Zusammenfassung der Originalpublikation: Neuropsychologia, Band 48, Ausgabe 9, Juli 2010, Seiten 2496-2508
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Neuroanatomische Korrelate exekutiver Funktionen bei Kindern und Jugendlichen: Eine Magnetresonanztomographie (MRT)-Untersuchung der kortikalen Dicke (Deepl Übersetzung)
Zusammenfassung
Eine Reihe kognitiver Fähigkeiten verbessert sich im Kindes- und Jugendalter. Es wurde vermutet, dass die langwierige Entwicklung exekutiver Funktionen mit der relativ späten Reifung des präfrontalen Kortex zusammenhängt. Dies wurde jedoch bislang nur selten direkt untersucht. In dieser Querschnittsstudie wurden 98 gesunde Kinder und Jugendliche (im Alter von 8 bis 19 Jahren) mit sechs Aufgaben getestet, die als Indikatoren für drei häufig postulierte exekutive Funktionen gelten: Aktualisierung (Keep track und Letter memory), Hemmung (Antisaccade und Stroop) und Umschaltung (Plus minus und Trail making). Die Aufgabenleistung wurde dann mit Magnetresonanztomographie (MRT)-Messungen der kortikalen Dicke in Beziehung gesetzt. Die Verhaltensergebnisse zeigten keine klare Organisation der exekutiven Funktionen in den Bereichen Aktualisierung, Hemmung und Umschaltung. Es wurden auch Einschränkungen im Zusammenhang mit der Verwendung von geschwindigkeitsbasierten Bewertungen aus den Aufgaben aufgezeigt, die als Indikatoren für die Umschaltfähigkeit gelten. Unabhängig von den Auswirkungen des Alters war die Leistung bei der Aufgabe „Keep track” mit einer dünneren Hirnrinde in Clustern beidseitig in parietalen und frontalen Regionen, einschließlich des linken inferioren Frontalgyrus, verbunden, während die Leistung bei der Antisakkadenaufgabe mit einer dünneren Hirnrinde beidseitig in okzipitalen und parietalen Regionen verbunden war. Darüber hinaus standen die Leistungsniveaus bei den Antisakkaden- und Stroop-Aufgaben in Zusammenhang mit den geschätzten Reifegraden der Großhirnrinde in den hinteren Hirnregionen, jedoch nicht im präfrontalen Kortex . Die Ergebnisse der vorliegenden Studie ergänzen das bisherige Wissen über die kortikalen Korrelate exekutiver Funktionen, indem sie auf eine wichtige Rolle der hinteren Hirnareale bei der Entwicklung exekutiver Funktionen hinweisen.
Einleitung
Eine Reihe kognitiver Fähigkeiten verbessert sich in der späten Kindheit stark und in der Adoleszenz weiter, wenn auch langsamer (Luna et al., 2004, Segalowitz und Davies, 2004, Waber et al., 2007). Entwicklungsstudien haben gezeigt, dass exekutive Funktionen im Vergleich zu vielen anderen kognitiven Funktionen einen langwierigen Entwicklungsverlauf haben (Anderson et al., 2001, Brocki und Bohlin, 2004, Garon et al., 2008, Huizinga et al., 2006, Romine und Reynolds, 2005, Welsh, 2002). Exekutive Funktionen sind Kontrollmechanismen, die die Abwicklung anderer kognitiver Prozesse modulieren und so die Dynamik von Kognition und Handlung regulieren (Miyake et al., 2000). Parallel zur Entwicklung der exekutiven Funktionen zeigt das Gehirn eine rasche strukturelle Reifung. Neuroimaging-Studien zeigen eine anhaltende regionale Entwicklung der Großhirnrinde, der subkortikalen Strukturen sowie des Volumens und der Mikrostruktur der weißen Substanz (WM) von der frühen Kindheit über die Adoleszenz bis hin zum Erwachsenenalter (Giedd, 2004, Giorgio et al., 2010, Gogtay et al., 2004, Lebel et al., 2008, Østby et al., 2009, Shaw et al., 2008, Sowell et al., 2003, Tamnes et al., 2010, Westlye et al., im Druck). Eine plausible Hypothese lautet, dass die kognitive Entwicklung zum Teil durch die fortlaufende Reifung des Gehirns verursacht wird. Genauer gesagt wurde die langwierige Entwicklung der exekutiven Funktionen vorläufig auf die relativ späte Reifung des präfrontalen Kortex zurückgeführt (Anderson, 2001, Blakemore und Choudhury, 2006, Diamond, 2002, Luna et al., 2004). Unseres Wissens gibt es jedoch keine Studien, die den Zusammenhang zwischen der Entwicklung exekutiver Funktionen und der strukturellen Reifung des Kortex direkt untersucht haben.
