Funktionelle Neuroanatomie der Aufmerksamkeit. PD Dr. phil. Helmut Hildebrandt Klinikum Bremen-Ost Universität Oldenburg

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1 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate Mid dle temp poral us Anter Mid iorcingu lefrontal lategyru s Supe Inferlobul iorpariet us al Funktionelle Neuroanatomie der Aufmerksamkeit PD Dr. phil. Helmut Hildebrandt Klinikum Bremen-Ost Universität Oldenburg

2 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Definition und Epidemiologie von Aufmerksamkeitsstörungen Störungen von Aufmerksamkeitsfunktionen zählen zu den häufigsten neuropsychologischen Beeinträchtigungen nach erworbenen Hirnschädigungen. Sie sind bei ca. 80 % der Patienten, die einen Schlaganfall, ein Schädelhirntrauma oder eine andere Erkrankung des ZNS erleiden, zu beobachten. In einer eigenen Studie fanden wir bei einer engeren Definition der Aufmerksamkeit als psychomotorische Verlangsamung und als Unfähigkeit, sich auf zwei Reize gleichzeitig zu konzentrieren, ungefähr 45 % der Patienten beeinträchtigt. Patienten mit isolierten visuo-räumlichen Aufmerksamkeitsstörungen oder isolierten Störungen des Arbeitsgedächtnisses sind in dieser Zahl nicht enthalten.

3 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Die Definition und Einteilung der Unterformen der Aufmerksamkeitsleistungen ist innerhalb der Neuropsychologie nicht immer einheitlich. Im wesentlichen werden fünf Aufmerksamkeitskomponenten unterschieden: Alertness, Vigilanz (Daueraufmerksamkeit) selektive Aufmerksamkeit, visuo-räumliche Aufmerksamkeit, geteilte Aufmerksamkeit. Alertness und Vigilanz lassen sich auch als energetische Aspekte der Aufmerksamkeit definieren. Bei erhöhter Zielreizrate findet auch der Begriff der Daueraufmerksamkeit bzw. sustained attention Verwendung.

4 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Als struktureller Aspekt der Aufmerksamkeit wird die selektive und geteilte Aufmerksamkeit verstanden. Strukturell deshalb, weil sie einen Filterprozeß involviert, der die Aufnahme von Information fördert bzw. unterdrückt. Unter selektiver Aufmerksamkeit (auch fokussierte Aufmerksamkeit) kann die Ausrichtung auf einen relevanten Reiz bei räumlicher oder zeitlicher Einbettung in irrelevante Reize verstanden werden. In diesem Zusammenhang wird auch der Begriff der erhöhten Ablenkbarkeit verwendet. Die selektive Aufmerksamkeit auf bestimmte Objekte ist von der auf bestimmte Umgebungsausschnitte (visuo-räumliche Aufmerksamkeit) zu unterscheiden. Unter geteilter Aufmerksamkeit versteht man die Ausrichtung auf mehrere Arten verhaltensrelevanter Reiz bei räumlicher oder zeitlicher Einbettung in verhaltensirrelevante Reize.

5 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Ätiologie Störungen von Aufmerksamkeitsfunktionen sind nach unterschiedlichsten Hirnschädigungen zu beobachten. Neben Mediaund Anteriorinfarkten sind auch diffuse Hirnerkrankungen zu nennen (z.b. zerebrale Hypoxie, schweres Schädelhirntrauma). Veränderungen der Neurotransmitterbalance durch Intoxikation oder durch körperliche Erkrankungen (z.b. Cushing-Syndrom ) können ebenfalls zu Aufmerksamkeitsstörungen führen, speziell wenn durch sie die Gruppe der Catecholamine betroffen ist. Neuere Untersuchungen unterstreichen aber auch die Bedeutung des Acetylcholins für die selektive Aufmerksamkeit. Aufmerksamkeitsprozesse lassen sich demnach nicht einer Region im Gehirn zuordnen, sondern an ihrer Steuerung sind mehrere, z.t. weitgestreute Hirnsysteme beteiligt, die multisensorische und motorische Systeme mit einbeziehen (Netzwerktheorie).

6 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Relevante anatomische Grundlagen Bezüglich der Häufigkeit und Schwere der Defizite ist neuroanatomisch von einer Dominanz der rechten Hemisphäre für die energetischen Aspekte der Aufmerksamkeit auszugehen. Die Aufrechterhaltung eines optimalen tonischen Erregungsniveaus wird weiter als Funktion des aufsteigenden retikulären Aktivierungssystems (ARAS) des Hirnstamms gesehen. Noch ungeklärt ist aber die genaue Rolle der RH für die Aufrechterhaltung der Aufmerksamkeit (Vigilanz). Hier scheinen subkortikale Prozesse eine wichtige Rolle zu spielen.

