Modulation der effektiven Konnektivität zwischen dem dorsalen anterioren cingulären Cortex (dACC) und den bilateralen auditorischen Cortexen durch die manuelle Antwort-Auswahl

Abstract

Der dorsale anteriore cinguläre Cortex (dACC) ist als kognitive Subdivision in einer Vielzahl von kognitiven Prozessen beteiligt, darunter Aufmerksamkeitsprozesse, Konflikt- und Fehler-Monitoring, Belohnungslernen, Antwort-Auswahl und Schmerzverarbeitung. Er agiert hierbei nicht in einem Vakuum, sondern als Teil verschiedener Funktionsnetzwerke im Gehirn. Eines hiervon ist das Temporo-Cinguläre, welches im Kontext der auditorischen Informationsverarbeitung anhand von Daten aus unterschiedlichen Modalitäten (EEG,MEG,fMRT) untersucht wurde. Während der Durchführung eines Wahlreaktionsparadigmas wurde hierbei eine verstärkte funktionelle Konnektivität zwischen den bilateralen auditorischen Cortexen und dem dACC festgestellt. Da eine Analyse der funktionellen Konnektivität keine Aussage über Direktionalität und kausale Zusammenhänge treffen kann, wurde in dieser Arbeit eine effektive Konnektivitätsanalyse mittels Dynamic Causal Modelling für fMRT Daten durchgeführt. Auf Basis früherer Studien wurde hierbei insbesondere ein Top-Down-Einfluss vom dACC zu den auditorischen Cortexen und eine Modulation dieser durch die manuelle Antwortauswahl postuliert. Die Untersuchung fand an 24 gesunden Probanden, unter Verwendung eines auditorischen Wahlreaktionsparadigmas, bei dem auf die Zieltöne mit den entsprechenden Tonhöhen jeweils ein Tastendruck links bzw. rechts erfolgen sollte, statt. Die statistische Aktivierungsanalyse wurde mittels SPM12 durchgeführt, und für die Konnektivitätsanalyse wurde eine DCM-Analyse nach dem Parametric Empirical Bayes (PEB)-Ansatz implementiert. In diesem hierarchischen Ansatz wurde zunächst ein vollständiges Modell mit allen plausiblen Parametern für alle Probanden spezifiziert und invertiert. Auf Gruppenebene wurden zusätzlich zur Modulation durch die manuelle Antwortauswahl auch die Reaktionszeiten und Fehlerraten als Kovariate von Interesse im Modell integriert. Die Modell-Selektion und Parameterschätzung erfolgte durch eine automatische Suche über alle Modelle des Modellraums und die Bildung des Bayesian Model Averages (BMA) über die Parameter der Modelle des letzten Iterationsschrittes mittels Bayesian Model Reduction (BMR). Die Aktivierungsanalyse erbrachte den Nachweis einer umschriebenen Mehraktivität im dACC bei der Ausführung manueller Antworten und lieferte somit einen weiteren Beleg für die Rolle des dACC in Exekutivfunktionen. In der DCM-Analyse sahen wir eine exzitatorische Bottom-Up Konnektivität vom rechten auditorischen Cortex zum dorsalen ACC, die durch die manuelle Antwortauswahl verstärkt wurde. Gleichzeitig sahen wir eine verstärkte Top-Down Inhibition des linken auditorischen Cortex durch den dorsalen ACC und eine Verstärkung der bilateralen Konnektivität zwischen den auditorischen Cortexen. Bei Probanden mit einer erhöhten Fehlerrate waren die exzitatorischen Effekte verstärkt, die Top-Down Inhibition des linken auditorischen Cortex jedoch abgeschwächt. Die Ergebnisse können im Kontext der funktionellen Asymmetrie der beiden auditorischen Cortexe mit einer Spezialisierung des linken auditorischen Cortex auf die Sprachwahrnehmung und des rechten auf die Wahrnehmung und Verarbeitung von Tonhöhen interpretiert werden.

The dorsal anterior cingulate cortex (dACC), as the cognitive cingulate subdivision, is involved in a wide range of cognitive tasks such as selective attention, error-and conflict-monitoring, reward-based learning, response-selection and pain-perception. It is important to notice that the dACC does not act in a vacuum in managing the variety of cognitive tasks. It is integrated as part and parcel in different specialised brain-networks. One such network that is critically involved in auditory information processing is the temporocingulate network containing both auditory cortices and the dACC. In previous studies, employing an auditory choice reaction task and analysing multimodal (EEG/MEG and fMRI) data, we have found increased functional connectivity between these three regions of interest. Functional connectivity analyses however do not yield information about the causal aspects and directions of the underlying network dynamics, therefore to examine the nature of those otherwise hidden dynamics, we opted for an analysis of the effective connectivity by means of dynamic causal modelling (DCM). Based on our previous findings we have hypothesised a top-down effect of the dACC on the auditory cortices and a modulation of the effective connectivity by the manual response-selection. In the present study we have employed a similar auditory choice reaction task, in which 24 healthy subjects were required to react to target tones with a predefined pitch with a right- or left-hand button press respectively, no reaction was required for non-target tones. Based on the significant activations found in the activation analysis via SPM12, we performed a DCM (Dynamic Causal Modelling) – Analysis using the Parametric Empirical Bayes (PEB) approach. On the within-subject level a full modell containing all plausible parameters were specified and inverted. On the between-subject level reaction-times and error-rates were included as covariates of interest additionally to the mean effect of manual response selection. Using Bayesian Model Reduction (BMR) an automatic search over all reduced PEB models was performed and a Bayesian Model Average (BMA) was calculated over the models from the final iteration. The SPM-analysis revealed that manual response selection led to circumscribed activation in the dACC providing further evidence for the involvement of the dACC in executive functions. The dcm-analysis showed an excitatory bottom-up connection from the right auditory cortex to the dACC, which was further amplified by means of manual response selection. In addition, there was an inhibitory top-down effect from the dACC to the left auditory cortex and excitatory bilateral connections between both auditory cortices. Higher error-rates were associated with an increase of excitatory effects and a decrease of the top-down inhibition. The present results can be interpreted in the context of functional asymmetry in the auditory cortex of both hemispheres with the left auditory cortex being preferably involved in speech perception and the right in pitch processing.