Die Rolle des frontalen Augenfeldes für die transsakkadische Raumintegration beim Menschen: eine TMS-Studie

Abstract

Die Frage, wie das visuo-motorische System den Eindruck der visuellen Stabilität aufrecht erhalten kann, obwohl sakkadische Augenbewegungen das Bild auf der Retina mehrfach pro Sekunde versetzen, ist seit Langem Gegenstand intensiver neurowissenschaftlicher Forschung. Aktuelle Erkenntnisse stützen die Theorie, dass hierbei ein internes neuronales Signal, das aus dem Mittelhirn über den Thalamus zum frontalen Augenfeld gesandt wird, eine entscheidende Rolle spielt. Zielsetzung der vorliegenden Studie war es, einen experimentellen Beitrag zur Klärung der Frage zu leisten, ob die Aufrechterhaltung visueller Stabilität über sakkadische Augenbewegungen hinweg von der Integrität dieses Pfades abhängig ist. Dabei sollte insbesondere die Rolle des frontalen Augenfeldes charakterisiert werden. Um auf die Güte der transsakkadischen Integration rückzuschließen, wurden gesunde Probanden in einem okulomotorischen Paradigma getestet. Während der Ausführung einer sakkadischen Augenbewegung wurde das visuelle Ziel versetzt und die Detektionsleistung der Probanden für diesen Stimulusversatz bewertet. Anschließend wurde mittels transkranieller Magnetstimulation gezielt die neuronale Aktivität des rechten frontalen Augenfeldes moduliert und die Detektionsleistung erneut getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Probanden nach der Stimulation des frontalen Augenfeldes die Tendenz aufwiesen, über einen Rückwärtsversatz des Zielstimulus zu berichten, selbst wenn dieser stationär blieb oder vorwärts versetzt wurde. Es resultierte demnach eine systematische Verschiebung der perzeptuellen Bewertung des Stimulusversatzes. Dies führte zur signifikanten Erhöhung der Detektionsschwellen vor allem nach links gerichteter Sakkaden. Eine Analyse der motorischen Sakkadenparameter zeigte, dass diese Effekte nicht durch rein okulomotorische Effekte erklärt werden können. Die Durchführung des Experimentes unter Fixationsbedingungen hatte keine signifikanten Veränderungen der Wahrnehmung des Zielversatzes zur Folge. Diese Ergebnisse legen die Schlussfolgerung nahe, dass transkranielle Magnetstimulation des frontalen Augenfeldes ein dort eintreffendes internes Monitoringsignal modulieren und hierdurch die transsakkadische Integration des visuellen Raumes beeinträchtigen kann. Das Konzept eines vom Hirnstamm transthalamisch aufsteigenden Monitoringsignals als Grundlage dieser Integration ist demnach auch für die Aufrechterhaltung visueller Stabilität beim Menschen plausibel. Dem humanen frontalen Augenfeld kann hierbei eine bedeutende Rolle zugeschrieben werden.

Although saccadic eye movements move the retinal image several times per second we perceive a stable outside world. How the visual system manages this has been a long standing matter of neuroscientific research. An internal neural signal sent from the brainstem to the frontal eye field via mediodorsal thalamus seems to play an important role. However a direct link between integrity of frontal oculomotor areas and perceptual stability has been missing so far. The objective of the present study was to provide an experimental contribution to this question and especially characterize the role of the frontal eye field. To infer on transsaccadic integration of visual space we tested healthy subjects in an oculomotor paradigm. During the execution of a saccadic eye movement the visual target was displaced and performance of detection was evaluated. Afterwards we specifically modulated the neural activity of the right frontal eye field by applying transcranial magnetic stimulation. Subsequently the detection performance was reassessed. The results show that all subjects exhibited the tendency to report a backward displacement. This was observed even for trials with a physical nondisplacement or a forward displacement. Thus a systematic bias in the evaluation of transsaccadic target displacement was observed. Detection thresholds were significantly increased especially for leftward saccades. The analysis of oculomotor saccade parameters showed no impairments. And conducting the same experiment without saccadic eye movements but fixation at screen center did not achieve any significant changes of perception of target displacements. These results suggest that the integration of visual space across eye movements based on a transthalamic monitoring signal can be disturbed by interference with frontal activity. These findings assign an important role to the human frontal eye field in the matching of visual space across the frequent displacements induced by saccadic eye movements.