The effects of visual and premotor representations in working memory on visual discrimination in humans

Entscheidend für umweltadaptiertes willkürliches Verhalten ist die Selektion verhaltensrelevanter visueller Information durch Aufmerksamkeit ebenso wie das kurzfristige Speichern dieser Wahrnehmungsinhalte im Arbeitsgedächtnis. Bisherige experimentelle und klinische Befunde legen eine enge Interaktion dieser beiden kognitiven Funktionen nahe, die frühere Verhaltensexperimente durch eine Fazilitierung visueller Verarbeitung durch Arbeitsgedächtnisrepräsentationen belegten. Kürzlich publizierte Studien stellen eine solch obligate Kopplung jedoch in Frage und sprechen dafür, dass, je nach Verhaltenskontext, Arbeitsgedächtnisrepräsentationen sowohl fazilitierende als auch inhibitorische Effekte auf visuelle Verarbeitung haben können. In der vorliegenden Arbeit wurde die Frage untersucht, unter welchen Bedingungen Arbeitsgedächtnisrepräsentationen einen inhibitorischen Effekt auf visuelle Wahrnehmungsprozesse ausüben können. Varianten eines Gedächtnissakkadenparadigmas mit Pro- und Anti-Gedächtnissakkaden wurden mit einer visuellen Diskriminationsaufgabe kombiniert. Die manuellen Reaktionszeiten auf den Diskriminationsstimulus wurden in Abhängigkeit von seiner räumlichen Position zu dem Gedächtnisstimulus und der Augenbewegung ausgewertet, so dass separat der Effekt der visuellen und motorischen Arbeitsgedächtnisrepräsentationen auf visuelle Aufmerksamkeit untersuchen werden konnte. In einem zweiten Experiment wurde bei einem sonst identischen Versuchsaufbau allein der Grad der Stimulus-Antwort-Assoziation variiert, um zu untersuchen, ob eine vorab festgelegte Stimulus-Antwort-Assoziation eine Bedingung für das Auftreten des inhibitorischen Effektes auf visuelle Verarbeitung ist. Im ersten Experiment zeigte sich eine deutliche vorübergehende Verlängerung der Reaktionszeiten auf den Diskriminationsstimulus, wenn dieser an der Position des visuellen Gedächtnisstimulus präsentiert wurde. Für die Entstehung des inhibitorischen Effekts scheint also die visuelle und nicht die motorische Gedächtnisrepräsentation maßgeblich zu sein. Das zweite Experiment zeigte darüberhinaus, dass die alleinige visuelle Gedächtnisrepräsentation nicht ausreicht, den inhibitorischen Effekt hervorzurufen, sondern dass die Inhibition kritisch von einer vollständig definierten Stimulus-Antwort- Assoziation abhängt. Es scheint demnach eine flexible Interaktion von visueller Aufmerksamkeit und Arbeitsgedächtnis zu geben, die je nach Verhaltenskontext visuelle Verabreitung fazilitieren oder inhibieren kann und so während der Repräsentation verhaltensrelevanter Information im Arbeitsgedächtnis eine flexible Orientierung hin zu neuer Information fördert. Der beobachteten Inhibition liegt als neuronales Substrat möglicherweise der dorsolaterale präfrontale Kortex zugrunde, der nicht nur eine zentrale Rolle für visuell-räumliches Arbeitsgedächtnis spielt und die Inhibition reflektorischen Verhaltens vermittelt, sondern auch entscheidend für die Repräsentation von Stimulus-Antwort-Assoziationen ist.Voluntary behavior depends critically on attentional selection of visual information as much as short-term maintenance of this information in working memory. Recent experminental and clinical data suggest a close interaction of these two cognitive functions – a notion which has been supported by behavioral studies showing a facilitation of visual processing by working memory representations. Recent studies, however, call this tight coupling into question and suggest that working memory can lead to facilitation or inhibition of visual processing, depending on the behavioral context. This study examines the circumstances under which working memory has an inhibitory effect on visual processing. A memory-guided saccade paradigm with memory guided pro- and antisaccades was combined with a visual discrimination task. The manual responses in the discrimination task were analyzed in dependance of the position of the discrimination stimulus to the visual memory cue and the direction of the eye movement to explore seperately the effect of visual and motor representations in working memory on visual attention. In a second experiment with an identical perceptual design we varied only the stimulus- response-association in order to examine if an ex ante defined stimulus- response association is a critical condition for an inhibitory effect of working memory on visual processing. The results of the first experiment show a clear preliminary slowing of manual responses in the discrimination task if the discrimination stimulus was presented at the same location as the memory cue. The inhibitory effect seems to be caused by the representation of the visual memory cue and not by the representation of the motor reponse in working memory. Moreover, the second experiment showed that the sole representation of a visual cue in working memory does not suffice to elicit the inhibitory effect. The inhibitory effect depends cirtically upon a defined stimulus-response association. Hence, these data suggest a flexible interaction of visual attention and working memory with a possible inhibition or facilitation of visual processing depending on the behavioral context, encouraging a flexible orienting towards novel information during maintenance of relevant information for forthcoming actions. The dorsolateral prefrontal cortex is a likely substrate for the observed inhibition – not only does it play a ciritcal role in visuospatial working memory and the inhibition of reflexive behavior, but it is also crucial for the representation of stimulus- response associations