Impact of Catechol-O-Methyltransferase genotyp on the function of dorsolateral prefrontal function and separation of visual-spatial and visual-object subcomponent of working memory

Hintergrund: Das visuelle Arbeitsgedächtnis ist eine Leistung des präfrontalen Kortex (PFC) und dient der kurzfristigen Speicherung und Manipulation visueller Information. Ein aufgabenspezifisches Modell des visuellen Arbeitsgedächtnisses unterteilt zwei inhaltlich und örtlich getrennte Subsysteme: Das visuell-räumliche Arbeitsgedächtnis (SWM) scheint vor allem im dorsolateralen PFC (DLPFC) und das visuell-bildliche (OWM) im ventrolateralen PFC (VLPFC) lokalisiert zu sein. Der Dopaminabbau im PFC wird entscheidend von dem Enzym Catechol-O-Methyltransferase (COMT) bestimmt. Es existiert ein funktioneller COMT-Val158Met-Polymorphismus, der aufgrund veränderter Enzymaktivität mit unterschiedlicher dopaminerger Aktivität im PFC verbunden ist. Ziele: Das Aufgabendesign zielte darauf ab, die funktionelle Trennung von SWM und OWM im PFC nachzuweisen und die aufgabenspezifische Hypothese zu testen. Als zweites Ziel der Studie sollte der mögliche Einfluss des COMT-Val158Met-Polymorphismus auf die Arbeitsgedächtnisleistung getestet werden. Methoden: Es wurden 100 körperlich und psychisch gesunde Probanden in einer funktionellen Nah-Infrarot Spektroskopie-Studie (fNIRS-Studie) mit einem visuellen Arbeitsgedächtnisparadigma untersucht. Die NIRS-Messung beruht auf dem Prinzip der neurovaskulären Kopplung. Es wurde eine rechteckige 30*6 cm große Messhaube über dem frontalen Kortex platziert und die Veränderungen von O2Hb und HHb während des Paradigmas bestimmt. Anschließend wurde eine Genotypisierung durchgeführt. Ergebnisse und Diskussion: Zwischen den Arbeitsgedächtnisaufgaben zeigte sich ein deutlicher linearer Zusammenhang für die Verhaltensdaten. Das SWM-Paradigma führte zu einem O2Hb-Anstieg und HHb-Abfall im DLPFC, womit sich eine selektive Aktivierung dieses Areals bestätigte. OWM-Aufgaben hingegen führten zu einem parallelen Anstieg von O2Hb und HHb im VLPFC. Mit der fNIRS-Untersuchung konnten Vorbefunde der funktionellen Bildgebung bestätigt werden, die eine aufgabenspezifische Gliederung des visuellen Arbeitsgedächtnisses postulieren. Ein funktioneller Zusammenhang zwischen dem COMT-Val158Met-Polymorphismus und dem Arbeitsgedächtnis konnte weder in den Verhaltensdaten noch in den Bildgebungsdaten nachgewiesen werden. Falls ein solcher Zusammenhang besteht, lag der fehlende Nachweis am ehesten in Task-Switching-Effekten des Studiendesigns begründet.Objective: Visual working memory is an accomplishment of the prefrontal cortex (PFC), which serves the maintenance and manipulation of visual information over a short period of time. A ‘domain-specific’ model of visual working memory divides it into two functionally and spatially separated subsystems: Visual location-based memory (SWM) seems to be located in the dorsolateral PFC (DLPFC), visual objective-based memory (OWM) to be located in the ventrolateral PFC (VLPFC). The turnover of dopamine is critically tuned by the enzyme catechol-o-methyl-transferasis (COMT). There is a functional COMT-Val158Met-polymorphism which is associated with different dopaminergic levels in PFC due to a change in enzyme-activity. Aim: The task design was conceived to evaluate the functional dissociation of SWM and OWM in the PFC and to test the ‘dopamin-specific’ hypothesis. Secondly the study aims at testing the possible contribution of COMT-Val158Met-polymorphism to working memory. Methods: Therefore 100 somatically and mentally healthy subjects were assessed by an event-related functional near-infrared-study (fNIRS) with a visual working memory paradigm. The NIRS relies on the principle of neurovascular coupling. A 30*6 cm rectangle probeset was applied on the frontal cortex and changes in O2Hb and HHb were measured during the paradigms. After that, genotyping of the COMT-polymorphism was conformed. Results and Discussion: There was a significant linear dependence of working memory task in regard of behavioral data. SWM paradigm was accompanied by some increase in O2Hb and parallel decrease of HHb in the DLPFC which is in line with a selective activity of this area in SWM. OWM paradigm led to a parallel increase of O2Hb and HHb in the VLPFC. With the NIRS technique it was possible to replicate prior findings of functional imaging studies which postulated a ‘domain specific’ organization of the visual working memory. It was not possible however, to determine any connection between the COMT-Val158Met-polymorphism and the working memory in behavioral or functional imaging data. If there is such an interaction, the missing proof might be due to task-switching-effects in the design of the study