Die Rolle ventromedialer Thalamusanteile für Verhaltensflexibilität und visuelle Aufmerksamkeit

Abstract

Exekutive Funktionen wie Verhaltensflexibilität werden herkömmlich mit dem präfrontalen Kortex als essenziellem neuronalen Substrat assoziiert. Neuere Erkenntnisse legen jedoch nahe, dass auch subkortikale Hirnareale maßgeblich an visuell-räumlicher Aufmerksamkeitsausrichtung und daraus resultierender adaptiver Willkürmotorik beteiligt sind: So zeigten Patienten mit fokalen Läsionen im thalamischen Nucleus centromedianus-parafascicularis (CM-Pf) Defizite im Wiconsin Card Sorting Test, einem neuropsychologischen Standardtest für Verhaltensflexibilität, während andere kognitive Funktionen kaum beeinträchtigt waren. In der vorliegenden Studie wurden zwei neue Regeländerungs-Paradigmen mit zentraler oder exzentrischer Stimuluspräsentation etabliert, um eine gestörte Verhaltensflexibilität möglichst selektiv zu erfassen. Diese Paradigmen stellen im Gegensatz zu gängigen Testinstrumenten mi-nimale Anforderungen an andere kognitive Teilleistungen. Beide Paradigmen wurden mit zwei verschiedenen motorischen Antwortmodalitäten (Knopfdruck, Sakkade) durchgeführt. Für die Studie wurde eine Patientengruppe mit selektiven thalamischen Läsionen rekrutiert und mit einer gesunden Kontrollgruppe verglichen. Bereits in der neuropsychologischen Testung zeigte die Patientengruppe Defizite in einem spezifischen Test für gestörte Verhaltensflexibilität. In den neu entwickelten Paradigmen zeigten sich zusammenfassend vor allem für die zentrale Stimuluspräsentation und manuelle Antwortmodalität signifikante und zwischen den Gruppen unterscheidbare Regeländerungskosten (erhöhte Reaktionszeiten bzw. verminderte Akkuratheit nach einer Regeländerung) als Maß für eine gestörte Verhaltensflexibilität in der Patientengruppe. Einige Patienten zeigten darüberhinaus eine Lateralisierungstendenz der motorischen Antworten zur kontralateralen Effektorseite. Eine ergänzende Analyse der Pupillomotorik ergab eine differenzielle Modulation der Pupillenweite in Abhängigkeit des vorherigen Feedbacks, welche sich zwischen Patienten- und Kontrollgruppe nicht unterschied. Der CM-Pf degeneriert bereits in frühen Krankheitsstadien des Morbus Parkinson und wird hier sowie bei anderen neuropsychiatrischen Erkrankungen bereits als Ziel von tiefer Hirnstimulation genutzt. Eine weitere experimentelle Zuordnung der Rolle des CM-Pf für kognitive Teilfunktionen scheint insofern klinisch unmittelbar relevant, um regelhaft bei Morbus Parkinson auftretende kognitive Defizite besser charakterisieren und andererseits mögliche Nebenwirkungen der tiefen Hirnstimulation sensitiv erkennen zu können.

Executive functions such as behavioral flexibility are commonly associated with prefrontal cor-tex functioning. However, recent findings suggest that also subcortical brain areas play an essential role in selective visuo-spatial attention and the emergence of flexible, adaptive behavior: For example, patients with focal lesions of the thalamic centromedian-parafascicular (CM-Pf) complex demonstrated problems in performing the Wisconsin Card Sorting Test, a standard test for flexibility, while other cognitive-executive functions appeared to be much less affected. In the current study, two new paradigms with central or peripheral stimulus presentation are established to selectively assess impaired behavioral flexibility. In contrast to standard neuropsychological test procedures commonly used, these paradigms place minimal demands on other cognitive sub-components. Both paradigms were conducted with two different motor response modalities (manual button press, saccadic eye movement). We recruited a group of patients with selective thalamic lesions and we compared their perfor-mance with a healthy control group. The patient group showed deficits in a standard neuropsy-chological test indicating an impaired behavioral flexibility. Results of the newly developed paradigms showed significant switch costs (elevated reaction times and lower accuracy following a rule switch) predominantly for central stimulus presentation and manual response mode that differred between groups. Some patients furthermore showed a response bias to the contralateral with respect to thalamic lesion site. An additional analysis of dynamic pupil size demonstrated robust differences in pupil-based arousal dependent on positive versus negative feedback that was not different between groups. The CM-Pf undergoes prominent degeneration already in early stages in patients with Parkin-son’s disease and it has been used as a target structure for deep brain stimulation in the treatment of Parkinson's disease and other neuropsychiatric disorders. Therefore, a further experimental characterization of the specific role of the CM-Pf for cognitive-executive functions seems clinically important for a better understanding of cognitive deficits regularly encountered in Parkinson’s disease and for assessing possible cognitive-executive sequelae of deep brain stimulation.