Neurophysiologie des Kalenderrechnens bei autistischen Savants und geübten Experten

Abstract

Hintergrund: Unter dem Savant-Syndrom versteht man das Auftreten einer oder mehrerer herausragender Fähigkeiten vorwiegend bei allgemeiner Intelligenzminderung. Die neuropsychologischen Grundlagen solcher Inselbegabungen sind bislang unklar. Kalenderrechnen ist vermutlich die bekannteste Savant-Fähigkeit, wenngleich es auch bei gesunden Personen vorkommt. Man versteht hierunter die Fähigkeit, zu einem gegebenen Datum schnell den korrekten Wochentag nennen zu können. Die bisherigen vorgeschlagenen behavioralen Hypothesen zur Erklärung des Kalenderrechnens bei "Savants" betrafen ein eidetisches Gedächtnis, blitzschnelles Rechnen, ein mechanisches Gedächtnis, sowie den Gebrauch von Ankerdaten bzw. Kalenderregularitäten. Bislang liegen keine neurophysiologischen Untersuchungen zur Erklärung dieser seltenen Fähigkeit vor. So lag das Ziel dieser Studie in der Untersuchung der Neurophysiologie des Kalenderrechnens bei autistischen Savants. Kürzlich stellten Snyder und Mitchell (1999) eine Hypothese auf, die besagt, dass Savants Zugang zu den frühen Schritten der Informationsverarbeitung (IVA) hätten. Der Fokus dieser Untersuchung lag daher auf den frühen Stufen der IVA. Methode: Es handelte sich um eine magnetencephalographische (MEG) Untersuchung mit kombinierter electroenzephalographischer (EEG) Ableitung (9 Elektroden). Teilnehmer: An der Studie nahmen autistische Savant-Kalenderrechner (ASKR, n = 4) als Experimentalgruppe sowie gesunde Kalenderrechner (GKR, n = 3), autistische (AK, n = 6) und gesunde (GK, n = 13) Probanden als Kontrollgruppen teil. Die Kontrollpersonen waren nach Geschlecht, Händigkeit, Alter und IQ parallelisiert. Aufgabe: Jeder Durchgang bestand in der visuellen Präsentation eines Datums (Experimentalbedingung) oder der Kontrollaufgabe. AK und GK hatten lediglich Daten der Gegenwart (Daten desselben Monats) zu berechnen. ASKR und GKR hatten außerdem Daten der Vergangenheit (1950-2000) und der Zukunft (2003-2050) zu bestimmen. Behaviorale Ergebnisse: ASKR zeigten signifikant kürzere Reaktionszeiten als GKR und AK sowie signifikant weniger Fehler als alle Kontrollgruppen beim Berechnen von Daten der Gegenwart. Der direkte Vergleich von ASKR und GKR ergab bessere Leistungen von ASKR in Reaktionszeit und Fehlerrate bei Daten der Vergangenheit und Gegenwart, die Leistungen bei Daten der Zukunft unterschied sich nicht zwischen beiden Gruppen. Neurophysiologische Ergebnisse: Die Analyse der MEG-Daten brachte beim Kalenderrechnen im frühen Zeitfenster 90-150 ms eine deutliche frontale Komponente bei ASKR und eine deutliche parietale Komponente bei GKR zum Vorschein. Diese frühen Komponenten ließen sich im EEG als Positivierungen bestimmen. Außerdem zeigten GKR beim Kalenderrechnen im Gegensatz zu ASKR, AK und GK eine ausgeprägte N2. Dabei korrelierten die neurophysiologischen Ergebnisse mit der behavioralen Leistung. Diskussion: Die Analyse der behavioralen Daten weist auf unterschiedliche Grundlagen des Kalenderrechnens bei ASKR und GKR hin: Während bei ASKR bei der Berechnung von Daten der Vergangenheit und Gegenwart vermehrt Gedächtnisprozesse beteiligt zu sein scheinen, scheint die Fähigkeit GKR stärker auf dem Gebrauch von Regularitäten zu basieren. Die veränderte frühe frontale Komponente ASKR ist vereinbar mit der Hypothese von Snyder und Mitchell (1999), dass "Savants" Zugang haben zu frühen Schritten der IVA. Die frühe parietale Komponente GKR gibt Evidenzen für die Annahme von Birbaumer (1999), das jeder den Zugriff auf frühe Informationsverarbeitungsschritte lernen kann. Die frontale N2 bei GKR kann als Hinweis auf ihr ausgeprägtes explizites Wissen von Regularitäten interpretiert werden. Insgesamt weisen die behavioralen wie neurophysiologischen Ergebnisse einstimmig darauf hin, dass die Fähigkeit ASKR zum Kalenderrechnen stärker auf einfachen, frühen Prozessen bzw. Gedächtnisfertigkeiten basiert, die Fähigkeit GKR hingegen auf komplexeren Prozeduren bzw. arithmetischen Berechnungen und der Anwendung regelbasierter Strategien.

