Laminare fMRT im menschlichen Präfrontalkortex bei 7T: Eine Replikationsstudie über schichtspezifische Aktivität beim Arbeitsgedächtnis
Eine kürzlich durchgeführte fMRT-Studie (Finn et al., 2019) zeigte schichtspezifische Aktivierung im dorsolateralen präfrontalen Kortex (dlPFC) während einer Arbeitsgedächtnisaufgabe mit VASO fMRT bei 7T. Die oberen kortikalen Schichten waren während der Verzögerungsphase, wenn Gedächtnisinhalte manipuliert werden mussten, aktiver als bei deren bloßer Aufrechterhaltung. Im Gegensatz dazu waren die tieferen Schichten aktiver, wenn die Teilnehmer durch Drücken einer Taste reagieren mussten. Wie viele aktuelle schichtspezifische fMRT-Studien beruhte auch diese Studie auf mehreren manuellen oder halbmanuellen Analyseschritten, einschließlich der Auswahl der zu analysierenden Region (region of interest; ROI). Um jedoch den Schritt von der methodischen Demonstration zur routinemäßigen Anwendung in der kognitiven neurowissenschaftlichen Forschung zu schaffen, ist es wichtig, die Robustheit solcher Ergebnisse zu bestätigen, idealerweise mit einem automatischeren Analyseansatz.
Wir wiederholten dieses Experiment mit 21 Teilnehmern und analysierten es mit einem vollautomatischen und reproduzierbaren präregistrierten Analyseansatz. Die ROIs wurden durch Kombination von anatomischen Informationen aus dem HCP MMP 1.0-Atlas (Glasser et al., 2016) und anhand der Tatsache bestimmt, ob eine Region durch das experimentelle Paradigma aktiviert wurde (Abb. 1). Wir wählten das größte Aktivierungscluster aus, das p9-46v überlappte einschließlich aller zusammenhängenden Voxel, die entweder zu p9-46v oder zu einer der umliegenden Regionen (46, 8C, IFSp, IFSa) gehörten, um Unsicherheiten bei der Lokalisierung von Regionen in einzelnen Versuchspersonen zu berücksichtigen. Diese ROI wurde dann auf der Grundlage von Bestimmung der kortikalen Tiefe in eine obere und eine tiefe Schicht aufgeteilt. Wie Finn et al. (2019) haben wir die Zeitverläufe aus beiden Schichten ermittelt und das Signal während der Verzögerungs- und Reaktionsphase analysiert.
Abb. 2A zeigt gemittelte VASO-Zeitverläufe für obere (obere Zeile) und tiefere Schichten (untere Zeile) für Alphabetisierung vs. Erinnern (links), Aktion vs. Nicht-Aktion (Mitte) und Unterschiede zwischen den Bedingungen aus beiden Typen von Durchläufen. Jedes Feld zeigt die negative prozentuale VASO-Signalantwort, d.h. ein Maß für die Veränderung des zerebralen Blutvolumens und die Aktivierung, als Funktion der Zeit. Eine Sequenz von 5 zufälligen Buchstaben wurde bei t = 0 s präsentiert. Bei t = 4 s zeigte ein Hinweis an, ob die Teilnehmer die Sequenz alphabetisch ordnen oder in ihrer ursprünglichen Reihenfolge merken mussten. Bei t = 14 s wurde ein Buchstabe abgefragt, und die Teilnehmer mussten mit einem Tastendruck reagieren. Das schattierte Band zeigt das 95%ige Konfidenzintervall über alle Probanden an. Die gefüllten Kreise und die offenen Kreise stellen die Datenpunkte der Kontraste zwischen den Bedingungen für die Verzögerungs- bzw. Reaktionsphase dar. Diese Datenpunkte wurden gemittelt und weiter analysiert (Abb. 2B). Unsere Ergebnisse zeigen nicht die gleichen schichtspezifischen Effekte wie Finn et al. (2019). Die Interaktion zwischen der Art des Kontrasts und der Schicht war für beide Perioden nicht signifikant. Es gibt einen nicht-signifikanten Trend für eine höhere Aktivität der oberen Schicht in der Verzögerungsphase, der spezifisch für die Manipulation ist. Auch die Bootstrappinganalyse der Interaktionseffekte (Abb. 2C) deutet darauf hin, dass ein möglicher kleiner Effekt, für den unsere Messung möglicherweise nicht empfindlich genug ist, viel kleiner sein dürfte als von Finn et al. (2019) berichtet. Wichtig ist, dass wir keine Hinweise auf einen Effekt für die motorische Reaktion, der für die tiefe Schicht spezifisch ist, gefunden haben. Darüber hinaus ergab eine explorative Gruppenanalyse der experimentellen Kontraste eine aufgabenspezifische Aktivierung in einer Menge lateraler präfrontaler und parietaler Regionen außerhalb unserer ROI (z-Statistik auf der flachen Kortexdarstellung in Abb. 3) mit ähnlichen Aktivierungszeitverläufen und Schichtprofilen während dieser Aufgabe.
Wir kommen zu dem Schluss, dass die Erkenntnisse für die Art der laminaren Aktivität im menschlichen dlPFC während Arbeitsgedächtnisaufgaben noch nicht schlüssig sind. Die weite Verteilung der beteiligten Regionen unterstreicht die Notwendigkeit einer prinzipiellen und reproduzierbaren Definition der ROIs. Es ist notwendig, weiter zu untersuchen, welche methodischen Unterschiede zu den unterschiedlichen Ergebnissen der einzelnen Studien geführt haben könnten.
