Konstanz, Univ., Diplomarb., 2001.

Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2009.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: Hannover, Tierärztliche Hochsch., Diss., 2009

In der vorliegenden Habilitationsschrift wurde eine Serie von Studien zusammengefasst, die menschliches räumliches Arbeitsgedächtnis, den "Visuospatialen Skizzenblock", untersucht haben. Dieses Kurzzeitgedächtnissystem ist häufig im Rahmen von Erkrankungen des frontalen Kortex und seiner mit ihm verbundenen Hirnareale, z.B. dem Morbus Parkinson, dem Morbus Alzheimer oder der Schizophrenie, beeinträchtigt und für einen relevanten Teil der kognitiven Defizite dieser Patienten verantwortlich. Wir untersuchten sowohl Gesunde als auch Patienten mit fokalen Läsionen des Gehirns mit Varianten des "Gedächtnissakkaden"-Paradigmas, einem etablierten okulomotorischen Verfahren zur Untersuchung von Raumgedächtnis. Es wurden sowohl behaviorale Aspekte von Arbeitsgedächtnis als auch mögliche anatomische Substrate dieses Gedächtnissystems sowie zeitstabilerer "Langzeit"-Gedächtnissysteme untersucht. Ziel war es, klarere Korrelationen zwischen messbarem Verhalten einerseits und Anatomie/Physiologie von Raumgedächtnis andererseits zu etablieren. Wir konnten erstmals zeigen, dass menschliches räumliches Arbeitsgedächtnis selektiv für aktuelles Verhalten relevante Wahrnehmungsinhalte repräsentiert. Der Zugang verhaltensirrelevanter Rauminformationen zu räumlichem Arbeitsgedächtnis wird offenbar durch effiziente (Aufmerksamkeits-) Filtermechanismen verhindert. Für die Existenz solcher Filtermechanismen gab es bislang nur elektrophysiologische Belege im Tiermodell. Da die Speicherkapazität von Arbeitsgedächtnis gering ist, erlauben diese Filtermechanismen möglicherweise einen effizienteren Umgang mit der Fülle und Komplexität unserer Umwelt. Umgekehrt lässt die in unserem Experiment sichtbar gewordene enge Verzahnung von Arbeitsgedächtnis und Aufmerksamkeit die Hypothese zu, dass eine gestörte Arbeitsgedächtniskapazität sowohl durch eine primäre Beeinträchtigung der Speichermechanismen selbst als auch durch Störungen der attentionalen Kontrolle derselben zustande kommen kann. Des weiteren konnten wir erstmals zeigen, dass menschliches räumliches Arbeitsgedächtnis eine klare Zeitgrenze hat, die für einzelne räumliche items bei ungefähr 20 Sekunden liegt. Jenseits dieser Zeitgrenze scheint eine vom Arbeitsgedächtnis unabhängige Raumrepräsentation für menschliches Verhalten bedeutsam zu werden. Der Begriff "Arbeitsgedächtnis" sollte also für Gedächtnisaufgaben reserviert bleiben, deren Gedächtnisphase 20 Sekunden nicht überschreitet. Unsere Befunde zeigen weiterhin, dass bei ansonsten konstantem Design einer Gedächtnisaufgabe, die Dauer der Gedächtnisphase bereits wesentlich darüber entscheidet, welches Gedächtnissystem untersucht wird. Die von uns durchgeführten Läsionsstudien an Patienten und neurophysiologischen Studien an Gesunden bestätigen, dass räumliches Arbeitsgedächtnis durch ein Netzwerk kortikaler Areale kontrolliert wird, das unter anderem den Dorsolateralen Präfrontalen Kortex, den Posterioren Parietalen Kortex und das Frontale Augenfeld umfasst. Innerhalb dieses Netzwerks nehmen diese Areale jedoch klar verschiedene kognitive Partialfunktionen wahr. Der Dorsolaterale Präfrontale Kortex und der Posteriore Parietale Kortex scheinen in erster Linie der Repräsentation von Raum in perzeptuellen Koordinaten, d.h. einem räumlichen "Wahrnehmungsbild" zu dienen, mit einer nur kurzfristigen Rolle des Posterioren Parietalen Kortex und einer dominierenden Rolle des Dorsolateralen Präfrontalen Kortex während der Gedächtnisphase einer Arbeitsgedächtnisaufgabe. Das Frontale Augenfeld scheint der Repräsentation von Raum in okulomotorischen Koordinaten zu dienen, d.h. der kurzzeitigen Speicherung einer geplanten okulomotorischen Antwort auf einen räumlichen Wahrnehmungsinhalt. Schließlich sprechen unsere Ergebnisse dafür, dass es mit dem Wechsel von Arbeitsgedächtnis zu einer zeitstabileren Raumrepräsentation bei Gedächtnisphasen von mehr als 20 Sekunden Länge auch zu einem Wechsel der anatomischen Substrate von Raumgedächtnis kommt. Die von uns durchgeführten Läsionsstudien zeigen, dass jenseits der Zeitgrenzen von räumlichem Arbeitsgedächtnis neokortikale Areale des Medialen Temporallappens eine aktive Rolle für Raumgedächtnis spielen. Hier konnten wir erstmals zeigen, dass der menschliche Parahippokampale Kortex eigenständige und vom Hippokampus unabhängige Raumgedächtnisfunktionen wahrnimmt. Möglicherweise ist diese Region das Substrat eines intermediären Gedächtnissystems zwischen räumlichem Arbeitsgedächtnis und Hippokampus-abhängigem Langzeitgedächtnis. Es wird ferner deutlich, dass in einer Gedächtnisaufgabe