Kodierung abstrakter, quantitativer Regeln im Präfrontalen Kortex des Rhesusaffen

Abstract

Viele Situationen des Alltags erfordern Entscheidungen, die auf Anzahlsvergleichen und quantitativen Regeln basieren. Beim Einkaufen beispielsweise entscheiden wir uns oft für das Produkt mit dem niedrigsten Preis, wohingegen wir bei der Wahl des Arbeitsplatzes auf das Angebot achten, bei dem der Verdienst am höchsten ist. Flexible 'größer/kleiner als' Prinzipien sind sowohl beim Menschen, als auch bei Tieren nicht nur Voraussetzung für zielgerichtetes Verhalten, sondern legen zusätzlich den Grundstein für die Durchführung mathematischer Operationen auf Quantitäten. Dem präfrontalen Kortex (PFC) wird die Kontrolle von regelbasierten Entscheidungen zugedacht. Elektrophysiologische Untersuchungen an Rhesusaffen konnten zusätzlich zeigen, dass Neurone des PFC numerische Informationen kodieren. Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Rolle von individuellen Einzelzellen des PFC während der Durchführung eines Versuchs, bei dem grundlegende mathematische Regeln konstant gewechselt wurden. In diesem Experiment sollten Rhesusaffen (Macaca mulatta) entscheiden, ob eine ihnen gezeigte Anzahl an Punkten größer oder kleiner ist, als eine kurz vorher angezeigte Beispielanzahl. Die Tiere lösten die Aufgaben und waren in der Lage, die Aufgabe auf neue, nicht erlernte Punktanzahlen zu generalisieren, so dass davon ausgegangen werden kann, dass sie das generelle Prinzip 'größer als' und 'kleiner als' verstanden haben.\\Im Gesamten konnten, während die Tiere die Aufgabe bearbeiteten, 484 Zellen des PFC abgeleitet werden. Nach eingehender statistischr Analyse konnten überwiegend Zellen, deren Aktivität diese abstrakten, mathematischen Regeln 'größer/kleiner als' kodierten, gefunden werden; rein sensorische und gedächtnisrelevante Aktivitäten waren hingegen kaum vorhanden. Möglicherweise dienen diese Beobachtung an nichthumanen Primaten als neurologisches Vorläufersystem für die Implenentierung symbolischer, mathematischer Regeln im Menschen.

In many everyday-situations, decisions are based on magnitude comparisons and quantitative rules. During shopping for a given product, we pick the vendor that offers it for the least price. When looking for a job, however, we choose the one that provides more salary. Flexible 'greater than – less then' principles are essential for goal directed behaviour in both man and animal, particulary, in order to orchestrate behavioral strategies that operate on quantities. The prefrontal cortex (PFC) has been implicated in controlling rule-based decisions. At the same time, electrophysiological recordings in rhesus monkeys have shown that neurons in the PFC are also involved in processing numerical information. We thus explored the role of individual PFC neurons in guiding most abstract quantity judgments based on constantly changing decision rules. We used a rule switching quantity comparison task in which two rhesus monkeys (macaca mulatta) had to indicate whether a given number of dots is greater or smaller than a previously shown sample. The animals performed this task with different numerical quantities and generalized to novel set sizes, indicating that they were indeed able to understand the general concept of 'greater than' and 'less than'. In total, we recorded the activity from 484 PFC cells while the monkeys performed this task. Based on a multi-factorial statistical analysis, we found that the most prevalent activity reflected these abstract, mathematical rules, and in a behaviorally relevant manner; purely sensory-and memory-related activities were almost absent. This mechanism observed in nonhuman primates may serve as a neuronal precursor for the implementation of symbolic mathematical rules in humans.