Functional imaging in neuroenhancement

Abstract

Increasingly demanding tasks, competition for competence and time pressure have lead to attempts of neuroenhancement (NE) among students and employees. NE is designed to increase cognitive abilities by modulating brain processes through the use of pharmaceutics. Substances such as methylphenidate (i.e. Ritalin®), modafinil (i.e. Vigil®) and caffeine are common candidates for enhancing cognitive abilities such as executive functions, inhibition control and memory (Wood et al., 2014). Until today, there has not been a study investigating memory enhancement in functional magnetic resonance imaging (fMRI). Using fMRI, 48 healthy participants were tested for drug effects in a single-dose, double-blind and randomized study using a declarative memory task. During memory recall, methylphenidate dependent deactivations were found in the fronto-parietal and temporal regions whereas no BOLD alterations were seen during encoding. On the behavioral level, methylphenidate enhanced subject’s judgement confidence and performance during late recall. During encoding, caffeine led to deactivations in the precentral gyrus whereas modafinil did not show any BOLD signal alterations at all. To get an overview over the existing neuroimaging literature, all published studies on the effects of the aforementioned drug agents were reviewed in addition. In line with this study, previous publications emphasized that methylphenidate seems to alter task relevant brain areas. Our main finding of task-related deactivations may point to the reduction of task-functioning distractions. Thereby, we conclude a drug-dependent increase of efficiency in data processing.

Zunehmende Arbeitsbelastung, erhöhter Zeitdruck und größere Verantwortung haben dazu geführt, dass für Studenten und Arbeitnehmer das Phänomen Neuroenhancement (NE) eine zunehmende Relevanz erlangt hat. Darunter wird die Steigerung der kognitiven Leistung durch pharmazeutischen Eingriff auf zentralnervöse Prozesse verstanden. Substanzen wie z.B. Methylphenidat (Ritalin®), Modafinil (Vigil®) und Koffein gelten als aussichtsreiche Kandidaten zur Leistungssteigerung, die möglicherweise Einfluss auf kognitive Prozesse, wie z.B. Exekutive Funktionen, Inhibitionskontrolle und Gedächtnis ausüben können (Wood et al., 2014). Keine bisher publizierte Studie hat den Fokus auf neuronale Korrelate der deklarativen Gedächtnissteigerung gelegt. Aus dem Grund sind zusätzlich alle bisher veröffentlichten bildgebenden Studien zu Methylphenidat, Modafinil und Koffein zu einer strukturierten Übersicht zusammengefasst worden. Mittels funktionaler Magnetresonanztomographie (fMRT) wurden 48 gesunde Probanden, doppelt verblindet und randomisiert auf Steigerung der deklarativen Gedächtnisleistung getestet. Obwohl die Wirksamkeit der drei Substanzen ausführlich für klinische Patientenpopulationen untersucht wurde, gibt es kaum Wissen über die möglichen behavioralen und neuronalen Auswirkungen auf gesunde, erwachsene Menschen. Entgegen der Erwartung, dass die getesteten Substanzen klassische Gedächtnis assoziierte Regionen aktivieren, wurden unterschiedliche substanzspezifische Effekte gefunden. Wahrend des Abrufs von Gedächtnisinhalten deaktivierte Methylphenidat fronto-parietale und temporale Regionen. Dagegen führte die Applikation von Koffein zu einer verringerten BOLD Antwort im Gyrus Präcentralis während der Lernphase. Modafinil führte zu keiner Veränderung im Vergleich zu Placebo. Auf Verhaltensebene förderte Methylphenidat den späten Abruf von Gedächtnisinhalten, wohingegen die beiden anderen Substanzen keine Effekte hinsichtlich der Lernleistung vorwiesen. Vor dem Hintergrund bisheriger bildgebender Studien zeigt die vorliegende Arbeit, dass Neuroenhancement neben der Aktivierung leistungsrelevanter Gehirnregionen auch durch Reduzierung von störenden Einwirkungen funktionieren kann und damit womöglich die Effektivität der Informationsverarbeitung erhöht.