7 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Energetische Aufmerksamkeit Zwei Messmethoden: Vigilanz und Alertness Gleichsetzung bedeutet Identifikation von phasischem Arousal und tonischer Vigilanzleistung Messkomponenten beim phasischen Arousal: Geschwindigkeit besonders bei langem ISIs Abhängigkeit von Aufgabendauer Verhältnis von cued zu uncued RTs

8 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Vigilanzmessung Fokussierung auf lange Untersuchungszeiten (nicht weniger als 30 Minuten). Aufgabenreaktion mit wenigen kritischen Ereignissen. Effekt abhängig von Schnelligkeit der Präsentation Messung der Anzahl von Auslassungen und der Höhe der Reaktionszeiten über die Zeit (Auslassungen kommen in Aufgaben zur phasischen Alertness praktisch nicht vor).

9 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Behavioral results of decreased vigilance (Parasumaran et al., 1999)

10 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Patientenstudien zur energetischen Aufmerksamkeit Howes & Boller, Brain, 1975 Rueckert & Grafman, Neuropsychologia, 1998 Keine Abhängigkeit von ISIs und Aufgabendauer, wohl aber generelle Verlangsamung der Reaktionszeit bei einfachen Reaktionsaufgaben und bei Aufgaben zur selektiven Aufmerksamkeit, wenn frontale Läsion vorliegt. Bei postzentraler Läsion Hinweis auf Reaktionsverlangsamung bei schneller Reizpräsentation

11 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Aus: Howes & Boller, Brain, 1975 Abbreviations: DH: dominant hemisphere lesion NDH: non-dominant hemisphere lesion C: Control group

12 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Studien mit funktioneller Bildgebung Pardo et al., Nature, 1991 Kinomura et al., Science, 1996 Paus et al., Journal of Cognitive Neuroscience, 1998 Coull & Frackowiak & Frith, Neuropsychologia, 1998 Sturm et al., Neuropsychologia, 1999 Pardo & Kinomura & Sturm: klassische Alertnessaufgaben Paus & Coull: Vigilanzaufgaben

13 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Methodik der beiden Ansätze Vigilanzaufgaben: Beim Vergleich der Hirnaktivität zu Beginn und am Ende einer längeren einfachen Reaktionsaufgabe (Coull et al., 1998; Paus et al., 1998). Klassische Arousalaufgaben: Vergleich Reaktionsaufgabe gegen rhythmische Reaktion. Ergebnis: jeweils Aktivität im rechts frontoparietalem Netzwerk incl. Thalamus und Hirnstamm.

14 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Pardo et al., 1991 Left Right Major responses (Z>2.1) with stereotactic coordinates and magnitudes observed over the surface of both cerebral hemispheres during somatosensory and visual vigilance tasks. a, Responses during task (count pauses to left great toe while maintaining visual fiaxation) as compared with reference state (eyes closed at rest). b, Responses during task (count pauses to right great toe while maintaining visual fixation) as compared with reference state (eyes closed at rest). c, Responses during task (count dimming of central fixationmark) and reference state (eyes closed at rest).

15 AusStur metal., Neurop sycholo 19 gia, Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate Infer ior Mid dle Supetemp oral rior Midle frontal us poral tegmentu m Tha lamus AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Tran sverse Inferlobul iorpariet us M al idletem poralgyr us showna sintegrate dprojectio nsalongsa coro gital, nalandtran sverseview softhebr ain. ain. Thalamus Sagittal Coronar Inferior parietal lobulus Aus Sturm et al., Neuropsychologia, 1999 Anterior cingulate Middle temporal Superior temporal Middle frontal Ponto-mesencephalic tegmentum Thalamus Anterior cingulate Middle frontal Inferior parietal lobulus Transverse Middle temporal Visuelle Aufgabe Comparison of adjusted mean regional cerebral flow (rcbf) in 15 subjects between alertness and a combined sensory and motor control task. Regions comprising at least 40 voxels and having P-values of at least per voxel are shown as integrated projections along sagittal, coronal and transverse views of the brain.

16 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Akustische Aufgabe

17 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Energetische Aufmerksamkeit als Verhältnismaß Eine gelungene operationale Definition der energetischen Aufmerksamkeit ist der Test Alertness der TAP, der die einfache visuelle Reaktionszeit, die einfache visuelle Reaktionszeit mit Warnton und den Kennwert der phasischen Alertness umfasst. Vorteile des Tests sind seine Einfachheit und seine relative Unabhängigkeit gegenüber anderen Variablen.

