Kurzzeitgedächtnis und der menschliche Hippocampus

Jedem Studenten der Psychologie wird beigebracht, dass das Kurzzeitgedächtnis, die Fähigkeit, Informationen aus der unmittelbaren Vergangenheit (z. B. eine Telefonnummer) vorübergehend im Auge zu behalten, verschiedene psychologische Prozesse und neuronale Substrate aus dem Langzeitgedächtnis (z. B. das Erinnern an das, was gestern passiert ist) beinhaltet. Diese dichotome Darstellung des Gedächtnisses basiert auf Hinweisen auf neuropsychologische Dissoziationen, wie sie von Patienten mit Schädigung des medialen Temporallappens (MTL) gezeigt werden, von denen bisher angenommen wurde, dass sie ein beeinträchtigtes Langzeitgedächtnis, aber ein normales Kurzzeitgedächtnis aufweisen (Squire, 1992). In den letzten Jahren stand dieser Standpunkt jedoch vor erheblichen Herausforderungen, da sich Hinweise darauf häuften, dass Kurzzeitgedächtnis und Langzeitgedächtnis, anstatt qualitativ verschieden zu sein, tatsächlich ähnliche zugrunde liegende neuronale Mechanismen aufweisen können (zur Überprüfung siehe Jonides et al., 2008).

Eine wichtige neuere Beobachtung ist, dass Patienten mit MTL-Schäden nicht nur bei Langzeitgedächtnisaufgaben, sondern auch bei Kurzzeitgedächtnisaufgaben, bei denen neuartige Informationen in kurzen Intervallen gespeichert werden, schlecht abschneiden. Während der perirhinale Kortex das Kurzzeitgedächtnis für neuartige Objektinformationen zu unterstützen scheint (Brown und Aggleton, 2001), legen neuropsychologische Beweise nahe, dass der Hippocampus kritisch ist, wenn assoziative Informationen beteiligt sind (zur Überprüfung siehe Jonides et al., 2008), im Einklang mit seiner vorgeschlagenen Funktion als relationales Bindemittel im Langzeitgedächtnis (Cohen und Eichenbaum, 1993). In einer kürzlich durchgeführten Studie konnten sich Patienten mit Hippocampus-Amnesie beispielsweise nicht einmal mit einer Verzögerung von wenigen Sekunden an die Orte neuartiger Objekte erinnern (Jonides et al., 2008).

Wir wissen daher aus neuropsychologischen Erkenntnissen, dass der Hippocampus für das Kurzzeitgedächtnis für assoziative Informationen entscheidend ist. Was aus den neuropsychologischen Daten jedoch nicht klar ist, ist, wie der Hippocampus diese Funktion unterstützt. Hannula und Ranganath (2008) verwenden funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), um dieses wichtige Problem anzugehen, indem sie die Gehirnaktivität während jeder Phase einer kurzfristigen assoziativen Gedächtnisaufgabe charakterisieren und diese neuronale Aktivität mit der Verhaltensleistung verknüpfen. Während ein nachfolgender Speicheransatz häufig verwendet wurde, um das Langzeiterkennungsgedächtnis zu untersuchen, war dies in früheren Kurzzeitgedächtnisexperimenten aufgrund der typischerweise von Probanden erzielten Leistung nahe der Decke nicht möglich. Um dieses Problem zu umgehen, wählten die Autoren eine relativ schwierige Aufgabe, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Anzahl von korrekten und falschen Studien generiert wird.

Das verwendete Paradigma weist Ähnlichkeiten mit einer Aufgabe auf, von der bekannt ist, dass sie aufgrund früherer neuropsychologischer Daten hippocampusabhängig ist (Hartley et al., 2007). Während der Stichprobenphase jeder Studie betrachteten die Probanden eine neuartige Szene, die aus vier Objekten (aus einem Satz von neun Objekten) bestand, jeweils an einem von neun möglichen Orten in einem 3 × 3-Raster . Um die Verwendung einer Hippocampus-vermittelten allozentrischen (oder weltzentrierten) Strategie anstelle einer egozentrischen (oder betrachterzentrierten) Strategie zu fördern, von der angenommen wird, dass sie sich auf parietale und präfrontale Kortizes stützt, wurden die Probanden gebeten, ein mentales Bild der Szene zu erstellen, das um 90 ° rechts vom ursprünglichen Standpunkt gedreht wurde. Sie mussten dann die gedrehte Darstellung während der darauffolgenden 11 s Verzögerungsphase in Erwartung des Testreizes beibehalten. Während der Testphase wurde das Gedächtnis der Probanden für die Positionen der Objekte bewertet. Dazu wurden sie gebeten, den Testreiz durch Drücken der Taste danach zu klassifizieren, ob er (1) eine „Übereinstimmung“ (d. h. die ursprüngliche Szene wurde um 90 ° gedreht) darstellt; (2) „Mismatch-Position“ (d. h. Ein Objekt besetzte einen neuen Ort); (3) „Mismatch-Swap“ (d. h. Zwei Objekte hatten Standorte getauscht „). Die Leistung unter allen Bedingungen war signifikant höher als ein Wahrscheinlichkeitslevel von 33% korrekte Antworten: 78, 65 und 60% auf Match-, Mismatch-Positions- bzw. Mismatch-Swap-Anzeigen.