Backround: The savant syndrome is a rare but remarkable condition in which persons with serious mental handicaps possess one or more highly developed skills. Their neurophysiological bases are not yet understood. Calendar calculation probably is the most well-known of these skills although it is also found in healthy experts. Calendar calculation is the ability to state correctly and quickly the day of the week upon which any given day fell or will fall. Previous major behavioral hypotheses suggested for calendar calculation in "savants" were eidetic imagery, high-speed calculation, rote memorization, keying-off-anchoring strategy and use of calendar regularities. Studies concerning the neurophysiolo-gical correlates of this rare skill are lacking entirely. Our concern was directed towards the psychophysiological correlates which may underlie this high level ability of autistic "savants". Recently, Snyder and Mitchell (1999) hypothesized that outstanding savant skills might be accomplished by accessing early stages of information processing. In this way the focus of the present study was on the early stages of information processing. Methods: Evoked magnetic fields were recorded using a whole head magnetoencephalography (MEG) system (151 first-order gradiometers) combined with electroencephalography (EEG, 9 channels). Participants: Autistic Savants Calendar Calculators (ASCC, n = 4) as experimental group and Healthy Calendar Calculators (HCC, n = 3), autistic (AC, n = 6) and healthy persons (HC, n = 13) as control groups took part in the study. All controls were matched according to sex, handedness, age, and IQ. Task: Each trial comprised the visual presentation of a date (experimental task) or the control task. AC and CH only had to calculate dates of the present (that fall into the same month). Dates of the past (that fall into the past 50 years) and dates of the future (that fall into the future 50 years) were additionally presented to ASCC and CHH. Behavioral Results: ASCC showed significantly shorter reaction times than HCC and AC as well as significantly less errors than all control groups when calculating dates of the present. The direct comparison of ASCC and HCC showed that ASCC outperformed HCC in dates of the past and the present being faster on the one hand and showing significantly more correct responses on the other. This advantage disappeared when calculating dates of the future. Neurophysiological Results: The analysis of the evoked magnetic and electric fields showed a distinct frontal component in ASCC and a distinct parietal component in HCC in the early time window 90-150 ms when calculating dates. Additionally, HCC showed a broad N2 during calendar calculation, which could be found neither in ASCC nor in healthy or autistic controls. These neurophysiological results even correlated with the behavioral performance. Discussion: The analysis of the behavioral data clearly suggests different calendar calculating strategies in ASCC and HCC and provides evidence that there is a stronger involvement of memory processes in ASCC when calculating dates of the past and the present, whereas the ability of HCC relies altogether more on the use of calendar regularities. The altered early frontal component in ASCC is compatible with the hypothesis of Snyder and Mitchell (1999), that "savants" have access to early stages of informations processing. The early parietal component in HCC is compatible with the assumption of Birbaumer (1999), that training and extensive learning can open the door to the early stages of information processing also in healthy controls. The frontal N2 in HCC can be interpreted as an indicator of their pronounced explicit knowledge of regularities. In sum, ASCC seem to use simple, early processes when calculating dates, resting mainly upon memory processes, whereas HCC use more complex procedures relying in particular on the application of calendar regularites.