18 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Während mit den Reaktionszeiten die generelle Reaktionsbereitschaft oder das psychomotorische Tempo erfasst wird, liefert der Kennwert der phasischen Alertness einen Indikator für die energetische Aufmerksamkeitsleistung: (RZ intr. RT extr.) * 2/ (RZ intr. + RZ extr.) (= Kennwert phasische Alertness)

19 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Aus der Formel folgt, dass extrem niedrige (negative) Werte eine Störung der extrinsischen Alertness, d.h. der Aufrechterhaltung einer Reaktionsbereitschaft bis zum Auftreten des kritischen Reizes, bedeuten. Extrem hohe Werte implizieren dagegen eine Störung der intrinsischen Alertness, d.h. der Aufrechterhaltung der Reaktionsbereitschaft unter Monotonie. Kennwert phasische Alertness Störung extr. Alertness Normbereich Störung intr. Alertness

20 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Studie zu Folgen einer Läsion im Versorgungsgebiet der A.c.media und der A.c.posterior Schwarz: parietale Äste, rot: postzentrale Äste, Schwarz/rot: frontale Äste

21 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s

22 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s

23 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s

24 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s

25 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Relativer Zugewinn an RT bei medialer rechtshirniger Läsion +5 mm -5 mm 15 mm 20 mm 25 mm Gelbe Schrift: 5<n<10 Blaue Schrift: n > 9

26 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Intrinsische und extrinische Alertness nach Patientengruppen Ohne Warnton Mit Warnton Kennwert Läsionsort (n) m±sd m±sd m±sd Kleinhirn (30) 310± ± ±0.134 Posterior-Infarkt (8) 346±94 314± ±0.157 Postzentraler Infarkt (12) 517± ± ±0.209 Frontaler Infarkt (11) 460± ± ±0.144 Periventrikulär anterior (11) 401± ± ±0.097 (*) Periventrikulär posterior (10) 387± ± ±0.185 Caput Caudatum (2) 347±78 339± ±0.231 Inselkortex (9) 466± ± ±0.161 (*) in rot: signifikanter Unterschied zur Kontrollgruppe * signifikant unterschieden auch zur frontalen Gruppe

27 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Schema zur Neuroanatomie der intrinsischen und extrinsischen Alertness Reaktionsbereitschaft Parietallappen Frontallappen Visueller Reiz Thalamus? Hirnstamm? Körperlich-autonomes Arousal Inselkortex Motorkortex Extrinsische Alertness Akustischer Reiz Caudatumkörper Intrinsische Alertness

28 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Subkortikale Komponenten der energetischen Aufmerksamkeit Noradrenerges System: Locus coerulus (Noradrenalin) mit weit gefächerter Projektion zum Thalamus und zum Hirnmantel Cholinerges System: Basales Vorderhirn, ebenfalls breit gefächerte Projektionen, moduliert Thalamus Arousal/Gating: Nucleus reticularis thalami. Bereitschaftspotenzial, contingent negative variation. Hypersomnolenz nach zentralen Thalamusläsionen.

29 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s

30 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s

31 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Sensory gating, CNV and reticular thalamic nuclei Alerting Birbaumer et al., 1990

32 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Noradrenalin, blockiert Alerting Dopaminantagonist, verlangsamt tonisch Marrocco et al., 1999 Auswirkung verschiedener Neurotransmitter auf Alerting und Orienting Acetylcholin, mindert Selektivität

33 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Noradrenalin and Acetylcholin in CNV

34 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Coull et al. 1999: Wirkung von Clonidin (Catapressan) auf Hirnaktivität bei Alertnessaufgabe

35 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Coull et al., 1999: RH network for visual attention

36 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Veränderung des Aktivitätsnetzes bei Clonidin Gabe im (a) Ruhezustand und bei (b) visueller Aufmerksamkeitsaufgabe. Deutlich wird die deutliche kortikale Kompensation in (b) durch PMC, Thal und IPS

37 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Folgerungen für Vigilanzaufgabe? Was wird über die Zeit wo und wie im Gehirn passieren, wenn man die Aktivität zum Anfang und zum Ende einer Vigilanzaufgabe vergleicht? Anstieg der Aktivität in diesem RH Netzwerk?

