The dependency of visual working memory for motion on the spatial separation in psychophysical tasks with humans

Das visuelle Arbeitsgedächtnis (visual working memory, VWM) ist eine Art Notizblock für visuelle Gedächtnisinhalte, welches dazu beiträgt, über die Dauer der sensorischen Stimulation hinaus Eigenschaften der Umwelt erfahrbar zu machen, mit anderen Reizen in Bezug zu setzen und auf dieser Basis Verhalten zu steuern. Üblicher Weise wird die Leistung des Arbeitsgedächtnisses im präfrontalen Kortex angesiedelt, welcher Neurone bereithält, die Reizeigenschaften über die Dauer der Reizdarbietung hinweg zu repräsentieren vermögen. Das frühere Dogma, dass solche Neurone ausschliesslich im phylogentisch jungen Präfrontalkortex anzutreffen sind, mußte durch jüngere Untersuchungen beim Affen revidiert werden, insofern Neurone mit ähnlichen Eigenschaften bereits in frühen visuellen Arealen beschrieben wurden. Ein zentraler Ausgangpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Beobachtung, dass sich das Verhalten von Rhesusaffen in Arbeitsgedächtnis-Aufgaben mit Bewegungsreizen sehr gut auf bekannte Eigenschaften der sogenannten Area MT, eines frühen visuellen Areals, das auf die Analyse visueller Bewegung spezialisiert ist, abbilden lässt. Konkret konnte gezeigt werden, dass das Arbeitsgedächtnis für sequenziell präsentierte Bewegungsreize kritisch von deren räumlichem Abstand zueinander abhängt (Zaksas et al. 2001). Die spezifischen räumlichen Bezüge spiegelten hierbei die retinotope Organisation der Area MT wider. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch Einsatz geeigneter psychophysischer Methoden zu prüfen, ob auch beim Menschen, dessen präfrontaler Kortex ungleich weiter entwickelt ist als beim Rhesusaffen, ähnliche Abhängigkeiten bestehen wie im Tierexperiment. Im Ergebnis zeigte sich eine doppelte Dissoziation. Anders als bei Rhesusafffen, für welche die Leistungen in der Arbeitsgedächtnis-Aufgabe für Bewegungsreize von räumlichen Bezügen in einem engen Raster abhingen (Zaksas et al. 2001), fand sich in der vorliegenden Arbeit eine solche Abhängigkeit bei den Humanprobanden nicht. Räumliche Einflüsse auf Arbeitsgedächtnisleistungen fanden sich stattdessen im Sinne von Hemisphäreneffekten, die nicht auf die Architektur der Area MT abzubilden sind, sondern im Sinne eines als ‚bilateral advantage’ bekannt gewordenen Phänomens zu interpretieren sind. Das Phänomen des ‚bilateral advantage’ wiederum fehlte in den tierexperimentellen Studien (Zaksas et al., 2001). Diese Dissoziation spricht für grundlegende Unterschiede der neuronalen Implementierung des visuellen Arbeitsgedächtnisses zwischen humanen und nicht-humanen Primaten. Während bei Rhesusaffen die Leistung des VWM wesentlich auf frühen visuellen Karten des Kortex zu basieren scheint, werden beim Menschen vermutlich in weit größerem Umfang spätere Areale mit bilateralen Repräsentationen rekrutiert.The visual working memory is a sketchpad for visual impressions encountered in everyday life. This sketchpad has only limited capacity and data is stored for only a limited time. In the prefrontal cortex sustained firing neurons are located building the neuronal basis of this sketchpad. Recently, in a number of monkey experiments neurons in the downstream visual cortex have also been recognized as an important location in visual working memory and also neurons in the Area MT, an area specialized for motion discrimination, located in the middle temporal gyrus seem to play a role in the visual working memory for motion (Zaksas et al., 2001). In these findings the motion discrimination accuracy depended significantly on the distance between the random dot kinematograms used. This distance corresponded well with the receptive field of Area MT neurons. This suggests a critical role of Area MT in visual working memory for motion discrimination. We wanted to psychophysically look at the role of Area MT in humans to see if it plays the same role in the visual working memory for motion in humans as suggested by the monkey experiments. Therefore we conducted three experiments with random-dot-kinematograms with different distances between them. In these experiments we addressed one or both hemispheres sequentially. We had two main results: First of all, the same experiment in humans than in monkeys revealed no significant dependencies of the visual working memory for motion on a spatial distribution of the random dot kinematograms. It seems that Area MT does not play the same role in visual working memory in humans than in monkeys. Secondly the results in our last experiment revealed a new effect on sequential visual motion discrimination. Humans have a better visual working memory for motion when comprising both hemispheres in solving the task. This effect has been shown for simultaneous motion discrimination before (Umemoto et al., 2010) and was called “bilateral advantage”. Here the “bilateral advantage” is shown for the first time in sequential motion discrimination