allein durch die Wahl verschiedener Dauern der Gedächtnisphase verschiedene anatomische Substrate von Gedächtnis untersucht werden können. Die in dieser Habilitationsschrift zusammengefassten Studien zeigen am Beispiel des räumlichen Arbeitsgedächtnisses, dass es möglich ist, mit einfachen physiologischen Paradigmen Gedächtnissysteme am Menschen zu untersuchen. Bestimmte mnestische Subfunktionen lassen sich mit den hier verwandten Paradigmen präzise quantifizieren und bestimmten Hirnregionen zuordnen. Wir glauben, dass dieser methodische Ansatz sowohl eine präzisere Diagnostik von kognitiven Defiziten bei Hirnerkrankungen erlaubt, als auch die Möglichkeit eröffnet, die Therapie von Gedächtnisstörungen effektiv zu kontrollieren. / This publication summarizes a series of experimental studies examining spatial working memory, the "visuospatial scratch pad", in humans. This short-term memory system is frequently affected in disorders involving the frontal cortex and connected subcortical structures, e.g. in Parkinson's disease, Alzheimer's disease or schizophrenia. Healthy human subjects and patients with focal cerebral lesions were tested with a series of "memory-guided saccade" paradigms, i.e. oculomotor spatial memory tasks. We examined both behavioural aspects and possible anatomical substrates of spatial working memory and more stable "long-term" memory systems. Our aim was to clarify the relationship between behavioural measures of spatial memory and its neuronal substrates. In a first experiment, we were able to show that visuospatial working memory selectively represents behaviourally relevant information. Access of irrelevant visuospatial information to working memory appears to be prevented by efficient attentional filters. Facing the limited storage capacity of spatial working memory, these filters may allow for successful behaviour in perceptually complex environments. Furthermore, the tight coupling of spatial attention and spatial working memory allows for the conclusion, that spatial working memory deficits in patients may likewise result from deficient storage systems and deficient attentional control. In a second experiment, we were able to demonstrate a clear temporal limit of about 20 seconds for spatial working memory. Beyond this temporal limit, an independent and more stable spatial memory system, less susceptible to the passage of time, becomes behaviourally relevant. Thus, the term "working memory" should be confined to spatial memory tasks where the memory delay does not exceed 20 seconds. In addition, these results show that selection of a certain memory delay in a given spatial memory task is a decisive factor when examining spatial memory systems. A third series of lesion studies in patients and neurophysiological experiments in healthy subjects confirmed that cortical control of spatial working memory involves dorsolateral prefrontal cortex, posterior parietal cortex and frontal eye field. Within this network, the dorsolateral prefrontal cortex and posterior parietal cortex appear to store spatial information in perceptual coordinates, with a transient role of the posterior parietal cortex at the very beginning of the memory delay and a dominating role of the dorsolateral prefrontal cortex for most of the delay. By contrast, the frontal eye field appears to store spatial information in oculomotor coordinates, i.e. to maintain a prepared eye movement to a remembered target location across a delay. A fourth series of lesion studies in patients showed that spatial memory for delays longer than 20 seconds is controlled by anatomical substrates distinct from those controlling spatial working memory. Beyond the temporal limits of spatial working memory, neocortical regions of the medial temporal lobe appear to contribute significantly to spatial memory. Within these neocortical regions, the parahippocampal cortex may carry spatial memory functions independent of the hippocampal formation and distinct from spatial working memory. We propose that this region is the neuronal substrate of an intermediate memory system, linking spatial working memory and spatial long-term memory both functionally and anatomically. Moreover, these results show that selection of a certain memory delay in a given spatial memory task is a decisive factor when examining neuronal substrates of spatial memory. Taken together, our experiments show that human memory can effectively be investigated with simple physiological paradigms. Spatial memory functions can precisely be quantified with oculomotor paradigms and related to defined anatomical substrates. This approach may allow for precise diagnosis of cognitive deficits and efficient monitoring of treatment of memory disorders.