Die Autoren führten zunächst eine anschließende Gedächtnisanalyse durch, indem sie korrekte Versuche mit falschen Versuchen kontrastierten. Dies ergab, dass die Hippocampus-Aktivität während der Probenphase erfolgreiche Erkennungsurteile in der Testphase vorhersagte . Dieser Befund schließt eine ansonsten problematische Erklärung aus, dass eine größere neuronale Aktivität während der Abtastphase einen späteren Erfolg nicht durch die Codierung von Objekt-Ort-assoziativen Informationen vorhersagt, sondern durch die Objekte (z. B. Trommeln, Vogelbad) selbst. In der Tat wurde eine nachfolgende Speicherkorrelation im perirhinalen Kortex selektiv während der Probenphase beobachtet, im Einklang mit Vorschlägen, dass diese neuronale Region für die Codierung von elementspezifischen Informationen kritisch ist.

Interessanterweise gab es keine signifikanten Unterschiede in der Hippocampus-Aktivität als Funktion der Genauigkeit während der Verzögerungsperiode. Obwohl bei der Interpretation eines solchen Nullbefundes Vorsicht geboten ist, deutet dieses Ergebnis darauf hin, dass ein anhaltendes neuronales Feuern im Hippocampus während der Verzögerungszeit von Kurzzeitgedächtnisaufgaben nicht auftritt, wie es im entorhinalen Kortex angenommen wird. Eine Möglichkeit ist, dass der Hippocampus das Kurzzeitgedächtnis für assoziative Informationen eher durch vorübergehende Änderungen der synaptischen Wirksamkeit als durch aktive Aufrechterhaltung unterstützt (Jonides et al., 2008). Alternativ kann eine aktive Wartung auftreten, jedoch durch einen anderen Mechanismus, der durch fMRT nicht nachweisbar ist (z. B. mit Theta / Gamma-Oszillationen).

Diese Ergebnisse legen nahe, dass der Hippocampus eine wichtige Rolle bei der Kodierung und dem Abrufen, aber vielleicht nicht bei der aktiven Aufrechterhaltung neuartiger assoziativer Informationen im Kurzzeitgedächtnis spielt. Aber wie berechnet der Hippocampus die Neuheit oder umgekehrt die Vertrautheit des Testreizes, so dass ein korrektes Erkennungsurteil getroffen werden kann? Ein einflussreicher theoretischer Vorschlag ist, dass der Hippocampus als Komparator (oder Match-Mismatch-Detektor) fungiert und Diskrepanzen zwischen früheren Vorhersagen basierend auf früheren Erfahrungen und aktuellen sensorischen Eingaben identifiziert (Norman und O’Reilly, 2003) (zur Überprüfung siehe Kumaran und Maguire, 2007). Eine Strategie zur Beurteilung der Gültigkeit dieser Hypothese besteht darin, zu charakterisieren, wie sich die Hippocampusaktivität in Abhängigkeit von der Neuheit oder Vertrautheit des Testreizes ändert. Empirische Beweise, die mit Vorhersagen aus einem Vergleichsmodell übereinstimmen, wurden durch eine kürzlich durchgeführte Studie mit diesem Ansatz (Kumaran und Maguire, 2006) geliefert, wobei die Hippocampusaktivität speziell unter Bedingungen von Match-Mismatch beobachtet wurde und nicht als Reaktion auf das bloße Vorhandensein von Neuheit an sich.

