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MTL4VWM – Medial Temporal Lobe for Visual Working Memory

Ausgangslage und Ziele

Es ist unumstritten, dass der Hippocampus ein notwendiges und zentrales Hirnareal für das Lernen ist und in Zusammenarbeit mit umliegenden Hirnarealen im Medialen Temporallappen neues Wissen und Erfahrungen in das Langzeitgedächtnis einspeichert. Der Hippocampus ist auch ein Hirnareal, welches besonders sensibel ist für prä- und postnatale Schädigungen, z.B. durch Sauerstoffmangel, Blutungen oder Infektionen bei Frühgeburten oder nach chirurgischen Eingriffen bei kongenitalen Herzfehlern (Nosarti, Al-Asady, Frangou, Stewart, Rifkin und Murray 2002; Von Rhein, Buchmann, Hagmann, Huber, Klaver, Knirsch und Latal 2014). Solche perinatalen Schädigungen erhöhen das Risiko für dauerhafte neurologische Störungen und Entwicklungsstörungen und hängen im Schulalter mit Problemen im kognitiven und emotionalen Bereich zusammen.

Die Rolle vom Hippocampus im Arbeitsgedächtnis ist jedoch unklar. Das Arbeitsgedächtnis ist besonders wichtig für kognitive Aufgaben, die das Aufrechterhalten und Manipulieren von Informationen erfordert, wie zum Beispiel im Mathematik- oder Sprachunterricht, wo komplexe Rechenprobleme gelöst oder komplexe Texte verstanden werden sollen. Menschen können nur eine begrenzte Menge von Information im Arbeitsgedächtnis verarbeiten. Diese Kapazität ist bei Schülerinnen und Schülern wiederum prädiktiv für ihre Schulleistungen.

Neuere Erkenntnisse aus der Hirnforschung deuten nun auf eine mögliche Rolle des Medialen Temporallappens im Arbeitsgedächtnis hin, insbesondere dann, wenn gleichzeitig neue Informationen verarbeitet werden sollen. Direkte Evidenz dafür fehlt jedoch. Wir erhoffen uns mit diesem Projekt, neue Erkenntnisse dazu zu gewinnen, die uns helfen zu verstehen wie das Gehirn seine Ressourcen im Medialen Temporallappen nutzt und wie es arbeitet, wenn es zu Überforderung des Arbeitsgedächtnisses kommt

Fragestellung

Welche Funktion hat der Mediale Temporallappen bei der Unterstützung von Arbeitsgedächtnisprozessen bei Individuen mit starkem und schwachem Leistungspotential?

Methodisches Vorgehen

An der Studie nehmen 13 bis 15 Patienten mit einer therapieresistenten Epilepsie teil, welche im Rahmen einer präoperativen Abklärung mit Tiefenelektroden im Medialen Temporallappen am Schweizer Epilepsiezentrum diagnostisch untersucht werden. Die Patienten lösen eine Aufgabe am Laptop während dem ihre hirnelektrische Aktivität von den Nervenzellen abgeleitet wird. Die Aufgabe zeigt zuerst für 800ms 1, 2, 4 oder 6 farbige Rechtecke, die für eine kurze Zeit memoriert werden sollen. Nach einer Pause von 900ms werden entweder die gleichen Vierecke gezeigt oder ein ähnliches Bild mit einer farblichen Abweichung bei einem der Vierecke (Luck und Vogel 1997; Von Allmen, Wurmitzer, Martin und Klaver 2013). Die Patienten werden gebeten per Tastendruck zu entscheiden, ob die Objekte gleich sind oder nicht. Die Aufgaben wiederholen sich mit unterschiedlichen Farben und Positionen der Vierecke. Nach einer kurzen Einführung und etwa 20 Minuten der wiederholten Durchgänge ist die Untersuchung beendet. Wir analysieren die Einzelzellaktivität im Hippocampus, im Entorhinalen Kortex und in der Amygdala mittels Methoden, welche mit denen einer vorherigen Studie vergleichbar sind (Boran, Fedele, Klaver, Hilfiker, Stieglitz, Grunwald und Sarnthein 2019). Die neuronale Aktivität wird mit der Arbeitsgedächtnisbelastung, mit der Leistung und mit der Kapazität des Arbeitsgedächtnisses mittels Cowan’s K (Cowan 2001) in Zusammenhang gebracht.

Ergebnisse

Frühere Studien haben gezeigt, dass bei diesen Aufgaben etwa 4 Objekte korrekt von Erwachsenen erkannt werden können und bei Kindern etwa 3 Objekte (Von Allmen, Wurmitzer, Martin, Klaver 2013, Von Allmen, Wurmitzer, Klaver 2014). Wir erwarten eine geringere Leistung bei den Patienten im Vergleich zu gesunden Erwachsenen. Ausserdem erwarten wir, dass wir mit der Hirnaktivität zeigen können, dass der Mediale Temporallappen wichtig ist beim Behalten von Information im Arbeitsgedächtnis, und dass wir Unterschiede in der Hirnaktivität zwischen Patienten mit guter und schwacher Leistung finden werden. Langfristig sollen diese Erkenntnisse dazu beitragen Leistungsschwächen schneller zu detektieren und vor zu beugen. In der Heilpädagogik können diese Erkenntnisse beitragen zum Verständnis von Ressourcen und Defiziten bei Kindern mit perinatalen Hirnschädigungen.

Referenzen

 

Boran, E., Fedele, T., Klaver, P., Hilfiker, P., Stieglitz, L., Grunwald, T., Sarnthein, J. (2019). Persistent hippocampal neural firing and hippocampal-cortical coupling predict verbal working memory load. Sci Adv, 5:eaav3687.

Cowan, N. (2001). The magical number 4 in short-term memory: a reconsideration of mental storage capacity. Brain Behav Sci 24: 87-185.

Luck, S.J., Vogel, E.K. (1997). The capacity of visual working memory for features and conjunctions. Nature, 390: 279-281.

Nosarti, C., Al-Asady, M.H.S., Frangou, S., Stewart, A.L., Rifkin, L., Murray, R.M. Adolescents who were born very preterm have decreased brain volumes. Brain, 125:1616-1623.

Von Allmen, D.Y., Wurmitzer, K., Martin, E., Klaver, P. (2013). Neural activity in the hippocampus predicts visual short-term memory capacity. Hippocampus, 23:606-615.

Von Allmen, D.Y., Wurmitzer, K., Klaver, P. (2014). Hippocampal and posterior parietal contributions to developmental increase in visual short-term memory capacity. Cortex, 59:95-102.

Von Rhein, M., Buchmann, A., Hagmann, C., Huber, R., Klaver, P., Knirsch, W., Latal, B. (2014). Brain, 137: 268-276.

Fakten

Laufzeit
04/2020-10/2020
Nr.
1_25

Projektleitung

Prof. Dr.  Klaver

Leiter Zentrum Forschung und Entwicklung

Kooperationen

Kontakt

Zentrum Forschung und Entwicklung
Tel: +41 44 317 11 46

zfe[at]hfh.ch zfe