Neurobiological mechanisms of response inhibition in humansTitle: Modulation of response inhibition: a combined TMS-fMRI study in healthy individuals
Final Report Abstract
Ein wichtiger Aspekt bei der Kontrolle von Willkürbewegungen ist die Unterdrückung von motorischen Handlungen, die entweder unangebracht oder sogar gefährlich sind. Dieses spielt eine besondere Rolle bei Routinehandlungen, da hier eine sehr gut gelernte und einstudierte Handlung oft schnell und effektiv unterdrückt werden muss. Von hoher Wichtigkeit ist in vielen Lebenssituationen neben der Unterdrückung von unangebrachten Handlungen aber auch die Einleitung von Handlungen, die in der jeweiligen Situation angebrachter als die routinemäßig durchgeführte Handlung ist. Zwei Hirnregionen sind besonders kritisch in diese kognitiven Kontroll prozesse involviert: das präsupplementärmotorische Areal (pra-SMA) und der rechte inferiore frontale Gyrus (IFG). Methodisch kam in dem beantragten Projekt ein kombinierter Ansatz zur Anwendung: Zunächst wurde die spezifische Funktion der prä-SMA bei gesunden Versuchspersonen mit Hilfe eines repetitiven TMS(Transkranielle Magnetstimulation)-Protokolls (rTMS) zeitlich begrenzt beeinträchtigt. Anschließend erfolgte die Messung der veränderten neuronalen Aktivitäts- und Konnektivitätsmuster mit Hilfe von funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT), während die Versuchspersonen eine Experimentalaufgabe durchführten, bei der einerseits Routinehandlungen mit der rechten Hand unterdrückt und andererseits alternative, nicht-routinemäßige Handlungen durchgeführt werden sollten. Wir konnten mit unseren Untersuchungen bestätigen, dass die erfolgreiche Unterdrückung von Handlungsimpulsen durch ein präfrontal-subkortikales Netzwerk vermittelt wird. Die rTMS des prä-SMA führte zu einer spezifischen Suppression der Aktivität im Bereich des linken Putamens. Es ließen sich auf Gruppenebene keine Hirnareale nachweisen, die nach rTMS der prä-SMA eine stärkere Aktivierung als Ausdruck einer kompensatorischen Reaktion aufwiesen, obwohl die rTMS auf Verhaltensebene keinen Einfluss auf die Unterdrückung von vorbereiteten Handlungstendenzen hatte. Da die Effizienz von Handlungshemmung jedoch individuell unterschiedlich ist, haben wir im nächsten Schritt eine Kovarianzanalyse durchgeführt, um nach verhaltensbezogenen neuronalen Korrelaten der Handlungshemmung zu fahnden. Bei Analyse der individuellen Verhaltensdaten zeigte sich, dass Versuchspersonen mit einer verminderten Aktivität des rechten (kontralateralen) Putamens nach rTMS Defizite in der Hemmung von geplanten Routinehandlungen aufwiesen. Umgekehrt gelang es denjenigen Versuchspersonen mit einer stabilen Aktivierung des rechten Putamens, einer Verschlechterung der Handlungshemmung entgegenzuwirken. Unsere Ergebnisse unterstützen frühere Arbeiten, in denen gezeigt wurde, dass die erfolgreiche Handlungshemmung wesentlich von der Funktionstüchtigkeit des rechten Putamens abhängt. In einem weiteren Ansatz wurde mit Hilfe einer Konnektivitätsanalyse gezeigt, dass auch die Verbindung von pra-SMA zum Nucleus subthalamicus eine Schlüsselrolle für die Implementierung von effizienter Handlungshemmung in das motorische System innehat. Unsere Ergebnisse sprechen dafür, dass der ultraschnelle hyperdirekte Hemmungsweg mit seinen monosynaptischen Verbindungen von kortikalen Arealen zum Nucleus subthalamicus falsche Antworttendenzen schnell und wirksam unterdrücken kann. Wie erwartet wurde bei Durchführung nicht-routinemäßiger Handlungen ein ausgedehntes prämotorisch-parieto-subkortikales Netzwerk aktiviert. Wir konnten nachweisen, dass der linke Gyrus supramarginalis (SMG) eine Schlüsselposition bei dem Wechsel von einer Routinehandlung auf eine Nicht-Routinehandlung einnimmt: Versuchspersonen mit einer verminderten Aktivierung des linken SMG nach rTMS wiesen eine erhöhte Fehlerrate bei Durchführung nicht-routinemäßiger Handlungen auf. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass der SMG eine entscheidende Rolle in der effektiven Suppression von routinemäßig geplanten, aber inadäquaten oder fehlerhaften motorischen Reaktionen einnimmt. Damit konnten frühere Arbeiten bestätigt und ergänzt werden, die dem SMG eine wichtige Rolle in der online-Kontrolle von Bewegungen einschließlich der raschen Aktualisierung von motorischen Programmen zugeschrieben haben. In der sich anschließenden Konnektivitätsanalyse gab es Hinweise dafür, dass die selektive Auswahl des gewünschten motorischen Programms im Bereich des Putamens stattfindet. Das beantragte Projekt konnte einen wesentlichen Beitrag zum aktuellen Verständnis der neurobiologischen Grundlagen menschlicher Handlungskontrolle leisten. Bei der erfolgreichen Unterdrückung von Handlungsimpulsen wurde die Rolle des kontralateralen Putamens hervorgehoben. Dem Gyrus supramarginalis kann hingegen eine wichtige Rolle in der online-Kontrolle von Bewegungen zugeschrieben werden.
Publications
- Transkranielle Magnetstimulation bei Amyotropher Lateralsklerose. Neurophysiol. Lab. (2013)
Brüggemann N, Siebner HR
(See online at https://dx.doi.Org/10.1016/j.neulab.2013.05.001)
