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Titel:Neuropsychologische Testung des visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisses mittels Blockspanne - strukturelle Korrelate in der MR-Morphometrie
Autor:Eckstein, Christian
Weitere Beteiligte: Nenadić, Igor (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2021
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2022/0139
DOI: https://doi.org/10.17192/z2022.0139
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2022-01395
DDC:610 Medizin
Publikationsdatum:2022-02-17
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
Blockspanne, Cortical Thickness, Morphometry, Kortikale Dicke, Gyrification, Working Memory, Gyrifizierung, Block Tapping Test, Arbeitsgedächtnis, Morphometrie, Fraktionelle Anisotropie, Fractional Anisotropy

Zusammenfassung:
Das Arbeitsgedächtnis dient der Verarbeitung, Verknüpfung und Manipulation von Gedächtnisinhalten und ist essentiell für komplexe kognitive Fähigkeiten. Pathologische Einflüsse, wie Hirnläsionen oder verschiedene Erkrankungen, führen zu einer reduzierten Arbeitsgedächtnisleistung. Doch auch innerhalb einer gesunden Stichprobe lassen sich große Leistungsunterschiede feststellen. Die vorliegende Arbeit untersuchte, ob strukturelle Unterschiede im Gehirn gesunder Probanden interindividuelle Unterschiede der visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisleistung erklären können. 681 gesunde Probanden wurde in die Studie eingeschlossen. Sie erhielten eine neuropsychologische Testung ihres visuellräumlichen Arbeitsgedächtnisses und eine MRT-Untersuchung des Gehirns. Mittels MR-Morphometrie erfolgte die Auswertung von GMV, kortikaler Dicke, Gyrifizierung und FA. Die Beurteilung der visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisleistung erfolgte mittels Blockspanne rückwärts. Als Grundlage zur Einordnung der Befunde diente ein Arbeitsgedächtnismodell, das moderne neurowissenschaftliche Erkenntnisse mit dem erweiterten Mehrkomponentenmodell von Baddeley verknüpft. GMV und Gyrifizierung korrelierten lediglich in explorativen Analysen ohne Korrektur für multiple Vergleiche mit der Arbeitsgedächtnisleistung. Die Lokalisation dieser Effekte scheint plausibel, allerdings können sie auf Grund der geringen Effektstärke nicht als relevant eingestuft werden. Ein dünnerer Cortex korrelierte in frontalen, parietalen und occipitalen Hirnarealen beider Hemisphären signifikant mit bessere Arbeitsgedächtnisleistung. Unter Berücksichtigung der altersabhängigen dynamischen Veränderung der Cortexstruktur, lässt sich der Zusammenhang sinnvoll erklären. Die Effekte sind mit bisherigen Daten vereinbar und lassen sich schlüssig mit dem Arbeitsgedächtnismodell verknüpfen. Die FA korrelierte in drei Hirnarealen signifikant positiv mit der visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisleistung. Die Befunde sind in Trakten lokalisiert, die wichtige Schnittstellen zwischen den Komponenten des Arbeitsgedächtnismodells darstellen. Die Daten sprechen für einen wichtigen Beitrag der Mikrostruktur der weißen Substanz zur Arbeitsgedächtnisleistung. Zukünftige Analysen mit modernen Diffusionsparametern können dazu beitragen, die mikrostrukturellen Unterschiede, die durch die FA nur indirekt abgebildet werden, genauer zu charakterisieren. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass ein signifikanter Zusammenhang zwischen Hirnstruktur (kortikale Dicke und FA) und visuell-räumlicher Arbeitsgedächtnisleistung in mehreren Arealen besteht. Inwieweit sich diese Beobachtungen verallgemeinern lassen und auf andere kognitive Fähigkeiten angewendet werden können, sollte in zukünftigen Studien untersucht werden. Wir wissen, dass innerhalb des Cortex und der weißen Substanz lebenslang plastische Anpassungsvorgänge stattfinden. Zelluläre und molekulare Mechanismen der Plastizität sowie eine Vielzahl von Einflussfaktoren sind bislang nur unzureichend erforscht. Sobald wir ein besseres Verständnis für diese Vorgänge entwickelt haben, könnten wir versuchen diese gezielt zu beeinflussen, um in unterschiedlichsten Lebensbereichen kognitive Fähigkeit zu optimieren oder wiederherzustellen. Denkbar wären die Entwicklung optimierter Lern- und Trainingsstrategien oder bessere Rehabilitationsstrategien nach cerebralen Verletzungen.

Summary:
Working memory is a cognitive system that allows us to temporary store, process, link and manipulate memory content. It is essential for complex cognitive abilities. Pathologic influences, for instance brain lesions or various diseases, lead to a decline in working memory capacity. However, it is possible to detect large differences in working memory capacity even within a healthy sample. The present study investigated whether structural differences in healthy subjects brains can explain interindividual differences in visual working memory capacity. 681 healthy subjects were included in the study. Each subject received an neuropsychological assessment of their visual working memory capacity and a MRI scan of their brain. GMV, cortical thickness, gyrification and FA were analysed using MR-morphometry. Visual working memory capacity was assessed using a well-established block-tapping test. In order to interpret the findings, a working memory model had to be defined. Therefore, the multicomponent model of working memory by Alan Baddeley was combined with modern neuroscientific findings. Explorative analysis revealed a positive correlation of GMV and gyrification with visual working memory capacity. The localisation of the effects seem plausible. However, after correction for multiple comparison those effects were non-significant and considered not relevant due to the small effect size. A significant relationship between thinner cortex and higher visual working memory capacity was found in frontal, parietal and occipital brain areas of both hemispheres. Taking into account the age-dependent dynamic changing of the cortical structure, those findings can be explained in a reasonable way. The effects are consistent with findings of previous studies and fit in well with the underlying working memory model. FA was found to be positively correlated with visual working memory capacity in three different white matter areas. The underlying white matter tracts interconnect important components of the working memory model. The results suggest that white matter microstructure contributes significantly to visual working memory capacity. Since FA reflects microstructural organisation in an indirect way, future studies should apply modern diffusion parameters to directly investigate microstructural differences and back up the results. In the present study a significant relationship between brain structure (cortical thickness and FA) and visual working memory capacity was found in multiple regions. Further studies are required to analyse whether these results can be generalized and applied to other cognitive systems. Neural plasticity shapes the human cortex and white matter throughout our lives. The underlying cellular and molecular mechanisms and most of the influencing factors are largely unknown. Once we decode those mechanisms, we could explore ways to manipulate neural plasticity in a positive way. This could lead to the development of optimized learning and training strategies or new rehabilitation concepts for patients with brain injuries.


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