The role of the basalganglia to the perception of gestures - investigations with fMRI and PET

In dieser Arbeit wurde die Rolle der Basalganglien in der Gestikerkennung mit Hilfe eines multimodalen Ansatzes untersucht. Um die spezifische Rolle der Basalganglien zu beleuchten, wurde Parkinson Patienten im Vergleich zu einer altersangepassten Kontrollgruppe Videomaterial mit unterschiedlichen Arten von Bewegungen (isolierte Handbewegungen, nicht-emotionale körperbezogene Bewegungen und Ausdrucksgesten) gezeigt, während die BOLD-Aktivität (Blood Oxygenation Level Dependent contrast) im Kernspintomographen gemessen wurde. Um Aussagen darüber treffen zu können, in wieweit die Unterschiede zwischen den beiden Gruppen spezifisch für die Parkinsonerkrankung bzw. für die damit einhergehenden Veränderungen in den Basalganglien ist, korrelierten wir die fMRT-Ergebnsisse und Fehleranzahl in der Gestikerkennung mit einer PET - Messung der Dopamintransporterverfügbarkeit (DAT) im Putamen mit [11C]d-threo-methylphenidate sowie den klinischen Parametern (UPDRS, Hoehn und Yahr scale). Das Striatum ist über mehrere parallele Schleifen mit temporalen, limbischen und präfrontalen Arealen verbunden, die bei gesunden Probanden in die Gestik- und Gesichtererkennung eingebunden sind. Die Patienten zeigten durchschnittlich eine um 26% herabgesetzte Dopamintransporterverfügbarkeit gegenüber den alterskorrigierten gesunden Kontrollen. Diese Verminderung korrelierte nicht nur mit der klinischen Symptomatik der Patienten sondern auch mit der Fehleranzahl in der Gestikerkennung. Diese Veränderungen gingen mit einer verminderten Aktivität im Putamen gegenüber den gesunden Probanden während der Präsentation aller drei Arten von Bewegungen einher, die über die Basalganglienschleifen in verschiedenen Arealen des Gehirns Aktivitätsänderungen hervorrief. Während aller Paradigmen zeigte sich bei den Patienten eine verminderte Aktivität in motorischen und somatosensorischen Arealen im Sinne einer Beeinträchtigung interner Bewegungsprogramme, sowie in temporalen Arealen der Gesichtererkennung und der Wahrnehmung sozialer Stimuli. Durch die größere soziale Relevanz, sowie Einbeziehung von Gesicht und Oberkörper werden Unterschiede in Temporalen Arealen der sozialen Wahrnehmung und Identität (Temporalpol und STS) bei körperbezogenen Bewegungen und Ausdrucksgesten deutlicher. Spezifisch für die Beobachtung von Ausdrucksgesten zeigten sich verminderte Aktivierungen im VLPFC (BA 47) links und dem STS rechts. Darüberhinaus war die Aktivierung im VLPFC umso geringer je geringer die DAT des linken Putamens ausfiel. Zusätzlich wurde bei den Ausdrucksgesten eine verminderte Aktivität der Amygdala deutlich. Dies könnte ein weiterer Hinweis sein für die Art der Involvierung des Putamens in emotionale Prozesse. Dagegen zeigte sich umso mehr Aktivierung der Insel, je größer die Fehleranzahl der Patienten in der Gestikerkennung war – möglicherweise ein Kompensationsmechanismus. Wir folgern daraus, dass die Reduzierung der DAT im Putamen zur Verminderung des ventrolateralen präfrontalen Zugangs führt, der an der Verarbeitung von Ausdrucksgesten beteiligt ist.In this work we investigated the role of the basal ganglia in gesture recognition through a multimodal approach. To put light into the specific role of the basalganglia, videoclips of different types of movement (isolated hand movements, non-emotional body referred movements and expressive gestures) were presented to Parkinson Patients and compared to an age matched control group, while the BOLD activity was measured in the magnetical resonance tomograph. To be able to conclude about how specific the differences in between the groups would be for the Parkinsons disease, i.e. for the changes within the basal ganglia that come along with the disease, we correlated the fMRI results and the number of mistakes in gesture recognition with a PET-measurement of the dopamine transporter availability (DTA) in the Putamen with [11C]d-threo-methylphenidate as well as with the clinical parameters (UPDRS, Hoehn and Yahr scale). The striate is connected through several parallel loops with the temporal, limbic and prefrontal areas, which are enroled in gesture and face recognition in healthy subjects. The patients showed an averaged 26% reduced dopamine transport availability compared to the age corrected healthy controls. This reduction correlated not only to the clinical symptoms of the patients but also to the number of mistakes in gesture recognition. These changes correlated with reduced activity within the putamen compared to healthy controls during the presentation of all three kinds of movements, which induced changes of activity in different areas of the brain through the basal ganglia loops. During all paradigms reduced activity was shown in patients in motor and somatosensoric areas in terms of an impairment of internal movement programs, as well as in temporal areas of face recognition and perception of social stimuli. Through the greater social relevance, as well as through the inclusion of face and trunk in body referred movements and expressive gestures, the differences in temporal areas of social perception and identy (temporal pole and STS) become more apparent. Specific for the observation of expressive gestures, reduced activity is shown in the left VLPFC (BA 47) and the right STS. Moreover, the less DTA was present in the left putamen, the lower was the activation in the left VLPFC. In contrast, increased number of mistakes in emotional gesture recognition correlated with increased activation in the bilateral insula – a possible compensation for decreased recognition. We conclude that reduction of DTA in the putamen results in a reduction of ventrolateral prefrontal access involved in the recognition of emotional gestures. Additionaly the Amygdala showed reduced activity during the expressive gesture presentation. This could be one further clue for the involvement of the putamen into emotional processes. In contrast the insula showed more activity the greater the number of mistakes of the patients in gesture recognition was – maybe a process of compensation. We conclude therefore that the reduction of the DTA in the Putamen leads to a reduction of the ventrolateral prefrontal acces, which is involved in the processing of expressive gestures