Kontext- abhängige inhibitorische Kontrolle bei erlerntem komplex- motorischem Verhalten: eine Studie hämodynamischer und elektrophysiologischer Korrelate kortikaler Inhibitionsprozesse

Abstract

Eine wesentliche Voraussetzung für erfolgreiches komplexes Verhalten bildet der adäquate Abruf erlernter motorischer Programme. Dies bedeutet, dass ein erlerntes motorisches Programm nicht nur abgerufen (= aktiviert) wird wenn nötig, sondern dass es zusätzlich und wahrscheinlich sehr viel häufiger nicht abgerufen wird, wenn vom situativen Kontext verlangt. Die vorliegende Studie diente der Untersuchung hämodynamischer (mittels fMRI) und elektrophysiologischer (mittels EEG) Korrelate dieser kontext- abhängigen Modulation neuronaler Aktivität. Während des Nicht- Abrufens (Inhibition) eines erlernten Programms konnte mit der fMRI ein Absinken der BOLD- Kurve (blood oxygenation level dependent) unter Baseline- Niveau im Sinne einer negativen BOLD- Antwort innerhalb eines sensomotorischen Netzwerkes beobachtet werden. Während des Abrufs des erlernten motorischen Programms zeigten sich innerhalb desselben Netzwerkes positive BOLD- Antworten. Diese Daten unterstützen die Annahme, dass die kontext- abhängige Kontrolle erlernten motorischen Verhaltens durch die Interaktion einer multifokalen Zu- und Abnahme neuronaler Aktivität gewährleistet wird und dass inhibitorische Kontrollprozesse im fMRI durch eine negative BOLD- Kurve repräsentiert werden. Im EEG führte das Nicht- Abrufen (Inhibition) eines erlernten motorischen Programmes zu einer Zunahme oszillatorischer Aktivität (task- related power increase= TRPI). Zur Erfassung der zeitlichen Dynamik dieses Effektes wurden EEG- Messungen 1 Stunde (T1), 24 Stunden (T2) und 7 Tage (T3) nach Training durchgeführt. TRPI war maximal an T1 und konnte mit reduzierter Amplitude an T2 und T3 noch nachgewiesen werden. Die Daten zeigen, dass der TRPI- Effekt durch eine einmalige Trainingsphase induziert werden kann, persistiert, aber in seiner Amplitude über die Zeit abnimmt. Die zeitliche Dynamik des TRPI- Effektes ähnelt der zeitlichen Dynamik der sog. Long- Term- Potentiation (LTP) und – Depression (LTD), welche durch Andauern über die Initiierungsphase hinaus sowie durch Reversibilität charakterisiert ist. Dies legt die Hypothese nahe, dass kontext- abhängige Inhibition gelernter motorischer Programme eine Reaktion auf LTP- artige Mechanismen darstellt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit mit modernen bildgebenden Methoden Korrelate kontext- abhängiger Inhibition gelernter motorischer Programme. Diese Ergebnisse tragen als ein weiterer Baustein zum besseren Verständnis von motorischer Kontrolle beim Menschen bei.

An essential basis for successful complex behaviour is the appropriate retrieval of memorized motor programs. Appropriate retrieval is warranted if motor programs are only activated if necessary and are inhibited if required by a certain context. In the present series of experiments metabolic and electrophysiological correlates of this context- dependent modulation of neural activity were studied by fMRI and EEG. When a learned motor response was withhold during the inhibition condition, the BOLD- signal (blood oxygenation level dependent) measured by fMRI became negative (compared with baseline) in wide parts of the cerebro- cerebellar motor network. During retrieval of learned motor response a positive BOLD- signal was observed within the same cerebro- cerebellar motor network. These data suggest that contextual modulation of learned behavioural programs depends on an interplay of focal increases and decreases of neural activity and that the inhibitory changes can be reflected by negative BOLD- response in fMRI. Task- related power analysis of EEG- data showed focal increase of oscillatory activity (task- related power increase= TRPI) during non- retrieval of learned motor programs. To study the time course of TRPI, EEG- measurements were recorded at T1= 1 hour, T2= 24 hours and T3= 1 week after training. TRPI was maximal at T1 and persisted with reduced amplitudes at T2 and T3. The present data demonstrate that TRPI can be induced by one single training period and then persists, but with a reduced amplitude over time. The time course of TRPI is similar to the one of long term potentiation (LTP) and long term depression (LTD), which is characterized by duration beyond the induction period and reversibility. These results support the concept that context- dependent inhibition of learned motor programs is a reaction to LTP- like mechanisms. In summary the present data demonstrate with modern methods cortical correlates of appropriate context- dependent inhibition of learned motor programs and contribute to a better understanding of motor control of complex human behaviour.