Dissecting the human medial temporal lobe memory system by functional MRI

Weis, Christine Susanne; Willmes-von Hinckeldey, Klaus

doi:983

Dissecting the human medial temporal lobe memory system by functional MRI

Weis, Christine Susanne (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christine Susanne Weis

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

Umfang136 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Willmes-von Hinckeldey, Klaus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-11-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9839
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59741/files/Weis_Christine.pdf

Einrichtungen

Medizinische Fakultät (510000-1)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Medizin (frei) ; Declarative Memory (frei) ; event-related fMRI (frei) ; Recollection (frei) ; Familiarity (frei) ; Hippocampus (frei) ; Source Memory (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Diese Arbeit umfasst zwei Studien, die es zum Ziel haben, verschiedene Gedächtnisprozesse im gesunden menschlichen Gehirn mit Hilfe der funktionellen Kernspintomographie (fMRT) abzugrenzen. Dabei liegt das besondere Augenmerk auf den Funktionen des medialen Temporallappens (MTL). Die erste Studie untersucht gemeinsame neuronalen Korrelate der Gedächtnisbildung und des Abrufes aus dem Gedächtnis. Gesunden Probanden wurden untersucht, während sie Fotographien von Gebäuden und Landschaften lernten und diese später unter neuen Fotographien wieder erkennen mussten. Im Einklang mit früheren Befunden fand sich während der erfolgreichen Einspeicherung ins Gedächtnis ein Aktivitätsanstieg im MTL und im anterioren präfrontalen Kortex. Ebenso konnten frühere Befunde bezüglich des so genannten old/new effects, stärkere Hirnaktivität während des Erinnerns richtig erkannter alter Stimuli (hits) gegenüber richtig erkannten neuen Stimuli (correct rejections), repliziert werden. Dieser Kontrast zeigt, das Aktivität in spezifischen Regionen des Parietallappens, im anterioren präfrontalen Kortex, im anterioren Cingulum und im Kleinhirn mit dem Abruf aus dem deklarativen Gedächtnis korreliert. Der positive Recognition Effect, den Vergleich zwischen der Hirnaktivität während des Erinnerns zwischen hits und nicht erkannten alten Stimuli (misses), zeigt ebenfalls Aktivierungen in präfrontalen und parietalen Arealen sowie im Kleinhirn. Demgegenüber ist der negative Recognition Effect, verringerte Aktivität für hits gegenüber misses in einem Areal im anterioren MTL lokalisiert. Dies bedeutet, dass erfolgreicher Abruf aus dem Gedächtnis sowohl mit einem Anstieg als auch mit einer Verminderung der neuronalen Aktivität einhergehen kann. Gedächtniseinspeicherung und Abruf auf dem Gedächtnis wurden in einer gemeinsamen Studie untersucht. Daher war es möglich, eine Konjunktions-Analyse zu verwenden, um überlappende neuronale Korrelate der Gedächtnis-Bildung und des Gedächtnis-Abrufes darzustellen. Diese Analyse identifizierte ein gemeinsames Netzwerk für Gedächtnis-Bildung und -Abruf im MTL und im Kleinhirn. Anhand der Ergebnisse der ersten Studie konnte der Charakter der Aktivierungen im MTL nicht näher spezifiziert werden. So genannte Dual-process Modelle des Gedächtnisabrufes postulieren einen qualitativen Unterschied zwischen der Erinnerung von Objekten mit oder ohne kontextuelle Information. Um die Hypothese zu prüfen, dass unterschiedliche MTL Prozesse mit kontextueller Wiedererkennung sowie Objekterkennung einhergehen, wurden die gleichen Fotographien von Gebäuden und Landschaften wie in der ersten Studie als Stimuli verwendet. Ein Kontext wurde eingeführt, indem die Fotographien während der Lernphase in verschiedenen Farben präsentiert wurden. Während der Wiedererkennung wurden alle Stimuli als schwarz-weisse Bilder präsentiert und die Farbe des Bildes während des Lernens wurde als Kontextinformation abgefragt. Somit konnten neuronalen Korrelate von Rekollektion und Familiarität gegeneinander abgegrenzt werden. Als Maß für Rekollektion wurde der positive Source Memory Effect eingeführt, der Unterschied in der Gehirnaktivierung zwischen hits mit und ohne korrekter kontextueller Information. Dieser Kontrast zeigte bilaterale Aktivierungen im MTL, die im Hippokampus zentriert sind. Demgegenüber grenzt der Item Recognition Effect, der Unterschied der Gehirnaktivierung für hits ohne Kontexterinnerung gegenüber misses, die Gehirnregionen ab, die an der Objekterkennung beteiligt sind. Der negative Item Recognition Effect identifizierte eine verminderte Aktivität während der Objekterkennung im anterioren MTL, vermutlich im anterioren parahippokampalen Gyrus. Diese Befunde sprechen für eine klare Trennung der Aufgaben verschiedener Teile des MTL, die entweder Rekollektion oder Objekterkennung unterstützen. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass der gesamte MTL an Gedächntnisprozessen beteiligt ist. Es sind jedoch unterschiedliche Teilprozesse, die im (peri)rhinalen Kortex und dem Hippokampus lokalisiert sind, zu unterscheiden. Während eine verminderte Aktivität im rhinalen Kortex ausreichend für die Erkennung von einzelnen Objekten ist, welche auf einem Familiaritätsignal beruht, ist ein Aktivitätsanstieg im Hippokampus wesentlich für die erfolgreiche Kontextwiederherstellung und rekollektives Gedächtnis.

