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Der mediale Temporallappen für das visuelle Arbeitsgedächtnis

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 (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 kognitiven und emotionalen Problemen 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 während komplexen Rechenoperationen im Mathematikunterricht. Das menschliche Arbeitsgedächtnis kann nur eine begrenzte Menge von Information verarbeiten. Diese Kapazität (=Arbeitsgedächtniskapazität) ist bei Schülerinnen und Schülern prädiktiv für ihre Schulleistungen (Gathercole, Pickering, Knight, und Stegmann 2004).

Neuere Erkenntnisse aus der Hirnforschung deuten auf eine mögliche Rolle des medialen Temporallappens im Arbeitsgedächtnis hin, insbesondere dann, wenn gleichzeitig neue Informationen verarbeitet werden sollen (z.B. Von Allmen, Wurmitzer, Martin und Klaver 2013). Direkte Evidenz dafür fehlt jedoch da Patientenstudien und Studien mit bildgebenden Verfahren nicht genau genug sind (Jonides, Lewis, Nee, Lustig, Berman und Moore 2008). Mit diesem Projekt liefern wir neue Erkenntnisse, die uns helfen zu verstehen wie das Gehirn seine Ressourcen im medialen Temporallappen für Arbeitsgedächtnisprozesse nutzt und wie es unter Überforderung des Arbeitsgedächtnisses arbeitet.

Fragestellung

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

Methodisches Vorgehen

An der Studie nahmen 13 Patientinnen und Patienten mit einer therapieresistenten Epilepsie teil, welche im Rahmen einer präoperativen Abklärung mit Tiefenelektroden im medialen Temporallappen am Schweizer Epilepsiezentrum diagnostisch untersucht wurden. Die Patienten lösten eine visuell-räumliche Arbeitsgedächtnisaufgabe während dem ihre hirnelektrische Aktivität von den Nervenzellen abgeleitet wurde. Die Aufgabe bestand darin farbige Quadrate für eine kurze Zeit zu memorieren (initiale Präsentationsdauer = 800 ms). Nach einer kurzen Verzögerung von 900ms, wurde bei einer erneuten Präsentation der Quadrate mittels Tastendruckes bestätigt, ob es sich um das gleiche Arrangement handelte oder ob die Farbe eines Quadrats änderte (Luck und Vogel 1997; Von Allmen, Wurmitzer, Martin und Klaver 2013). Die Aufgaben wiederholten sich mit unterschiedlichen Farben und Positionen der Quadrate, und mit unterschiedlicher Arbeitsgedächtnisbelastung (1, 2, 4 und 6 Quadrate). Es gab 48 Aufgaben pro Arbeitsgedächtnisbelastungsbedingung. Wir analysierten 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 wurde mit Verhaltensdaten (Accuracy und der Arbeitsgedächtniskapazität nach Cowan’s K (Cowan 2001)) in Zusammenhang gebracht.

Ergebnisse

Frühere Studien mit der gleichen Aufgabe zeigten eine Arbeitsgedächtniskapazität von ungefähr 4 Quadrate bei Erwachsenen und 3 Quadrate bei Kindern (von Allmen, Wurmitzer, Martin, Klaver 2013, von Allmen, Wurmitzer, Klaver 2014). Bei Patienten fanden wir wie erwartet mit einer Arbeitsgedächtniskapazität von 3 Objekten eine geringere Leistung im Vergleich zu gesunden Erwachsenen. In drei Regionen des medialen Temporallappens (Hippocampus, entorhinaler Kortex und Amygdala) fanden wir Neuronen, die eine erhöhte Aktivität während dem Behalten visueller Information im Arbeitsgedächtnis zeigten. Ein Teil dieser Neuronen im Hippocampus und im entorhinalen Kortex zeigte eine erhöhte Aktivität mit ansteigender Arbeitsgedächtnisbelastung. Es gab mehr Neuronen im Hippocampus bei Aufgaben die korrekt gelöst wurden, als bei Aufgaben, die nicht korrekt gelöst wurden. Und es gab mehr dieser Neuronen bei Patienten mit eine geringe Arbeitsgedächtnisleistung als bei Patienten mit einer hohen Arbeitsgedächtnisleistung. Zudem war die Aktivität im medialen Temporallappen während der Phase des Behaltens (kurze Verzögerung), insbesondere bei Menschen mit einer geringen Arbeitsgedächtniskapazität prädiktiv für die Arbeitsgedächtnisbelastung (4 und 6 > 1 und 2 Quadrate).

Diskussion und Ausblick

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der mediale Temporallappen zur Kompensation einer Überbelastung beim Lösen von Arbeitsgedächtnisaufgaben eingesetzt wird. Eine Möglichkeit ist, dass Personen mit einer geringen Arbeitsgedächtniskapazität eine andere Gedächtnisstrategie benutzen, in der der mediale Temporallappen eingesetzt wird. Zukünftige Studien sollten untersuchen, ob sich diese Form von Kompensation auf die Ressourcenverteilung oder Fehlerart auswirkt. In der Heilpädagogik können diese Erkenntnisse zum Verständnis von Ressourcen und Defiziten bei Kindern mit geringer Arbeitsgedächtniskapazität beitragen.

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.

Gathercole, S.E., Pickering, S.J., Knight, C., and Stegmann, Z. (2004). Working memory skills and educational attainment: evidence from national curriculum assessments at 7 and 14 years of age. Applied Cognitive Psychology 18, 1-16.

Jonides, J., Lewis, R.L., Nee, D.E., Lustig, C.A., Berman, M.G., und Moore, K.S. (2008). The mind and brain of short-term memory. Annu Rev Psychol, 59: 193-224.

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