Fehlersignale im Nucleus subthalamicus und ihre Bedeutung für adaptives Verhalten

Abstract

Die Funktion des menschlichen Gehirns, Handlungen zu überwachen, umfasst die Fähigkeiten, Handlungsfehler zu detektieren und das Verhalten den aktuellen Umweltanforderungen anzupassen. Patientenstudien haben gezeigt, dass der anteriore mittlere zinguläre Kortex in Interaktion mit den Basalganglien wesentlich an der Implementierung von Handlungsüberwachungsfunktionen beteiligt ist. Es wird angenommen, dass der Nucleus subthalamicus (STN), ein Kerngebiet der Basalganglien und Ziel für diverse neuronale Projektionen, einen Nexus für emotionale, kognitive und motorische Informationsverarbeitungs-prozesse bildet. Eine wichtige Verhaltensadaptation bildet das so genannte post-error slowing, eine Geschwindigkeitsreduktion der Antwortabgabe im Durchgang nach einer fehlerhaften Antwort, die mit motorischen Inhibitionsprozessen in Verbindung gebracht wird. Der STN scheint Studien zufolge eine wichtige Position in diesem Inhibitionsnetzwerk einzunehmen. Eine direkte Beteiligung des STN an Fehlerverarbeitungsprozessen wurde bisher nicht gezeigt. Ziel unserer Studie bildete der Nachweis fehlerassoziierter Aktivität im STN sowie deren Zusammenhang mit fehlerassoziierter Verhaltensadaptation. Über die zur Tiefen Hirnstimulation implantierten Elektroden leiteten wir lokale Feldpotentiale (LFP) aus dem STN und ein Elektro-enzephalogramm von 17 Parkinsonpatienten ab, während diese eine Flankierreizaufgabe bearbeiteten. Die Analyse der elektrophysiologischen Daten fokussierte sich auf die ereigniskorrelierten Potentiale. Da bisherige Studien mit Parkinsonpatienten uneinheitliche Befunde zum Einfluss der dopaminergen Medikation auf Fehlerverarbeitung ergaben, führten wir die Untersuchung jeweils mit und ohne dopaminerge Medikation durch. Neben der typischen kortikalen Fehlernegativität konnten wir fehlerassoziierte Aktivität im STN in Form einer positiven Deflektion in den LFP 260-450 ms nach einer fehlerhaften Antwort nachweisen. Diese fehlerassoziierte Positivierung im STN (STN-Pe) zeigte sich in Zusammenhang mit erfolgreichem post-error slowing. Ein Effekt der dopaminergen Medikation ergab sich in den Daten der Gesamtstichprobe nicht. Interessanterweise fanden wir jedoch zwei Subgruppen mit gegensätzlichen Verhaltenseffekten. Die Gruppe jüngerer Patienten zeigte ohne Medikation signifikant niedrigere Fehlerraten als unter Medikation, wohingegen die Gruppe älterer Patienten umgekehrt niedrigere Fehlerraten unter Medikation erreichte. Diese Befunde suggerieren einen medikamentösen Überdosierungseffekt bei jungen Patienten in Abhängigkeit der vom dopaminergen Neuronenuntergang betroffenen Gehirnareale. Entsprechend der behavioralen Ergebnisse fanden wir dopaminerge Modulationen der kortikalen Fehlernegativität und der STN-Pe in beiden Gruppen. Statistische Signifikanz erreichten die Effekte jedoch nur in der älteren, unter Medikation gute Leistungen zeigenden Gruppe, die entsprechend höhere Amplituden der kortikalen Fehlernegativität und der STN-Pe unter Medikation im Vergleich zum Durchgang ohne Medikation aufwiesen. Zusammenfassend konnten wir mit dieser Studie zeigen, dass der STN in Fehlerverarbeitungsprozesse involviert ist und Dopamin einen modulatorischen Einfluss auf jene Prozesse ausübt.

The human brain function of performance monitoring relies on the ability to detect errors and subsequently adapt the behavior to current environmental requirements. Patient studies revealed interactions of the anterior midcingulate cortex and the basal ganglia for the implementation of performance monitoring. It is assumed that the subthalamic nucleus (STN), an input nucleus of the basal ganglia, targeted by a diversity of neural projections, builds a nexus for emotional, cognitive, and motor information processes. An important behavioral adaptation to errors is the so called post- error slowing, a prolongation of the reaction time, observed in the trials after erroneous responses which is associated with motor inhibition. According to previous studies the STN is a pivotal node of the neural networks of motor and cognitive inhibition. However, a direct involvement of the STN in error processing has not been shown so far. Here we investigated error-related activity in the STN and its influence on behavioral adaptation. We simultaneously recorded local field potentials (LFP) of the STN and an electroencephalogram in 17 patients undergoing DBS for Parkinson's disease while performing a flanker task. We primarily analysed event-related potentials. Notably, as patient studies so far yielded inconsistent results regarding the influence of dopamine on error processing, we studied the patients both with and without dopaminergic medication. In addition to the previously reported cortical error-related negativity, we found error-related activity in the STN which was characterized by a positive deflection in the LFP within 260-450 ms after an erroneous response. This so called STN error positivity (STN-Pe) was related to successful post-error slowing. We did not find a main effect of dopaminergic medication in our data. However we detected two subgroups showing an opposite effect of dopaminergic medication on their behavior. The younger patients showed significantly lower error rates while without medication compared to the medicated state, whereas the older patients showed lower error rates under medication. These findings suggest a dopaminergic overdose effect in young patients depending on the dopamine depletion. In agreement with the behavioral results, we found dopaminergic modulations of the error-related negativity and the STN-Pe in both groups. However, statistical significance of these effects was obtained only in the group of the older “ON-good-performing“ patients, which showed higher amplitudes of both components when on medication. In this study we demonstrated that the STN is involved in error processing and that dopamine exerts a modulatory influence on these processes.