Erhöhte Arbeitsgedächtnisbelastung aktiviert oberflächliche Schichten des dorsolateralen Präfrontalkortex
Der dorsolaterale Präfrontalkortex (dlPFC) ist nachweisbar am Arbeitsgedächtnis (WM) beteiligt, aber die schichtspezifischen Schaltkreise, die dessen Funktion zugrunde liegen, sind nicht gut verstanden. Hinweise aus der Elektrophysiologie von nicht-menschlichen Primaten legen nahe, dass die oberflächlichen Schichten des dlPFC rekurrente Verbindungen haben könnten, die die Aufrechterhaltung des Arbeitsgedächtnisses in der Verzögerungsphase unterstützen, während die tiefen Schichten als Ausgangsschichten mit Verbindungen zu premotorischen Bereichen angesehen werden (Goldman-Rakic 1995, Miller et al. 2018). Eine fMRT-Studie am Menschen (Finn et al., 2019) zeigte eine stärkere Beteiligung der oberflächlichen Schichten bei der Manipulation im Vergleich zum bloßen Erinnern von verbalen Arbeitsgedächtnisinhalten. Wir vermuteten, dass eine solche stärkere Beteiligung auch bei einer Zunahme der Arbeitsgedächtnisbelastung eintreten würde. Wir erhoben laminare fMRT-Daten während einer verzögerten Übereinstimmungsaufgabe und variierten die Arbeitsgedächtnisbelastung und die Anforderung an eine motorische Reaktion und vermuteten, dass eine höhere Belastung zu einer bevorzugten Aktivierung der oberflächlichen Schichten des linken dlPFC während der Verzögerungsphase führen würde, während die Auswahl einer motorischen Reaktion (Tastendruck) die tiefen Schichten aktivieren würde.
Wir haben Daten von neun Probanden mit Hilfe von fMRT bei 7 Tesla aufgenommen. Abbildung 1a zeigt univariate Zeitverläufe der Aktivität in oberflächlichen (links) und tiefen (rechts) Schichten des dlPFC für hohe und niedrige Belastungsbedingungen (oben) und motorische Bedingungen (Tastendruck oder Enthalten; unten). Die schattierte Fläche zeigt den Standardfehler über die Teilnehmer hinweg an. Die grauen transparenten Rechtecke zeigen die die Verzögerungsphase (11,3 s - 15,1 s) und die Abrufphase (20,7 s - 24,5 s) an. Wir haben einen Belastungseffekt (Abbildung 1b) pro Proband berechnet, indem wir den Zeitverlauf der niedrigen Belastung vom Zeitverlauf der hohen Belastung abgezogen und die zur Verzögerungsphase (11,3 s - 15,1 s) gehörenden Zeitpunkte gemittelt haben. Der motorische Effekt wurde pro Proband berechnet, indem wir den Zeitverlauf des Enthaltens vom Zeitverlauf der motorischen Reaktion abgezogen und die Zeitpunkte in der Abrufphase (20,7 s - 24,5 s) gemittelt haben. Der Stern zeigt p<0,05 (Bonferroni-korrigiert für multiple Vergleiche innerhalb einer ROI) an. Die Fehlerbalken zeigen den Standardfehler über die Teilnehmer hinweg an. Abbildungen 1c und 1d sind identisch mit Abbildungen 1a und 1b, jedoch für Kontrollregionen.
Zusammengefasst zeigt Abbildung 1, dass es einen univariaten Anstieg der Aktivität in den oberflächlichen Schichten während der frühen Verzögerungsphase bei höherer Belastung gab.
Allerdings sind individuellen Voxelaktivitäten innerhalb jeder Schicht der ROI nicht zwangsläufig homogen. Um solche multivariaten Muster zu erkennen, haben wir einen Klassifikator (lineare Support-Vektor-Maschine) trainiert, um zwischen beiden Belastungs- und motorischen Bedingungen zu unterscheiden.
In Abbildung 2a zeigt das obere Diagramm den zeitlichen Verlauf der Dekodierungsgenauigkeit für hohe vs. niedrige Belastungsbedingungen im Laufe der Zeit in den oberflächlichen (dunkelbraun) und tiefen (hellbraunen) Schichten des dlPFC. Das untere Diagramm zeigt die Dekodierungsgenauigkeit für die motorischen Bedingungen im Laufe der Zeit in den oberflächlichen (dunkelviolett) und tiefen (hellviolett) Schichten des dlPFC. Kleine, mittlere und große Diamanten zeigen Signifikanzniveaus von p<0,05, p<0,01 und p<0,001 an (nicht korrigiert für multiple Vergleiche entlang der Zeit). Die Diamanten unter den Zeitverläufen zeigen die Signifikanz der Dekodierung in den oberflächlichen und tiefen Schichten (in ihrer entsprechenden Farbe) an. Die schwarzen Diamanten über den Zeitverläufen zeigen den Vergleich zwischen den Schichten zu einem bestimmten Zeitpunkt an. Abbildung 2a ist identisch mit Abbildung 2b, jedoch für Kontrollregionen. Abbildung 2c zeigt die zeitliche Kreuzdekodierung der Belastung aus den oberflächlichen und tiefen Schichten des dlPFC. Das obere und untere Diagramm zeigen die oberflächlichen bzw. tiefen Schichten an. Ein Klassifikator, der jeweils für jeden Zeitpunkt trainiert wurde, wurde auf denselben und alle anderen Zeitpunkte getestet. Die Diagonale des oberen und unteren Diagramms entspricht der Klassifikationsgenauigkeit der Belastung in Abbildung 2a. Die markierten Punkte zeigen alle signifikanten Zeitpunkte innerhalb einer Schicht (Cluster-Permutation gegen null). Abbildung 2d zeigt Zeitverläufe der Dekodierungsgenauigkeit, wenn während der Kodierungsphase (oben; 10s), Verzögerungsphase (Mitte; 16s) und Abrufphase (unten; 24s) trainiert und auf denselben und alle anderen Zeitpunkte getestet wurde. Die Spalten bei 10s, 16s und 24s in Abbildung 2c entsprechen den Zeitverläufen oben, in der Mitte und unten.
Zusammengefasst zeigt Abbildung 2, dass es eine höhere Dekodierungsgenauigkeit in den oberflächlichen Schichten, während der Kodierungs-, frühen Verzögerungs- und Abrufphasen gab. Wir konnten auch die Anwesenheit oder Abwesenheit einer motorischen Reaktion aus beiden oberflächlichen und tiefen Schichten während der Reaktionsphase dekodieren, jedoch wurde kein Unterschied zwischen den Schichten festgestellt. Die Dekodierungsergebnisse für Belastung und motorische Reaktion waren im dlPFC stärker ausgeprägt als in einer Gruppe von linken frontalen Kontrollregionen, die zum cingulo-operculären Netzwerk (COP) gehören. Schließlich zeigte die zeitliche Kreuzdekodierungsanalyse zeitlich verändernde Aktivitätsmuster in den oberflächlichen Schichten des dlPFC. Unsere Ergebnisse unterstützen eine allgemeinere Rolle der oberflächlichen Schichten des dlPFC bei der Aufrechterhaltung des Arbeitsgedächtnisses mit unterschiedlichen Aktivitätsverteilungen bei Kodierung, Verzögerung und Abruf.
