Auditorisch-räumliches Ultrakurzzeitgedächtnis und kortikale oszillatorische Aktivität

Abstract

Für die kortikale Verarbeitung auditorischer Sinneseindrücke werden getrennte Verarbeitungspfade für Muster-Informationen und räumliche Informationen vermutet. So sind auch an der Aufrechterhaltung solcher Informationen im auditorischen Kurzzeit- bzw. Arbeitsgedächtnis jeweils verschiedene Areale im temporo-parietalen Bereich, jedoch stets zusätzlich frontale, exekutiven Funktionen zuzuordnende Kortexareale beteiligt. Kortikale Gamma-Band-Aktivität, also Oszillationen neuronaler Netzwerke im Frequenzbereich über 30 Hz, wird als neurophysiologischer Ausdruck von vielfältigen kortikalen Prozessen betrachtet, darunter auch von Wahrnehmungs- und Gedächtnisprozessen. Daneben wird auch Theta-Aktivität (3-10 Hz), möglicherweise gemeinsam mit Gamma-Aktivität auftretend, mit Gedächtnisprozessen assoziiert. Mittels der Magnetenzephalographie (MEG) können solche Aktivitäten mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden. So wurden bei einer vorangegangenen MEG-Untersuchung zum auditorisch-räumlichen Kurzzeitgedächtnis mit einer Behaltenszeit von 800 ms erhöhte Gamma-Aktivitäten über dem posterior-parietalen und dem frontalen Kortex ermittelt. Bei der vorliegenden Untersuchung wurden nun die oszillatorischen Aktivitäten im Theta-Bereich und im oberen Gamma-Bereich untersucht, die im Zusammenhang mit dem auditorisch-räumlichen Ultrakurzzeitgedächtnis auftreten. Dieses stellt einen wahrnehmungsnahen Speicher dar, der sich durch eine höhere Kapazität, aber schnelleren Informationszerfall als das Kurzzeitgedächtnis auszeichnet. Den Probanden wurden dazu die paarweise auftretenden lateralisierten Geräusche S1 und S2 je im Abstand von 200 ms dargeboten. Die Aufgabe bestand im Vergleich der Lateralisierungswinkel beider Geräusche, so dass eine internale Repräsentation von S1 über die Behaltenszeit von 200 ms bis zum Auftreten von S2 aufrechterhalten werden musste. Als Kontrollbedingung diente eine Lautstärkedifferenzierungsaufgabe. Während beider Aufgaben wurden die kortikalen oszillatorischen Aktivitäten mittels MEG aufgezeichnet. Die statistische Analyse umfasste Untersuchungen der Frequenzbereiche, Zeitpunkte und Sensorlokalisationen, bei denen signifikante oszillatorische Effekte auftraten, und wurde mit Hilfe eines auf Permutationstests basierenden statistischen Wahrscheinlichkeitsmappings durchgeführt. Diese Auswertung ergab im oberen Gamma-Bereich erhöhte Aktivität bei etwa 79 Hz an einem medial über dem posterior-paritalen Kortex gelegenen Sensor, die etwa 50 ms nach Beginn von S2 am stärksten wurde, und im Theta-Bereich erhöhte Aktivität bei etwa 6 Hz ebenfalls an einem medial über dem posterior-parietalen Kortex gelegenen Sensor, die etwa 80-150 ms nach Beginn von S2 maximal war. Im Gegensatz zur vorangegangenen Kurzzeitgedächtnisuntersuchung mit einer Behaltenszeit von 800 ms wurden keine erhöhten frontalen Gamma- oder Theta-Aktivitäten ermittelt. Demzufolge werden bei Behaltensleistungen des auditorisch-räumlichen Ultrakurzzeitgedächtnisses posterior-parietal lokalisierte höhere sensorische Speichersysteme, Teile des angenommenen Verarbeitungspfads für auditorisch-räumliche Informationen, beansprucht. Frontale exekutive Systeme scheinen dagegen im Unterschied zum Kurzzeitgedächtnis hierfür nicht notwendig zu sein.

In human magnetoencephalogram, we have found gamma-band activity (GBA), a putative measure of cortical network synchronization, during both bottom-up and top-down auditory processing. When sound positions had to be retained in short-term memory for 800 ms, enhanced GBA was detected over posterior parietal cortex, possibly reflecting the activation of higher sensory storage systems along the hypothesized auditory dorsal space processing stream. Additional prefrontal GBA increases suggested an involvement of central executive networks in stimulus maintenance. The present study assessed spatial echoic memory with the same stimuli but a shorter memorization interval of 200 ms. Statistical probability mapping revealed posterior parietal GBA increases at 80 Hz near the end of the memory phase and both gamma and theta enhancements in response to the test stimulus. In contrast to the previous short-term memory study, no prefrontal gamma or theta enhancements were detected. This suggests that spatial echoic memory is performed by networks along the putative auditory dorsal stream, without requiring an involvement of prefrontal executive regions.