Universität zu Köln

Um sich unserer komplexen und schnelllebigen Umwelt erfolgreich anzupassen, genügt es nicht, unser Verhalten ausschließlich nach Reflexen und kurzfristigen Bedürfnissen auszurichten. Dafür besitzen wir die Fähigkeit zur kognitiven Kontrolle, welche es uns erlaubt, aus kontextuellen und vergangenen Informationen heraus Erwartungen zu formen und somit strategische Entscheidungen zu treffen. Die damit verbundenen Kontrollmechanismen sind eng miteinander verflochten und lassen sich nicht eindeutig abgrenzen, was auf ein zugrundeliegendes Kernsystem hindeutet. Das Verständnis dieser Kontrollhierarchie ist zentral für das Verständnis zahlreicher Krankheitsbilder, die durch dysfunktionale Kontrollmechanismen geprägt sind, wie z.B. die Parkinson-Erkrankung. Um diese zugrundeliegenden Zusammenhänge zu verstehen, haben wir uns auf das Verhältnis zweier theoretisch unterschiedlicher Kontrollaspekte fokussiert: bei ersterem wird Kontrolle verlangt, um sich einem veränderten Ziel anzupassen (Antwort-Reprogrammierung), und bei zweiterem wird Kontrolle benötigt, um eine Ablenkung zu unterdrücken (Konfliktauflösung). Darüber hinaus haben wir untersucht, wie diese beiden Aspekte durch Erwartungen moduliert werden, indem wir die Häufigkeit ihres Vorkommens in einer neuartigen Aufgabe systematisch variierten. Die Integration der verschiedenen Kontrollaspekte in dieser Aufgabe erlaubte es, Interaktionen und Zusammenhänge zu prüfen, welche eine gemeinsame Grundlage nahelegen würden. Wir betrachteten dies aus verschiedenen Blickwinkeln, unter anderem mithilfe von Bildgebungs-Verfahren in einer gesunden Studienpopulation sowie durch elektrophysiologische Daten von Personen mit Parkinson-Erkrankung und Tiefer Hirnstimulation des Nucleus Subthalamicus (THS des STN; Neuromodulation). In Kapitel 2 haben wir Verhaltensparameter untersucht, welche in einer gesunden Studienpopulation auf einen gemeinsamen Kontrollprozess hinter Reprogrammierung und Konfliktauflösung hinweisen würden. In diesem Sinne erwarteten wir, dass die Leistung disproportional stark abnehmen würde, sobald diese Kontrollanforderungen zusammenfielen, was auf Verarbeitungsgrenzen hinsichtlich Inhibition, Flexibilität oder Koordination hinweisen würde. Zusätzlich erwarteten wir eine Verstärkung dieses Effekts, sollten die Anforderungen unerwartet auftreten. Tatsächlich stellten wir disproportionale Fehlerzunahmen fest, sobald Reprogrammierung und Konfliktlösung gleichzeitig und unerwartet auftraten. Dies deutet auf einen Verarbeitungs-„Flaschenhals“ hin, der durch antizipatorische Kontrolle (d. h. Erwartungen) abgeschwächt wird. Dieselbe Aufgabe wurde in einer weiteren gesunden Stichprobe durchgeführt, während die Gehirnaktivität in einem fMRT aufgezeichnet wurde (Kapitel 3). Unser Fokus lag auf gemeinsamen kortikalen Aktivierungen, insbesondere in cingulo-opercularen und fronto- parietalen Kontrollnetzwerken. Auf Verhaltensebene konnten wir die allgemeinen Muster des erwartungsabhängigen “Flaschenhals”-Effektes (Kapitel 2) in der Fehlerrate replizieren, wenn Reprogrammierung und Konfliktlösung gleichzeitig auftraten. Darüber hinaus beobachteten wir cingulo-operculare und fronto-parietale Netzwerkaktivität in beiden Prozessen, die gemeinsame Aktivierung manifestierte sich jedoch in der präsupplementär-motorischen Region (pre-SMA), welche als eine weitere Kernstruktur in der Verhaltenskontrolle dient. Zudem konnten wir eine selektive Aktivierung des rechten inferioren Frontallappens (IFG) nachweisen, wenn Kontrollanforderungen zusammenfielen und zusätzlich unerwartet waren, was mit dem Flaschenhalseffekt bezüglich der Fehlerrate korrelierte. In Kapitel 4 lag der Schwerpunkt auf fronto-subthalamischen Netzwerken und der Rolle des Nucleus Subthalamicus (STN) in diesen Kontrollprozessen, was wir bei Personen mit Parkinson-Erkrankung und THS des STN untersucht haben. Wir zeichneten ein kortikales Elektroenzephalogramm (EEG) und lokale Feldpotenziale (LFPs) des STN auf, um oszillatorische Charakteristika von Inhibition und Flexibilität im Beta-Band zu erfassen, welches diese Kontrollprozesse möglicherweise domänenübergreifend moduliert. Zudem erwarteten wir eine Beeinträchtigung STN-bedingter Kontrollprozesse bei aktiver Stimulation. Auf Verhaltensebene konnten wir tatsächlich eine stimulationsabhängige Zunahme der Fehler in Konfliktsituationen beobachten. Darüber hinaus war die Reprogrammierungs-Anforderung im Vergleich zu einer gesunden Population insgesamt abgeschwächt, was auf eine unzureichende motorische Vorbereitung hindeutete. Auf neuronaler Ebene fanden wir Beta- Charakteristika für Reprogrammierung und Konfliktauflösung, die auf Inhibition und Anpassungsmechanismen in kortikalen Arealen und im STN hinweisen. Des Weiteren erhöhte eine verstärkte Beta-Aktivität im STN die Fehlerwahrscheinlichkeit, und zwar ausschließlich wenn Reprogrammierung und Konflikt zusammenfielen, was auf einen “Flaschenhals”-Effekt für flexible Anpassungen hinweist. Zusammengefasst passen diese Resultate zu einem zugrundliegenden Kontrollmechanismus, welcher von Beta-Dynamiken und dem STN koordiniert wird. Gesamthaft fügen sich unsere empirischen Resultate also in ein Rahmenmodell ein, demzufolge Kontrollprozesse aus Kernregionen in fronto-subthalamischen Netzwerken entstehen und universellen Mechanismen folgen, welche Inhibition und Flexibilität modalitätsübergreifend bestimmen. Abhängig von Art und Ausmaß der Kontrollanforderungen kann dies dazu führen, dass Anpassungskapazitäten limitiert sind, zusätzliche Koordination erfordern und einen „Flaschenhals“-Effekt hervorrufen, so wie er in unseren Studien beobachtet wurde.

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