Neural representation of conceptual knowledge in schizophrenic patients. An fMRI study.

Abstract

Neural representation of conceptual knowledge in healthy subjects has already been investigated by lesion studies, as well as by functional neuro-imaging experiments, resulting in the implementation of mainly three different theories to explain the obtained data. Here, we investigate the representation of semantic concepts by studying the processing of “living” and “non-living” categories in schizophrenic patients, as compared to healthy controls. Distinction between “living” and “nonliving” constitutes an important aspect of social cognition where schizophrenic patients are impaired. We used a set of complex and naturalistic stimuli from a standardized picture data base (IAPS) to compare the differential brain activation induced by different categorical stimuli (humans, animals, food, tools). 11 schizophrenic patients and 15 healthy controls were measured with fMRI while watching the pictorial stimuli and performing a categorization task (discrimination between “living” and “nonliving” stimuli which were presented in a randomized order). A fronto-parietal network comprising orbito-frontal regions and regions at the occipito-temporal junction, as well as the superior temporal sulcus (STS) was found to be more strongly activated by “living” stimuli (human, animal) than by “nonliving” stimuli (food, tool), supporting the theory that conceptual knowledge is stored in a specialized network of brain areas, differentially active when representing and processing entities belonging to different categories. During the differential contrast for the living category (“living” items minus “nonliving” items), schizophrenic patients show less activation in the left occipito-temporal region, a region typically involved in processing cognitive skills important for social behavior. We conclude that an altered representation of socially meaningful stimuli might contribute to social deficits in schizophrenia and discuss how these findings might be connected to the symptoms of formal thought disorder and delusions in schizophrenia.

Die neuronale Repräsentation von semantischem Wissen in gesunden Probanden wurde bisher untersucht anhand von funktionellen bildgebenden Verfahren sowie durch Gehirnläsions-Studien, woraus drei verschiedene Haupttheorien abgeleitet werden konnten. In dieser Arbeit untersuchen wir die Repräsentation von semantischen Konzepten, indem wir die Verarbeitung der Kategorien „lebendig“ und „nicht-lebendig“ bei schizophrenen Patienten und gesunden Kontrollen vergleichen. Die Fähigkeit zur Unterscheidung von „lebendig“ und „nicht-lebendig“ stellt einen wichtigen Aspekt der sozialer Kognition dar, welche bei schizophrenen Patienten beeinträchtigt ist. Wir benutzten eine Auswahl von naturalistischen und komplexen Stimuli verschiedener Kategorien (Menschen, Tiere, Essen, Werkzeug) aus einer standardisierten Bilder-Datenbank (IAPS), um die daraus resultierenden, unterschiedlichen Gehirnaktivitäten zu untersuchen. 11 schizophrene Patienten und 15 gesunde Kontrollen wurden mit fMRT gemessen, während sie die Bilder angeschaut, und dabei eine Kategorisierungs-Aufgabe durchgeführt haben – die Unterscheidung zwischen „lebendigen“ und „nicht-lebendigen“ Stimuli, die in zufälliger Reihenfolge präsentiert wurden. Ein fronto-parietales Netzwerk, bestehend aus orbito-frontalen Regionen, Regionen an der occipito-parietalen Junktion, so wie auch dem superioren temporalen Sulcus (STS), wurde durch „lebendige“ Stimuli (Menschen, Tiere) stärker aktiviert als durch „nicht-lebendige“ Stimuli (Essen, Werkzeuge). Dies unterstützt die Theorie, dass begriffliches Wissen in einem spezialisierten Netzwerk aus Gehirn-Regionen gespeichtert wird, welches unterschiedliche Kategorien differenziell repräsentiert und verarbeitet. Der „Differenzial-Kontrast“ für die lebendige Kategorie („lebendige“ Entitäten minus „nicht-lebendige“ Entitäten) zeigt geringere Aktivität in der linken occipito-temporalen Region bei Schizophrenen; eine Region, die typischerweise in der Verarbeitung kognitiver Fähigkeiten des sozialen Verhaltens involviert ist. Wir folgern daraus, dass eine geänderte Repräsentation von sozial bedeutungsvollen Stimuli zu sozialen Defiziten in Schizophrenie führen kann. Desweiteren wird diskutiert, wie diese Erkenntnisse in Verbindung mit formalen Denkstörungen und Wahn in schizophrenen Patienten gebracht werden können.