Eine wichtige theoretische Frage ist, ob exekutive Funktionen als einheitlich zu konzipieren sind, in dem Sinne, dass sie denselben Kernmechanismus oder dieselbe Kernfähigkeit widerspiegeln, oder als nicht einheitlich, d. h. mit unterschiedlichen Unterfunktionen oder Unterkomponenten. Drei häufig postulierte Unterfunktionen sind Aktualisierung, Hemmung und Umschaltung. Aktualisierung betrifft die Fähigkeit, aufgabenrelevante eingehende Informationen zu überwachen und Darstellungen im Arbeitsgedächtnis zu überarbeiten, um neue Eingaben aufzunehmen (Miyake et al., 2000, Morris und Jones, 1990). Hemmung bezieht sich auf die Fähigkeit, dominante, automatische oder vorherrschende Reaktionen bei Bedarf bewusst zu unterdrücken oder zu stoppen (Logan und Cowan, 1984, Miyake et al., 2000). Umschalten wird als die Fähigkeit konzeptualisiert, flexibel zwischen mehreren Aufgaben, Vorgängen oder mentalen Einstellungen hin und her zu wechseln (Miyake et al., 2000, Rogers und Monsell, 1995). Mithilfe einer konfirmatorischen Faktorenanalyse fanden Miyake et al. (2000) heraus, dass diese exekutiven Funktionen mäßig korreliert, aber auch klar voneinander trennbar sind. Eine zeitgenössische Sichtweise ist daher, dass exekutive Funktionen auf kognitiver Ebene sowohl Einheit als auch Vielfalt aufweisen. Eine aktuelle Zwillingsstudie weist auf eine Kombination aus gemeinsamen und spezifischen genetischen Einflüssen auf Aktualisierung, Hemmung und Umschaltung hin und ordnet exekutive Funktionen zu den am stärksten vererbbaren psychologischen Merkmalen ein (Friedman et al., 2008). Darüber hinaus belegen eine Reihe von Studien die prädiktive Validität dieser Konstrukte der exekutiven Funktionen für andere kognitive Fähigkeiten sowie für Leistungen und Probleme im realen Leben (Friedman et al., 2006, Friedman et al., 2007, Geurts et al., 2004, St Clair-Thompson und Gathercole, 2006, van der Sluis et al., 2007, Willcutt et al., 2001, Young et al., 2009).
Es hat sich gezeigt, dass sich sowohl die Aktualisierung des Arbeitsgedächtnisses als auch die inhibitorische Kontrolle im Laufe der Kindheit und Jugend verbessern, während die Kosten für den Wechsel zwischen Aufgaben mit zunehmendem Alter der Kinder wahrscheinlich sinken (Huizinga et al., 2006). Für verschiedene exekutive Funktionen wurden unterschiedliche Entwicklungsverläufe beobachtet, und das Leistungsniveau von Erwachsenen wird bei verschiedenen Aufgaben in unterschiedlichem Alter erreicht (Anderson, 2002, Anderson et al., 2001, Diamond, 2002, Huizinga et al., 2006, Welsh, 2002). Bei der Untersuchung der Entwicklungstrends bei der Aufgabenleistung stellten Huizinga et al. (2006) fest, dass die Aktualisierung des Arbeitsgedächtnisses, die Hemmung von Reaktionen und der Aufgabenwechsel zwischen 11 und 15 Jahren das Leistungsniveau von Erwachsenen erreichten. Bei der Analyse latenter Variablen, die aus einer konfirmatorischen Faktorenanalyse extrahiert wurden, zeigte sich, dass sich die Aktualisierung des Arbeitsgedächtnisses bis ins junge Erwachsenenalter entwickelte, während der Aufgabenwechsel bereits in der Adoleszenz ein reifes Niveau erreichte.
