Studie zeigt, dass Arbeitsgedächtnis durch präfrontalen Kortex und Dopamin angetrieben wird

 

18. Dezember 2012

Eines der einzigartigen Merkmale des menschlichen Geistes ist seine Fähigkeit, seine Ziele und Prioritäten neu zu priorisieren, wenn sich Situationen ändern und neue Informationen entstehen. Dies passiert, wenn Sie eine geplante Kreuzfahrt stornieren, weil Sie das Geld für die Reparatur Ihres kaputten Autos benötigen, oder wenn Sie Ihren morgendlichen Lauf unterbrechen, weil Ihr Handy in Ihrer Tasche klingelt.

Kurz und neue Studie veröffentlicht im Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Forscher der Princeton University, geben an, die Mechanismen entdeckt zu haben, die steuern, wie unser Gehirn neue Informationen verwendet, um unsere bestehenden Prioritäten zu ändern.

Das Forscherteam des Princeton Neuroscience Institute (PNI) verwendeten funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), um Probanden zu scannen und herauszufinden, wo und wie das menschliche Gehirn Ziele neu priorisiert. Es war nicht überraschend, dass die Verschiebung der Ziele im präfrontalen Kortex stattfindet, einer Region des Gehirns, von der bekannt ist, dass sie mit einer Vielzahl von Verhaltensweisen auf höherer Ebene zusammenhängt. Sie beobachteten auch, dass der leistungsstarke Neurotransmitter Dopamin - auch als „Vergnügungschemikalie“ bekannt - eine entscheidende Rolle bei diesem Prozess zu spielen scheint.

Mithilfe eines harmlosen Magnetimpulses unterbrachen die Wissenschaftler die Aktivität im präfrontalen Kortex der Teilnehmer, während sie Spiele spielten, und stellten fest, dass sie nicht in der Lage waren, zu einer anderen Aufgabe im Spiel zu wechseln.

"Wir haben einen grundlegenden Mechanismus gefunden, der dazu beiträgt, dass sich das Gehirn auf eine Aufgabe konzentrieren und dann flexibel auf eine andere Aufgabe umstellen kann", erklärte er Jonathan Cohen, Co-Direktor von PNI und der Universität Robert Bendheim und Lynn Bendheim Thoman Professor für Neurowissenschaften.

"Störungen in diesem System sind von zentraler Bedeutung für viele kritische Störungen der kognitiven Funktion, wie sie beispielsweise bei Schizophrenie und Zwangsstörungen auftreten."

Frühere Untersuchungen hatten bereits gezeigt, dass, wenn das Gehirn neue Informationen verwendet, um seine Ziele oder Verhaltensweisen zu ändern, diese Informationen vorübergehend im Arbeitsgedächtnis des Gehirns abgelegt werden, einer Art Kurzzeitgedächtnisspeicher. Bisher haben die Wissenschaftler jedoch nicht verstanden, welche Mechanismen die Aktualisierung dieser Informationen steuern.

SPIELE VERWENDEN, um Entscheidungen zu treffen

Zusammen mit dem Hauptautor der Studie Kimberlee D'Ardenne von Virginia Tech sowie die Kollegen Neir Eshel, Joseph Luka, Agatha Lenartowicz und Leight Nystrom entwickelten Cohen und sein Team eine Studie, mit der sie das Gehirn ihrer Probanden scannen konnten, während sie ein Spiel spielten. Für das Spiel mussten die Teilnehmer bestimmte Tasten drücken, abhängig von den verschiedenen visuellen Hinweisen. Wenn ihnen der Buchstabe A vor dem Buchstaben X angezeigt wurde, wurden sie aufgefordert, einen Knopf mit der Bezeichnung „1“ zu drücken. Wenn sie jedoch den Buchstaben B vor dem X sahen, mussten sie einen Knopf mit der Bezeichnung „2“ drücken.

In einer früheren Version der Aufgabe wurden die Teilnehmer jedoch zunächst aufgefordert, die 1-Taste zu drücken, wenn sie X sahen, unabhängig davon, welche Buchstaben davor standen. Die A- und B-Regel, die in der zweiten Runde eingeführt wurde, diente als "neue Information", die der Teilnehmer verwenden musste, um sein Ziel zu aktualisieren, zu entscheiden, welcher Knopf gedrückt werden soll.