The work presented in this thesis comprises two event-related functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies, which aim at dissociating the contributions of different subregions of the human medial temporal lobe (MTL) to declarative memory processes. The first study examines common neural correlates of memory encoding and recognition. Healthy subjects were scanned both while they memorized photographs of buildings and landscapes and while they tried to recognize these pictures in a series of new photographs. Confirming earlier findings, declarative memory formation correlated with an activity increase in the MTL and the inferior prefrontal cortex. Further, during recognition, stronger brain responses to correctly identified old items (hits) as compared to correctly identified new items were found in the parietal lobe, the anterior prefrontal cortex, the anterior cingulate and the cerebellum, replicating findings concerning the commonly used old/new effect. The positive recognition effect, stronger responses for hits than misses, identified activations in prefrontal, parietal, and cerebellar areas. The negative recognition effect, weaker brain responses for hits than misses offers the possibility to study whether recognition success can also be associated with regional brain activity decreases. In line with electrophysiological findings, this effect identified an activity decrease in the anterior MTL related to recognition success. Memory encoding and retrieval were examined in a single study-test experiment. Thus, it was possible to use a conjunction analysis to directly compare encoding- and retrieval-related activations within subjects. This analysis identified an integrated temporal-cerebellar network, whose activity correlates with both memory formation and retrieval. A question that remained open from the results of the above study concerns the nature of the activations identified during memory retrieval. Dual-process models of recognition memory propose that there is a qualitative distinction between the forms of memory that support recognition of an item which is accompanied as opposed to unaccompanied by contextual information. To objectively distinguish between subprocesses within recognition – whether an activation is related to recollection or familiarity – some sort of source memory judgment is needed. To test the hypothesis that distinct MTL operations are associated with either contextual retrieval or item recognition, the same photographs of buildings and landscapes as in the first study were employed as stimuli. A context was introduced by transforming the photographs into one of four single-color-scales: red, blue, yellow, or green. In the subsequent old/new recognition memory test, all stimuli were presented as plain grey scale photographs. By this manipulation, a source judgment referring to the color in which the stimulus was presented during study could be employed, with the aim to delineate neural correlates of truly recollective memory versus item recognition. As a measure for the neural correlates of contextual retrieval, the positive source memory effect was introduced: the difference in brain activity between hits with and without correct source judgment. This contrast revealed bilateral MTL activation, centered in the hippocampus. In contrast, the item recognition effect, the difference in brain activity for hits with incorrect source judgment as opposed to misses, delineates brain regions involved in item recognition unaccompanied by contextual retrieval. The negative item recognition effect, more activity for misses as opposed to hits without source, identified an activity decrease during item recognition in the anterior MTL, presumably the anterior parahippocampal gyrus. For the first time in the fMRI literature, these results suggest a clear-cut dissociation between human MTL operations that support either contextual retrieval or item recognition, two fundamental mnemonic operations in recognition memory. The data presented here clearly support a parsimonious view where the entire MTL supports recognition memory, but by different subprocesses accomplished by different substructures like the (peri)rhinal cortex and the hippocampus. While a reduction of activation in the rhinal cortex is sufficient for item recognition based on a familiarity signal, an activity increase in the hippocampus is essential for successful contextual retrieval and recollective memories.

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