Die neuronalen Grundlagen der exekutiven Funktionen wurden ursprünglich in den Frontallappen vermutet, da Patienten mit Läsionen im vorderen Teil des Gehirns häufig Leistungsbeeinträchtigungen bei einer Reihe von Aufgaben zur Beurteilung der exekutiven Funktionen zeigten (Alvarez und Emory, 2006, Collette et al., 2006). Bei der Aufteilung der Funktionen innerhalb der frontalen Regionen wurden Fortschritte erzielt, jedoch wurde noch kein klarer Konsens erzielt (Collette et al., 2005, Stuss et al., 2002). Obwohl die Bedeutung der Frontallappen für exekutive Funktionen unbestritten ist, deuten Neuroimaging- und Läsionsstudien darauf hin, dass exekutive Funktionen von verteilten Netzwerken abhängen, die sowohl frontale als auch posteriore (hauptsächlich parietale) assoziative Kortexareale sowie subkortikale Strukturen und thalamische Bahnen umfassen (Collette et al., 2006, Collette und Van der Linden, 2002, Heyder et al., 2004, Jurado und Rosselli, 2007, Sylvester et al., 2003). Knight, Staines, Swick und Chao (1999) haben vorgeschlagen, dass der präfrontale Kortex einen modulierenden Einfluss auf grundlegende Prozesse ausübt, die von posterioren Hirnregionen unterstützt werden, sodass die Leistung bei exekutiven Funktionen sowohl von frontalen als auch von posterioren Regionen sowie deren Koordination abhängt. Im Einklang mit dieser Ansicht legt eine aktuelle Diffusionstensorbildgebungsstudie (DTI) nahe, dass die altersbedingte Degeneration kortikaler Assoziationsfaserbahnen, die Regionen des Frontallappens und posteriorer Assoziationsareale verbinden, einen wichtigen Beitrag zum Rückgang der Set-Shifting-Fähigkeit im Alter leistet (Perry et al., 2009).
Über die Zusammenhänge zwischen exekutiven Funktionen und strukturellen Eigenschaften des Gehirns während der Entwicklung ist wenig bekannt. Die Reifung sowohl der Großhirnrinde (Shaw et al., 2006) als auch der aus der DTI abgeleiteten Messwerte der WM-Mikrostruktur (Tamnes et al., im Druck) wurde mit intellektuellen Fähigkeiten in Verbindung gebracht. Eine aktuelle multimodale Bildgebungsstudie zeigte, dass Zusammenhänge zwischen der Reifung der Mikrostruktur der WM und Messungen der funktionellen Konnektivität mit der Leistung bei einer Hemmungsaufgabe zusammenhängen (Stevens, Skudlarski, Pearlson & Calhoun, 2009). Diese Studien belegen Zusammenhänge zwischen der strukturellen Reifung des Gehirns und höheren kognitiven Funktionen. Die Zusammenhänge zwischen exekutiven Funktionen und strukturellen Eigenschaften der Hirnrinde in der Entwicklung wurden jedoch noch nicht gründlich untersucht. Das Ziel der vorliegenden Querschnittsstudie war es, die Zusammenhänge zwischen verschiedenen exekutiven Funktionen und der kortikalen Dicke in der Entwicklung zu untersuchen. 98 gesunde Teilnehmer im Alter von 8 bis 19 Jahren absolvierten eine Reihe von neuropsychologischen Tests, die vorwiegend die exekutiven Funktionen Aktualisierung, Hemmung und Umschaltung untersuchen, und die Leistung wurde mit MRT-basierten Messungen der kortikalen Dicke in Beziehung gesetzt. Das Hauptziel bestand darin, zu untersuchen, ob die kortikale Reifung und insbesondere die Reifung des präfrontalen Kortex mit dem Niveau der exekutiven Funktionen zusammenhängt. Da die kortikale Reifung in der Adoleszenz mit einer Ausdünnung einhergeht und eine schnellere Ausdünnung mit einem höheren allgemeinen kognitiven Leistungsniveau assoziiert ist (Shaw et al., 2006), erwarteten wir negative Zusammenhänge zwischen exekutiven Funktionen und kortikaler Dicke und dass Teilnehmer mit höheren Leistungsniveaus stärkere negative Zusammenhänge zwischen Alter und kortikaler Dicke aufweisen würden.