Bei der anschließenden Untersuchung der fMRI stellten die Forscher eine erhöhte Aktivität im rechten präfrontalen Kortex fest, als die Teilnehmer die komplexere Aufgabe erledigten eine Entscheidung treffen zwischen zwei Schaltflächen basierend auf den visuellen Hinweisen A und B. Dies war jedoch bei der einfacheren Version der Aufgabe nicht der Fall.

Die Ergebnisse von Cohen bestätigen die Ergebnisse seines früheren Forschungsprojekts von 2010, bei dem eine andere Scanmethode zum Messen des Timings der Gehirnaktivität verwendet wurde.

In der aktuellen Studie lieferte das Forscherteam auch kurze magnetische Impulse an die präfrontale Kortikalis, um zu bestätigen, dass dies tatsächlich die Gehirnregion ist, die an der Aktualisierung des Arbeitsgedächtnisses beteiligt ist. Basierend auf der vorherigen Studie lieferten die Wissenschaftler den magnetischen Impuls genau zu dem Zeitpunkt, an dem sie der Ansicht waren, dass der richtige präfrontale Kortex das Gedächtnis aktualisieren sollte. Sie stellten fest, dass sie den richtigen Knopf nicht drücken konnten, wenn sie den Impuls genau 0.15 Sekunden nachdem die Teilnehmer die Buchstaben A oder B gesehen hatten, abgaben. Sie konnten somit den magnetischen Impuls verwenden, um den Speicheraktualisierungsprozess zu stören.

„Wir sagten voraus, dass das Subjekt die Informationen über A und B nicht behalten würde, wenn der Puls an den Teil des rechten präfrontalen Kortex gesendet würde, der mit fMRT beobachtet wurde, und wenn das Gehirn seine Informationen gemäß EEG aktualisiert. Beeinträchtigung seiner Leistung beim Drücken von Knöpfen “, erklärte Cohen.

DOPAMIN ALS GATEKEEPER UNSERER ARBEITSERINNERUNG

Im letzten Teil des Experiments wollte Cohens Team ihre Theorie überprüfen, dass der Neurotransmitter Dopamin für die Markierung neuer Informationen verantwortlich und für die Aktualisierung des Arbeitsgedächtnisses und der Ziele beim Eintritt in den präfrontalen Kortex wichtig ist. Dopamin ist eine natürlich vorkommende Chemikalie, von der bekannt ist, dass sie eine Schlüsselrolle bei einer Reihe von mentalen Prozessen spielt, beispielsweise bei solchen, bei denen es um Motivation und Belohnung geht.

Zu diesem Zweck untersuchte das Team erneut mit dem fMRT eine Region namens Mittelhirn, in der sich spezialisierte Nervenzellen - sogenannte dopaminerge Kerne - befinden, die für die Erzeugung der meisten Dopaminsignale des Gehirns verantwortlich sind. Die Forscher verfolgten die Aktivität dieser Dopamin emittierenden Nervenzellen, während die Teilnehmer die Aufgaben ausführten, und stellten eine signifikante Korrelation zwischen der Gehirnaktivität in diesen Bereichen und im rechten präfrontalen Kortex fest.

"Das Bemerkenswerte war, dass die Dopaminsignale sowohl mit dem Verhalten unserer Freiwilligen als auch mit ihrer Gehirnaktivität im präfrontalen Kortex korrelierten", erklärte Cohen.

"Diese Konstellation von Befunden liefert starke Beweise dafür, dass die dopaminergen Kerne es dem präfrontalen Kortex ermöglichen, an Informationen festzuhalten, die für die Aktualisierung des Verhaltens relevant sind, nicht jedoch an Informationen, die nicht relevant sind."

Professor David Badre von der Brown University, ein Spezialist für kognitive, linguistische und psychologische Wissenschaften, ist der Ansicht, dass die Arbeit von Cohens Team einen großen Schritt nach vorn darstellt, um zu verstehen, wie unser Gehirn sein Arbeitsgedächtnis aktualisiert.