Wie das Gehirn neue Informationen in die Zielsetzung einfügt
Mithilfe von Gehirnscans menschlicher Freiwilliger stellten Forscher des Princeton Neuroscience Institute (PNI) fest, dass die Aktualisierung der Ziele im präfrontalen Kortex stattfindet und anscheinend Signale enthält, die mit der chemischen Dopamin des Gehirns assoziiert sind. Als die Forscher einen magnetischen Impuls verwendeten, um die Aktivität in dieser Region des Gehirns zu unterbrechen, konnten die Freiwilligen nicht zu einer neuen Aufgabe wechseln, wenn sie ein Spiel spielten, bei dem sie einen Knopf drücken mussten, nachdem Buchstaben auf einem Bildschirm auftauchten.
"Wir haben einen grundlegenden Mechanismus gefunden, der dazu beiträgt, dass sich das Gehirn auf eine Aufgabe konzentrieren und dann flexibel zu einer anderen Aufgabe wechseln kann", sagte Jonathan Cohen, Ph.D., Co-Direktor von PNI. "Beeinträchtigungen in diesem System sind von zentraler Bedeutung für viele kritische Störungen der kognitiven Funktion, wie sie beispielsweise bei Schizophrenie und Zwangsstörungen beobachtet werden."
Cohen erklärte, dass bestehende Untersuchungen gezeigt haben, dass wenn neue Informationen zum Aktualisieren einer Aufgabe, eines Verhaltens oder eines Ziels verwendet werden, diese Informationen in einer Art Kurzzeitgedächtnisspeicher gespeichert werden, der als Arbeitsspeicher bekannt ist. Die Forscher wussten jedoch nicht, welche Mechanismen bei der Aktualisierung dieser Informationen beteiligt waren.
Um dies herauszufinden, verwendete Cohens Forscherteam die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), um das Gehirn von Freiwilligen zu scannen, die ein Spiel spielten, bei dem sie abhängig von einem bestimmten visuellen Hinweis einen bestimmten Knopf drückten.
Wenn der Freiwillige den Buchstaben A sah, bevor er den Buchstaben X sah, musste er Knopf 1 drücken. Wenn der Freiwillige jedoch den Buchstaben B sah, bevor er X sah, musste der Teilnehmer Knopf 2 drücken. A und B dienten als die neue Information, die die Person verwendet hat, um ihr Ziel zu aktualisieren, zu entscheiden, welche Taste gedrückt werden soll. Bei einer anderen Version der Aufgabe mussten dieselben Teilnehmer die Taste 1 drücken, wenn sie ein X sahen, unabhängig davon, ob ein A oder ein B angezeigt wurde.
Mit dem fMRT erkannten die Forscher Aktivitäten im rechten präfrontalen Kortex bei Aufgaben, bei denen sich die Teilnehmer vor dem Drücken der richtigen Taste daran erinnern mussten, ob sie ein A oder ein B sahen, jedoch nicht bei Aufgaben, bei denen der Teilnehmer die Taste nur drücken musste, wenn er dazu aufgefordert wurde von einem X.
Diese Ergebnisse bestätigten die Ergebnisse einer früheren von Cohen durchgeführten Studie, in der eine andere Scanmethode verwendet wurde, um den Zeitpunkt der Gehirnaktivität zu messen. Mithilfe der Elektroenzephalographie (EEG) stellten die Forscher fest, dass der präfrontale Kortex 150 Millisekunden nach dem Betrachten des Buchstabens A oder B durch die Teilnehmer einen Anstieg der elektrischen Aktivität des Gehirns aufwies.
Für die neue Studie haben die Forscher gezeigt, dass der präfrontale Kortex tatsächlich der Bereich des Gehirns ist, der an der Aktualisierung des Arbeitsgedächtnisses beteiligt ist, indem ein kurzer Magnetimpuls an die Region gesendet wird. Dieser Puls störte die Kortexaktivität genau zu dem Zeitpunkt - wie das EEG ergab - und die Forscher vermuteten, dass der präfrontale Kortex das Arbeitsgedächtnis aktualisierte.
Als die Forscher den Puls etwa 150 Millisekunden, nachdem die Freiwilligen das A oder B gesehen hatten, auf die rechte Seite des präfrontalen Kortex einführten, konnten die Teilnehmer die richtigen Tasten nicht drücken, sagte Cohen.
„Wir haben vorausgesagt, dass das Subjekt die Informationen über A und B nicht behalten würde, wenn der Puls an den Teil des rechten präfrontalen Kortex abgegeben würde, der mit fMRT beobachtet wurde, und zu dem Zeitpunkt, an dem das Gehirn seine Informationen gemäß EEG aktualisiert. Beeinträchtigung seiner Leistung bei der Knopfdruckaufgabe “, sagte Cohen.
Schließlich untersuchten die Forscher ihre Theorie, dass Dopamin - eine natürlich vorkommende Chemikalie, die an Motivation und Belohnung beteiligt ist - neue Informationen, die in den präfrontalen Kortex gelangen, als wichtig für die Aktualisierung des Arbeitsgedächtnisses und der Ziele markiert.
Cohen und sein Team bildeten eine Gehirnregion namens Mittelhirn ab, die Cluster von Nervenzellen enthält, die als dopaminerge Kerne bezeichnet werden und die Quelle der meisten Dopaminsignale im Gehirn sind.
Mit hochauflösendem fMRI untersuchten die Forscher die Aktivität dieser Dopamin freisetzenden Zellen im Gehirn von Freiwilligen, die am Spiel beteiligt waren. Die Forscher fanden heraus, dass die Aktivität in diesen Bereichen mit der Aktivität im rechten präfrontalen Kortex und mit der Fähigkeit der Freiwilligen korrelierte, die richtigen Tasten zu drücken.
"Der bemerkenswerte Teil war, dass die Dopaminsignale sowohl mit dem Verhalten unserer Freiwilligen als auch mit ihrer Gehirnaktivität im präfrontalen Kortex korrelierten", sagte 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, jedoch nicht an Informationen, die dies nicht sind."
Die Studie wurde von der veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Quelle: Princeton University
