufgaben zur Handlungsauswahl beteiligt ist, die keine strikte Arbeitsgedächtniskomponente haben. Diese selektionsabhängige Aktivität scheint stärker zu sein, wenn Probanden eine Handlung frei wählen, als wenn sie auf explizite Bewegungshinweise reagieren. Darüber hinaus zeigt der DLPFC eine große Flexibilität in Bezug auf die Art der Informationen, die verarbeitet werden können. Obwohl der DLPFC bei Selektionsaufgaben unabhängig von der Modalität aktiv ist, hängt die effektive Konnektivität (d.h. der Einfluss der Aktivität in einer Region auf die Aktivität in einer anderen Region) zwischen dem DLPFC und posterioren Hirnarealen von der Art der verarbeiteten Informationen und von den Aufgabenanforderungen ab (Egner und Hirsch, 2005; Rowe et al., 2005). Diese Neuroimaging-Studien deuten darauf hin, dass der dorsolaterale präfrontale Kortex an der Handlungsauswahl beteiligt sein und eine spezifische Rolle bei der Top-down-Kontrolle der neuronalen Aktivität in Regionen spielen könnte, die aufgabenrelevante Repräsentationen verarbeiten. Diese bildgebenden Studien befassen sich jedoch nicht mit der tatsächlichen neuronalen Verarbeitung innerhalb dieser Region.

Eine neurophysiologische Studie von Procyk und Goldman-Rakic (2006), die kürzlich im Journal of Neuroscience veröffentlicht wurde, ergänzt die Ergebnisse der bildgebenden Verfahren und liefert weitere Informationen. In ihrem Experiment wurden Makakenaffen aufgefordert, zwei räumliche Aufgaben zu lösen. Bei der ersten Aufgabe, der DR-Aufgabe, wurde den Affen eine von vier räumlichen Positionen vorgegeben und sie mussten nach einer Verzögerungszeit, in der es keinen visuellen Input gab, eine Bewegung in Richtung des vorgegebenen Ziels ausführen. Diese Aufgabe entspricht dem klassischen „delayed-response“-Paradigma. Bei der zweiten Aufgabe, der Problemlösungsaufgabe (PS), wurde den Affen nicht mitgeteilt, welches der Ziele in einem bestimmten Versuch benötigt würde. Um belohnt zu werden, musste der Affe stattdessen die richtige Antwort durch Versuch und Irrtum ermitteln („Suchphase“). Nach dem Lösen der Aufgabe musste die richtige Sequenz dreimal wiederholt werden (Wiederholungsphase). Diese Aufgabenkombination ermöglichte es den Autoren, das anhaltende neuronale Feuern in räumlich selektiven DLPFC-Neuronen während der „Standard“-Verzögerungszeit einer DR-Aufgabe und während der Zeit zwischen der Leistungsrückmeldung und der Vorbereitung der nächsten Antwort während der Such- und Wiederholungsphase der PS-Aufgabe zu vergleichen.

Die räumliche Selektivität der kaudalen DLPFC-Neuronen, die verzögerungsbezogene Aktivität ausdrücken, wurde während der Wiederholungszeit der PS-Aufgabe bestimmt. Von den räumlich abgestimmten Zellen behielt die Mehrheit ihre räumliche Selektivität über Aufgaben (PS und DR) und Phasen (Suche und Wiederholung) hinweg bei. Um herauszufinden, ob das verzögerte Feuern dieser Neuronen die Kodierung des vergangenen Ortes widerspiegelt, zu dem sich der Affe bewegt hat, oder ob es den Ort der bevorstehenden Bewegung kodiert, wurde die Aktivität während der Suchversuche entsprechend den vorherigen oder bevorstehenden Antworten analysiert. Die räumliche Selektivität der neuronalen Antworten war nur im Fall von bevorstehenden Antworten vorhanden, was darauf hindeutet, dass eher eine prospektive Kodierung der bevorstehenden Bewegung als eine retrospektive Kodierung von Informationen vorherrscht.

Dieses Ergebnis passt gut zur selektionsabhängigen Aktivierung des DLPFC (Rowe et al., 2000) und erklärt die verzögerungsbedingte Aktivierung, die bei Aufgaben mit verzögerter Antwort berichtet wurde. Darüber hinaus war das neuronale Feuern im DLPFC während der Suchphase stärker als während der Wiederholungsphase der PS-Aufgabe am Ende und zwischen den Versuchen, ähnlich wie die erhöhte DLPFC-Aktivität, die in bildgebenden Studien zur freien Auswahl von Handlungen gefunden wurde.

Während der PS-Aufgabe wurde die Aktivität der Population unmittelbar nach falschen Antworten in der ersten Phase der Verzögerungsperiode, als eine neue Antwort ausgewählt werden musste, zunehmend räumlich selektiver. Die räumliche Selektivität verstärkte sich bis zum ersten richtigen Versuch, wenn der Affe die richtige Antwort identifiziert hatte. Diese Modulation der DLPFC-Aktivität durch den Zeitraum der Aufgabe veranlasste Procyk und Goldman-Rakic zu der Annahme, dass „die adaptiven Eigenschaften der präfrontalen Verzögerungsaktivität die grundlegenden Mechanismen widerspiegeln sollten, durch die sie verbundene Strukturen beeinflussen“ (Procyk und Goldman-Rakic, 2006). Auch dieses Ergebnis ergänzt Neuroimaging-Studien, in denen eine stärkere Kopplung zwischen dem DLPFC und posterioren Hirnregionen während der freien Auswahl von Informationen beobachtet werden kann, wenn die für die Auswahl erforderliche Regel unbekannt ist (Rowe et al., 2005). Um die richtigen Informationen für die jeweilige Aufgabe auszuwählen, interagiert der DLPFC mit anderen aufgabenspezifischen Arealen, die spezifische reizbezogene Informationen verarbeiten, wodurch die Verarbeitung in den posterioren Arealen möglicherweise auf die jeweilige Aufgabe abgestimmt wird.

Obwohl die Ergebnisse der vorliegenden Studie recht gut mit früheren bildgebenden Studien übereinzustimmen scheinen, sind die genauen Mechanismen, die für die Zunahme der effektiven Konnektivität sowie die Entwicklung der neuronalen Aktivität in den posterioren Zielgebieten verantwortlich sind, noch unbekannt. Es wäre interessant, auf neurophysiologischer Ebene zu sehen, wie sich die neuronale Aktivität während Problemlösungsaufgaben für nicht-räumliche Hinweise verändert und wie sich Zellen in präfrontalen und posterioren Bereichen im Laufe des Verhaltens synchronisieren. Da sich Procyk und Goldman-Rakic (2006) auf eine räumliche Aufgabe konzentrierten, wäre es eine logische Fortsetzung, diese Prozesse bei nicht-menschlichen Primaten unter Verwendung anderer Stimuli und anderer Stimulusmodalitäten zu untersuchen. Die Experimente von Procyk und Goldman-Rakic (2006) bieten einen Baustein für solche Studien.