38 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Aus: Coull et al., Neuropsychologia, 1998 Right dorsolateral prefrontal cortex Left Thalamus rcbf rcbf S Task NS Scan 1 Scan 2 Scan 3 Time Right parietal cortex S Right dorsolateral prefrontal cortex S rcbf rcbf NS Scan 1 Scan 2 Scan 3 Time NS Scan 1 Scan 2 Scan 3 Time S: Selective attention; N: non-selective attention

39 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Aus: Coull et al., Neuropsychologia, 1998 Anatomical area Increases Tail of the caudate Posterior cingulate Brodmann s area 31 Decreases Left inferior parietal cortex Right inferior parietal cortex Right dorsolateral prefrontal cortex Left middle frontal Right ventral middle frontal sulcus Thalamus /

40 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Interpretation der negativen Resultate von Coull und Paus ERP Untersuchungen finden ebenfalls Reduktion der endogenen Komponenten über die Zeit Im Tierexperiment verringert sich Zellaktivität im Locus coerulus bei Diskriminationsaufgaben Reduktion als Ergebnis von Habituation und Automatisierung nicht von Vigilanzminderung? Kortikale und subkortikale Kompensation (RH frontal und Caudatum) plus Automatisierung?

41 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Selektive Aufmerksamkeit Die selektive Aufmerksamkeit auf bestimmte Objekte führt zu einer erhöhten Aktivität in den Assoziationsarealen, die für die Informationsverarbeitung der entsprechenden Eigenschaften verantwortlich sind. Gefunden wurden eine exzitatorische Modulation rezeptiver Felder durch übergeordnete Netzwerke und eine Hemmung von irrelevanten Verschaltungen. Für die selektive Aufmerksamkeit unterscheidet man zwischen modulierenden und modulierten Zentren (siehe räumliche Aufmerksamkeit). Die modulierten Zentren sind die der jeweiligen Informationsaufnahme.

42 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Frühe Areale werden weitgehend auch passiv bottom-up aktiviert, deshalb Suppression, später Areale werden durch Aufmerksamkeit top-down moduliert, deshalb Amplification Suppression Posner & Dehaene, 1994

43 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s A) Stuss et al., 1999 Reduzierte selektive Aufmerksamkeit B) A) Nur x, B) wie Upper Case Mitte, C) wie lower Case Mitte Reaktion mit Joystick in entsprechende Richtung

44 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Lesion location (Stuss et al., 1999)

45 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Everitt & Robbins, Annual Review of Psychology, 1997

46 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Aufmerksamkeitsteilung Selektive Aufmerksamkeit umfasst auch die Handlungsund Resourcenkontrolle und damit die Aktivität des Gyrus cinguli und des präfrontalen Kortex. Der Unterschied zwischen ihrer Störung auf der Input- und auf der Output-Seite wird klar, wenn man die resultierende Art der Fehler betrachtet. Patienten mit Defiziten bei der Objekterfassung lassen Reize eher aus, Patienten mit mangelnder Handlungskontrolle neigen hingegen zu einer erhöhten Zahl von Falsch Positiven. Aufmerksamkeitsteilung setzt Resourcenmanagement und damit zentrale Exekutive voraus! (Störung ist frühes Zeichen einer beginnenden Alzheimer Demenz)

47 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s TAP-Geteilte Aufmerksamkeit: Aufmerksamkeit auf visuellen Reiz

48 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s TAP-Geteilte Aufmerksamkeit: Aufmerksamkeit auf akustischen Reiz

49 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s TAP-Geteilte Aufmerksamkeit: Aufmerksamkeit auf beide Reiz

50 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Zunahme visuell akustisch beides Abnahme

51 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Herath et al., Cerebral Cortex, 2001 Visual and somatosensible reaction tasks performed as single or dual task with long or short ISIs.

52 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Figure C & D: Grün: dual tasking (long ISIs) Figure F & G: Short ISIs vs. Long ISIs (demanding dual tasking) RH

53 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Dunkel grün: Sulcus precentralis Lila: Sulcus frontalis superior Grün: Sulcus centralis Gelb: Sulcus lateralis

54 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Blick von hinten oben links Gyrus angularis Gyrus supramarginalis Hellblau: Sulcus parieto-occipitalis Rot: Sulcus intraparietalis

55 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s Neuroanatomie

56 Sagi tal Coron ar Anteriorcingulate us poral AnterMid lefrontal iorcingu lategyru s lobulinfer us iorpariet Mal idletem poralgyr us Fragen zum Aufmerksamkeit Wie misst man Vigilanz und Alertness neuropsychologisch? Welche Strukturen sind für die Alertness und Vigilanz verantwortlich und welche Dynamik lässt sich beobachten? Welche beiden Komponenten unterscheidet man bei der selektiven Aufmerksamkeit und welche neuroanatomischen Strukturen sind für sie verantwortlich? Welche Position nimmt die Aufmerksamkeitsteilung in der Neuropsychologie ein? Welche neuronalen Komponenten wirken bei der Aufmerksamkeitsteilung mit? Wie findet man den Gyrus cinguli und den präfrontalen Kortex im CT und MRT?