Hannula und Ranganath (2008) verfolgten einen ähnlichen Ansatz, um die Art der Hippocampus-Neuheits- / Vertrautheitssignale zu untersuchen, indem sie drei Arten von Testversuchen einschlossen, die je nach Ähnlichkeit mit dem Probenreiz variierten. Die Autoren verwendeten eine region-of-interest-Analyse zu zeigen, dass Hippocampus-Aktivierung während der klinischen Studien war am größten in Bezug auf match-displays (im Vergleich zu mismatch-position und mismatch-swap-Displays). Interessanterweise wurde, wenn die Neuheit / Vertrautheit assoziativer Informationen mit der vorliegenden Aufgabe zusammenhängt (dh die Probanden müssen keine expliziten Erkennungsgedächtnisurteile abgeben), ein qualitativ anderes Muster von Befunden beobachtet, wobei die Aktivierung des Hippocampus unter Bedingungen von Mismatch maximal war anstatt übereinstimmen (Kumaran und Maguire, 2006). Bevor wir uns „interessanten“ Erklärungen für diese Diskrepanz zuwenden, lohnt es sich, den Einfluss der überlegenen Leistung der Probanden während der Match-Anzeigen (vergleiche Mismatch-Anzeigen) auf die beobachteten neuronalen Daten zu berücksichtigen. Obwohl die Autoren einen solchen Effekt ohne Vertrauensbewertungsdaten sorgfältig geprüft und abgezinst haben, ist es schwierig, die Möglichkeit vollständig auszuschließen, dass die Probanden möglicherweise sicherer waren, (korrekte) Übereinstimmungen im Gegensatz zu nicht übereinstimmenden Urteilen zu treffen.

Die wahrscheinlichste Erklärung für die beobachteten Ergebnisse ist jedoch, dass die Amplitude der Hippocampus-Reaktionen auf neuartige (oder vertraute) sensorische Inputs von der spezifischen Aufgabe abhängt, die ausgeführt wird. Als solche ähneln die von Hannula und Ranganath (2008) beobachteten Befunde dem bekannten Phänomen der „Match Enhancement“, das im inferotemporalen / perirhinalen Kortex von Affen in Bezug auf die Ankunft eines erwarteten Zielreizes beobachtet wurde, der dem aktuellen Stimulus entspricht (Miller und Desimone, 1994) . Im Gegensatz dazu kann während der automatischen Erkennung von Neuheit innerhalb der Umgebung eine erhöhte neuronale Aktivität im Hippocampus die relativ „reine“ Signatur eines Komparatormechanismus widerspiegeln, der frei von Modulation durch Top-Down-Einflüsse ist (Kumaran und Maguire, 2006). Ein wichtiger Weg für zukünftige Arbeiten wird daher sein, die Bedeutung gegenseitiger Wechselwirkungen zwischen Hippocampus und präfrontalen Kortizes zu untersuchen, die je nach spezifischen Aufgabenanforderungen variieren (z., explizite Erkennungsgedächtnisaufgabe) und bestimmen daher die Amplitude der beobachteten Hippocampus-Neuheit (oder Vertrautheit) Signale.

Zusammenfassend ergänzt die Studie von Hannula und Ranganath (2008) die vorhandenen neuropsychologischen Daten zur Bedeutung des Hippocampus für das assoziative Kurzzeitgedächtnis. Darüber hinaus liefert die Evidenz neue Erkenntnisse über die Art des Hippocampus-Beitrags zum Kurzzeitgedächtnis, was darauf hindeutet, dass er hauptsächlich an der Codierung und dem Abrufen, aber möglicherweise nicht an der aktiven Aufrechterhaltung assoziativer Informationen beteiligt ist. Eine wichtige Richtung für die zukünftige Forschung wird die Entwicklung und empirische Prüfung formaler Rechenmodelle des Erkennungsspeichers und der automatischen Neuheitenverarbeitung mit fMRT sein. Idealerweise sollten diese Modelle MTL-Komponenten sowie aufgabenspezifische modulatorische Interaktionen mit höheren Regionen (z. B. präfrontalem Kortex) enthalten. Auf diese Weise kann es möglich sein, ein genaues Verständnis dafür zu erlangen, wie Neuheit und Vertrautheit in der MTL berechnet werden und wie diese Signale von anderen Gehirnregionen verwendet werden, um erfolgreiche Erkennungsgedächtnisurteile zu bewirken und automatisch Neuheit in unserer sensorischen Umgebung zu erkennen.