Dokument: Neural correlates of age-related changes in cognitive action control

Titel:	Neural correlates of age-related changes in cognitive action control
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=49827
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20190611-110217-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	M.Sc. Latz, Anne [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 1,32 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 06.06.2019 / geändert 06.06.2019
Beitragende:	Prof. Dr. med. Eickhoff, Simon B. [Gutachter] PD Dr. med. Butz, Markus [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Der demographische Wandel bedingt ein zunehmendes Interesse am gesunden Altern des Gehirns. Entlang der Lebensspanne ist Letzteres mit Veränderungen kognitiver Performanz in verschiedenen Domänen verknüpft. Es wird u.a. eine altersassoziierte Abnahme kognitiver Handlungskontrolle in vielen Bereichen beobachtet. Bei der Analyse von Handlungskontrollprozessen werden bottom-up und top-down gerichtete Unterprozesse unterschieden. Bisherige Studien gesunden Alterns zeigten sowohl eine Abnahme als auch eine Zunahme der regionalen Hirnaktivität im höheren Alter. Dies führte zur Entwicklung einer Vielzahl von Theorien altersspezifischer neuronaler Veränderungen und bedingte eine zunehmend integrative Betrachtung dieser Veränderungen entlang der Lebensspanne, u.a. im Kontext dynamischer Prozesse von Neuroplastizität. Die neuronalen Korrelate der altersassoziierten Abnahme der Fähigkeit erfolgreich kognitive Handlungskontrolle auszuüben, sind zu einem großen Teil noch unklar. In unserer funktionellen Magnetresonanztomographie Studie einer populationsbasierten Stichprobe (n=266, 18-85 Jahre) untersuchten wir deshalb die altersbedingten Veränderungen der o.g. Unterprozesse kognitiver Handlungskontrolle mittels Verwendung des räumlichen Stimulus-Reaktions-Kompatibilitäts (SRK) Paradigmas. Dieses umfasst zwei Bedingungen: Unter der kompatiblen Bedingung ist eine ipsilaterale manuelle Reaktion auf den präsentierten Stimulus erforderlich, wohingegen die inkompatible Bedingung eine kontralaterale Reaktion erfordert und somit vor allem top-down gerichtete Prozesse kognitiver Handlungskontrolle bedingt. Aufgabenbezogene Performanz (Reaktionszeit und Fehlerrate) wurde ermittelt und in die Analyse der Bildgebungsdaten einbezogen. Alter wurde als Kovariate aufgenommen. Wir führten unsere Studie mit der zugrundeliegenden Hypothese durch, dass sich die altersassoziierte Veränderung der kognitiven Handlungskontrolle auf behavioraler und neuronaler Ebene abbilden lässt. Wir erwarteten, dass sie mit Performanz-bezogenen neuronalen Veränderungen in Verbindung steht und sich in neuronaler Hyperaktivierung äußert. Auf behavioraler Ebene konnten wir eine altersassoziierte Abnahme der kognitiven Handlungskontrolle bestätigen. Auf neuronaler Ebene replizierten wir das generelle mit dem SRK Paradigma assoziierte Netzwerk und identifizierten die neuronalen Korrelate der bottom-up und top-down gerichteten Prozesse. Innerhalb dieses Netzwerks fanden wir bei der Bearbeitung Inkompatibilitäts-basierter Reaktionskonflikte eine altersassoziierte Hyperaktivierung im bilateralen intraparietalen Sulcus (IPS), superioren parietalen Lappen, Kleinhirn, rechten inferioren frontalen Gyrus, dorsolateralen präfrontalen Cortex (DLPFC), midcingulären Cortex und in der linken anterioren Insel (aIns). Wir stellten heraus, dass schlechtere altersassoziierte Performanz sowohl mit bottom-up als auch mit top-down gerichteten Prozessen bei der Bearbeitung des SRK Paradigmas in Verbindung steht. Gemäß unserer Hypothesen und Ergebnisse wird die altersassoziierte Abnahme der kognitiven Handlungskontrolle v.a. durch regionale Hyper- und nicht Hypoaktivierung abgebildet. Wir identifizierten aIns, DLPFC und IPS als die entscheidenden neuronalen Korrelate. Die erhöhte Aktivierung der linken aIns spiegelt möglicherweise den altersassoziierten erhöhten Bedarf an Kontrolle und Aufrechterhaltung der Aufgabenanforderungen beim Vorliegen von Inkompatibilität wider. Hyperaktivierung des rechten DLPFC könnte ein Korrelat erfolgreicher Unterdrückung nicht gewünschter Reaktionen bei der Bearbeitung der Aufgabe sein. Die entscheidende Rolle des IPS wird durch eine Alters- und Performanz-assoziierte Hyperaktivität herausgestellt. Unsere Ergebnisse reflektieren somit möglicherweise Schwierigkeiten bei der Überwindung bottom-up gerichteter räumlicher Orientierungsprozesse und den Bedarf zusätzlicher kontrollierender Verarbeitungsschritte bei der Auseinandersetzung mit Inkompatibilität, welche mit höherem Alter wahrscheinlicher werden. Unsere Ergebnisse legen einen signifikanten Einfluss des Alters auf kognitive