Ausgehend von den primärsensorischen Arealen verlaufen Verarbeitungswege nach anterior durch die Temporallappen, die der Objekterkennung dienen. Besonders die vorderste Spitze der Temporallappen, der anteriore Temporalkortex, wird mit Funktionen der Objektidentifizierung assoziiert. Es existieren jedoch mehrere Vermutungen, welcher Art die Objekte sind, die in dieser Region verarbeitet werden. Es gibt Annahmen über die Verarbeitung von Sprache, von menschlichen Stimmen, semantischen Informationen oder individuellen Konzepten. Um zwischen diesen Theorien zu differenzieren, wurden vier ereigniskorrelierte fMRT-Messungen an jungen gesunden Erwachsenen durchgeführt. Die Probanden hörten in drei Experimenten die Stimmen berühmter und unbekannter Personen und in einem der Experimente zusätzlich Geräusche von Tieren und Musikinstrumenten. Im vierten Experiment wurden Zeichnungen von Comicfiguren gezeigt sowie von Tieren und Obst- und Gemüsesorten. Die neuronale Aktivität bei der Verarbeitung dieser Reize im Vergleich zu Zeiten ohne Stimulation wurde mit Hilfe von Interesseregionen untersucht, die nahezu die gesamten Temporallappen abdeckten und diese in jeweils zwölf Areale untergliederten. In den anterioren Temporallappen waren sowohl mit auditiven als auch mit visuellen Stimuli deutliche Aktivierungsunterschiede in Abhängigkeit von der semantischen Kategorie festzustellen. Individuelle Konzepte (menschliche Stimmen und Zeichentrickfiguren) riefen eine signifikant stärkere Aktivierung hervor als kategoriale Konzepte (Tiere, Musikinstrumente, Obst- und Gemüse). Außerdem war das Signal, dass durch die Stimmen der bekannten Personen ausgelöst wurde, deutlich stärker als das Signal der unbekannten Stimmen. Damit sind die Daten am ehesten kompatibel mit der Annahme, dass die anterioren Temporallappen, bekannte individuelle Konzepte verarbeiten. Da die beschriebenen Signalunterschiede zwischen den verschiedenen Bedingungen ausgehend von den transversalen Temporalgyri nach anterior zum Temporalpol zunahmen, unterstützen die Ergebnisse zudem die Theorie von einem ventralen Verarbeitungsweg, der die Temporallappen nach anterior durchquert und zur Objekterkennung beiträgt. In Übereinstimmung mit den Annahmen der Konvergenzzonentheorie von A. R. Damasio scheint die spezifische Funktion dieses rostral gerichteten Verarbeitungsweges aus der sukzessiven Kombination immer mehr sensomotorischer Merkmale von Objekten zu bestehen. Da bekannte individuelle Konzepte eine besonders hohe Anzahl von Merkmalen aufweisen, ist eine weiter nach anterior verlaufende Verarbeitung zu beobachten als bei unbekannten oder kategorialen Konzepten. / It is assumed that neural pathways run from the primary sensory cortices through the temporal lobes towards their poles crossing areas necessary for object recognition. Especially the most anterior temporal parts were associated with processes contributing to the identification of objects. Yet, there is little agreement on the kinds of objects that are interpreted by the anterior temporal lobes. For example, there are assumptions regarding linguistic processing, voice recognition, the processing of general semantic information or the identification of unique entities. In order to differentiate between those theories, four event-related fMRI experiments were performed in healthy young adults. In three experiments, the subjects heard the voices of famous and unknown persons. In addition, characteristic sounds of animals and musical instruments were presented in one of these experiments. During the fourth experiment, drawings of famous cartoon characters were shown together with animals and fruit & vegetables. The neural activity in response to these stimuli compared to rest was analyzed using a regions-of-interest approach. 12 regions-of-interest that covered the majority of the temporal lobes were defined in each hemisphere. Both with auditory and visual stimuli, there were clear activation differences between the semantic categories in the anterior temporal lobes. Unique entities (human voices and cartoon characters) evoked a significantly stronger signal than categorical concepts (animals, musical instruments, fruit & vegetables). Furthermore, the signal in response to voices of familiar persons was significantly higher than to unfamiliar voices. Thus, the results are most compatible with the assumption that the anterior temporal lobes process supramodal features of familiar unique entities. As the before-mentioned signal differences between unique and categorical concepts and between familiar and unfamiliar voices increased from the transversal temporal gyri towards the temporal poles, the results support the notion of a ventral processing pathway running rostrally through the temporal lobes. In accordance with the convergence zone theory described by A.R. Damasio, the precise function of that pathway seems to consist in the incremental combination of sensorimotor concept features. Since familiar unique entities possess an especially high number of features, their processing was found to be directed into more anterior portions of the temporal lobe than the perception of unfamiliar or categorical concepts.