Auszüge aus Abschnitten
Teilnehmer Die Stichprobe wurde aus der ersten Welle eines laufenden Längsschnittforschungsprojekts am Zentrum für die Erforschung der menschlichen Kognition der Universität Oslo (Neurokognitive Entwicklung) gezogen. Die Studie wurde von der Regionalen Ethikkommission Südnorwegen (REK-Sør) genehmigt. Die Freiwilligen wurden über Zeitungsanzeigen und über lokale Schulen und Arbeitsplätze rekrutiert. Es wurden Vorauswahlgespräche mit den Eltern/Erziehungsberechtigten und mit den Teilnehmern im Alter von 16 bis 19 Jahren geführt. Die Teilnehmer mussten rechtschaffen sein.
Verhaltensbezogene Ergebnisse Die deskriptive Statistik für die einzelnen Bedingungen bei den Aufgaben zur Bearbeitungszeit ist in Tabelle 2 dargestellt. Bei der Stroop-Aufgabe ergaben gepaarte t-Tests eine signifikant längere durchschnittliche Bearbeitungszeit in der Hemmungsbedingung als in der Farbbezeichnungsbedingung (t(97) = 17,48, p < 0,001). Bei der Plus-Minus-Aufgabe wurde eine signifikant längere Bearbeitungszeit in der Umstellungsbedingung beobachtet als sowohl in der Plus-Bedingung (t(97) = 12,38, p < 0,001) als auch in der Minus-Bedingung (t(97) = 8,54, p < 0,001). Für den Trail
Diskussion Die wichtigsten Ergebnisse der vorliegenden Studie waren, dass (1) unabhängig vom Alter die Leistung bei den Aufgaben „Keep track” und „Antisaccade” negativ mit der kortikalen Dicke in den parietalen und frontalen Regionen (Keep track) sowie in den okzipitalen und parietalen Regionen (Antisaccade) korrelierte und dass (2) die Stärke der Zusammenhänge zwischen Alter und kortikaler Dicke in den (Keep Track) sowie okzipitalen und parietalen (Antisakkaden) Regionen, und dass (2) die Stärke der Zusammenhänge zwischen Alter und kortikaler Dicke in posterioren Hirnregionen mit den Leistungsniveaus bei den Antisakkaden- und Stroop-Aufgaben korrelierte. Die anderen Verhaltensmaße zeigten keine signifikanten Zusammenhänge.
Danksagung Diese Studie wurde durch Zuschüsse des norwegischen Forschungsrats (177404/W50 und 186092/V50 an K.B.W., 170837/V50 an Ivar Reinvang), der Universität Oslo (an K.B.W.) und des Fachbereichs Psychologie der Universität Oslo (an A.M.F.) unterstützt. Die Autoren erklären, dass keine finanziellen Interessenkonflikte bestehen. Wir danken M. Torstveit und V.T. Sells für ihre Hilfe bei der Datenerhebung. Wir danken auch allen Teilnehmern sowie den Eltern der Kinder, die an der Studie teilgenommen haben.