Handlungskontrolle nahe, welcher auf neuronaler Ebene geteilte Varianz mit Performanz-assoziierten Veränderungen aufweist. Die identifizierte regionale Hyperaktivierung ist möglicherweise kompensatorisch für komplementäre Netzwerkveränderungen (v.a. funktionelle Konnektivität). Unsere Ergebnisse unterstützen zudem die Theorie der Neuroplastizität. Außerdem konnten wir eine mögliche altersbedingte Verringerung in der Fähigkeit, semantisches Wissen in aktuelle Aufgabenanforderungen zu integrieren, identifizieren, welche zu der beobachteten altersassoziierten Verschlechterung der Performanz beitragen könnte. Demographic change leads to an increasing interest in the healthy aging of the brain. The latter has been associated with changes in different domains of cognitive performance across the lifespan, including an age-related deterioration in various aspects of cognitive action control. Analyzing processes of cognitive action control, bottom-up and top-down subprocesses can be differentiated. In previous studies of healthy aging both decreases and increases in regional brain activity have been associated with the aging brain, leading to multiple theories on age-specific neural alterations and yielding a shift to a more integrative view on brain changes over the life span, among others in the context of dynamic processes of neuroplasticity. The neural correlates of an age-related decline in successfully exerting cognitive action control are to a large extent still elusive. We investigated age-related changes of the subprocesses of cognitive action control by employing the spatial stimulus-response compatibility (SRC) task in a functional magnetic resonance imaging (fMRI) study of a population-based sample (n=266, 18-85 years). The SRC task comprises two conditions: under the compatible condition an ipsilateral manual reaction to the presented stimulus is required, whereas the incompatible condition necessitates a contralateral reaction and thus especially triggers top-down directed subprocesses of cognitive action control. Task-related performance (reaction time and error rate) was analyzed on a behavioral level and included in the analysis of the imaging data. Age was included as a covariate. We hypothesized that the influence of age on cognitive action control could be shown on a behavioral and on a neural level and that it is at least partially shared with performance-related effects across the lifespan on the neural level, potentially reflected by neural hyperactivity. On a behavioral level, our findings corroborated an age-related decline in cognitive action control. On a neural level, we replicated the general SRC task network and delineated neural correlates of bottom-up and top-down processes. Within this network we found age-related hyperactivity in bilateral intraparietal sulcus (IPS), superior parietal lobule, cerebellum, right inferior frontal gyrus, dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), mid-cingulate cortex and left anterior Insula (aIns) when dealing with incompatibility-induced response conflicts. We suggest that worse age-related performance is associated with both bottom-up and top-down processes when dealing with the SRC task. Based on our data, as hypothesized, age-related decline in cognitive action control is reflected in regional hyperactivity, rather than hypoactivity. We identified aIns, DLPFC and IPS as key neural correlates. Increased activation of left aIns potentially reflects the higher age-related demand for control and task-set maintenance dealing with incompatibility. Hyperactivity in right DLPFC might be a correlate of successful inhibition processes when dealing with the task. The integrational role of the IPS is highlighted by its ageand performance-related hyperactivity. Our findings may reflect difficulties in overriding bottom-up driven spatial orientation and the requirement for additional controlled processing steps dealing with incompatibility, which become more likely with age. We suggest a significant influence of age on cognitive action control, which is on a neural level at least partially shared with performance-related effects across lifespan. Regional hyperactivity might be compensatory for complementary network changes (esp. functional connectivity). Our findings moreover support the idea of neuroplasticity. Additionally, we identified a putative age-related decline in the ability to integrate semantic knowledge with current task demands that might contribute to the observed age-related decline in performance.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät
Dokument erstellt am:	11.06.2019
Dateien geändert am:	11.06.2019
Promotionsantrag am:	18.07.2018
Datum der Promotion:	04.06.2019