No description available.

Nach dem Prinzip synchronisierter Reimwörter wurde ein deutscher dichotischer Hörtest entwickelt und erprobt (Fused Words, FW10b). Die Reliabilitätskennwerte lagen für die innere Konsistenz bei alpha=0,89 und für die Re-Test-Reliabilität im Bereich von r-tt=0,67 bis r-tt=0,87. Der dichotische Test korrelierte hoch mit einem Paralleltest (r=.73, FW12k). In mehreren Untersuchungen fand sich keine Assoziation des dichotischen Lateralisationsergebnisses mit dem Hormonzyklus bei Frauen. Zwischen der Klassifikation im Wada-Test und der Klassifikation im dichotischen Test wurde eine hohe prozentuale Übereinstimmung beobachtet (91%). Auch in einer externen Studie wurde eine hohe Konkordanz mit einem fMRT Paradigma gefunden (97%, Hund-Georgiadis et al 2002). Unter Rechtshändern hatten 70% einen Rechts-Ohr-Vorteil, 23% einen Links-Ohr-Vorteil; bei 7% wurde kein Ohr-Vorteil beobachtet. Es bestand eine hohe Assoziation zwischen dem Lateralitätsquotient der Händigkeit und dem Lateralitätsindex Lambda aus dem dichotischen Test (R=0,76, r=0,72). Bei epilepsiechirurgischen Kandidaten mit links- oder rechtsseitigen Temporallappenläsionen, die alle durch einen Wada-Test als unilateral links-hemisphärisch sprachdominant kategorisiert worden waren, wurden Läsionseffekte analysiert (Hippocampus-Sklerose vs. extra-hippocampale Läsionen). Wie erwartet ergaben sich massive Läsionseffekte für die Patienten mit den Läsionen in der linken sprachdominanten Hemisphäre. In der linken extra-hippocampalen Untergruppe kam es zu einer signifikanten Abnahme der Rechts-Ohr-Punkte und gleichzeitig zu einem signifikanten Anstieg der Links-Ohr-Punkte. Die Einbeziehung von neokortikalen und anderen extra-hippocampalen Strukturen in die temporalen Läsionen war von entscheidender Bedeutung für die Unterdrückung der Antworten vom kontralateralen (rechtsseitigen) Ohr. Die Zunahme der Links-Ohr-Punkte in der Gruppe mit linksseitigen extra-hippocampalen Läsionen deutet eine kompensatorische Verlagerung von Sprachfunktionen auf die rechte Hemisphäre an, die durch den Wada Test nicht erfasst wurde. / Following the principle of synchronized rhyming words a German dichotic listening test was developed and tested (fused words, FW10b). Reliability coefficients for the inner consistency were at alpha=0,89 and for the re-test-reliability between r-tt=0,67 and r-tt=0,87. The dichotic test FW10b was highly correlated with a parallel test (r=.73, FW12k). None of several studies did show any association between the dichotic language lateralization and the hormonal cycle in women. A high percentage of agreement was observed between the Wada classification and the classification by the dichotic test (91%). Furthermore Hund-Georgiadis et al. (2002) found a high percentage of concordance with the lateralization by a fMRI paradigm in an external study (97%). Among right-handers 70% showed a right ear advantage, 23% had a left ear advantage, and 7% had no ear advantage. There was a high association between the laterality quotient of the handedness inventory and the laterality index Lambda of the dichotic listening test FW10b (R=0.76, r=0.72). Lesion effects were analyzed in epilepsy surgical candidates with left and right temporal lobe lesions (hippocampus sclerosis vs. extra-hippocampal lesions), who were all categorized as left-hemispheric language dominant by a Wada-test. As expected, massive lesion effects were apparent in those patients who had their lesions in the left language dominant hemisphere. In the subgroup with left extra-hippocampal lesions there was a significant decrease of right-ear-points and at the same time a significant increase of left-ear-points. The involvement of neocortex and other extra-hippocampal structures in temporal lobe lesions were of crucial importance for the suppression of contralateral (right) ear responses. The elevation of left-ear-points in the left-lateral group indicated a partial compensational shift of language functions to the right hemisphere, which was not detected by the Wada procedure.

Die flexible Anwendung von Wissen in neuen Alltagssituationen ist eine notwendige kognitive Fähigkeit. Bisherige Studien betonen die zentrale Rolle des Hippocampus beim Lernen und Verknüpfen neuer Informationen mit bereits vorhandenem Wissen. Die funktionelle Integrität des Hippocampus ändert sich jedoch im Laufe des Lebens bzw. wird durch neuropsychiatrische Erkrankungen häufig beeinflusst. Die betroffenen Personen müssen deswegen adaptive Strategien entwickeln, um behaviorale Ziele weiter zu erreichen. Daher befasst sich meine Doktorarbeit mit Adaptationsprozessen im sich entwickelnden Gehirn und im vollständig entwickelten Gehirn mit einer hippocampalen Dysfunktion. Diese Synopsis umfasst dazu drei Studien: (1) zu behavioralen Strategien im sich entwickelnden Gehirn, (2) zu behavioralen Strategien im vollständig entwickelten Gehirn nach einer Läsion und (3) zu strukturellen Veränderungen im vollständig entwickelten Gehirn nach einer Läsion. Studie 1 zeigt einen altersgebundenen Wechsel beim assoziativen Gedächtnis: Kinder, Jugendliche und junge Erwachsene benutzen verschiedene Gedächtnisstrategien beim Integrieren von Gedächtnisinhalten. Studie 2 zeigt, dass die beobachteten Gedächtnisbeeinträchtigungen bei Patienten mit rechtsseitigen hippocampalen Läsionen sich nicht alleine durch ein Defizit des assoziativen Gedächtnisses erklären lassen, sondern auf einen zusätzlichen hippocampalen Beitrag zur Gedächtnisintegration zurückzuführen sind. Studie 3 zeigt, dass sich postoperative Adaptationsprozesse auf struktureller Ebene in überraschend kurzer Zeit ereignen und dass die strukturelle Reorganisation nicht nur im Hippocampus, sondern auch in entfernteren Hirnregionen, die mit dem Hippocampus verbunden sind, stattfindet. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der drei Studien, dass Adaptationsprozesse im sich entwickelnden Gehirn sowie bei Erwachsenen mit einer hippocampalen Dysfunktion sowohl auf der behavioralen als auch auf der strukturellen Ebene auftreten. / Applying knowledge flexibly to new situations is a cognitive faculty that is necessary in every-day life. Previous findings emphasise the crucial role the hippocampus plays in learning and linking new information with pre-existing knowledge. However, the functional integrity of the hippocampus changes over the lifespan and is frequently affected by neuropsychiatric disorders. The affected subjects must, therefore, develop adaptive strategies to achieve behavioural goals. Thus, my doctoral thesis deals with adaptation processes in the developing brain and in adult brains with a hippocampal dysfunction. This synopsis encompasses three studies on: (1) behavioural strategies in the developing brain, (2) behavioural strategies in the lesioned fully developed brain, and (3) structural changes in the lesioned fully developed brain. Study 1 suggests an age-related shift in the associative memory: Children, adolescents, and young adults use different memory strategies when integrating information. Study 2 suggests that the memory deficits observed in patients with right-sided hippocampal lesions are not merely a consequence of an impaired associative memory but rather result from an additional hippocampal contribution to the memory integration. Study 3 suggests that postoperative structural adaptation processes occur on a surprisingly short time-scale, and this structural reorganisation happens not only in the hippocampus but also in distant brain areas connected to the hippocampus. In conclusion, findings from these three studies show that adaptation processes in the developing brain and in adult brains with hippocampal dysfunction occur on both the behavioural and the structural level.