In dit project onderzoeken we verschillende componenten die te maken hebben met aandacht. Aandacht is een term die gebruikt wordt om een brede waaier van processen te beschrijven. Zoals bijvoorbeeld het verplaatsen van de aandacht naar een bepaalde positie in het visuele veld, uw aandacht richten op bepaalde kenmerken van een figuur, de aandacht erbij houden (cognitieve controle), ... . Na een cerebrovasculair accident (CVA) kunnen er zich aandachtproblemen voordoen zoals bijvoorbeeld neglect (het niet bewust zijn van objecten in het contralesionele (= tegengestelde kant van het letsel) gezichtsveld), visuele extinctie (wanneer 2 stimuli worden aangeboden, enkel degene waarnemen die het meest ipsilesioneel staat in het gezichtveld), gebrek aan cognitieve controle, ... . We proberen deze aandachtsprocessen te onderscheiden door gebruikt te maken van psychofysische studies, anatomische studies bij patiënten met een CVA en functionele beeldvormingsexperimenten (fMRI) bij gezonde vrijwilligers.
In een eerste reeks van experimenten onderzoeken we het effect van de relatieve positie van een afleidende stimulus t.o.v. een relevante stimulus op het aandachtsnetwerk. We [1] hebben reeds ontdekt dat wanneer proefpersonen tijdens een fMRI experiment hun aandacht moeten richten op een stimulus er meer activatie is in de sulcus intraparietalis wanneer er een tweede irrelevante stimulus wordt getoond dan wanneer er geen afleidende stimulus wordt getoond. di Pellegrino en de Renzi [2] testen een patiënt met visuele extinctie en beschrijven dat de persoon geen probleem heeft om twee figuren tegelijkertijd waar te nemen wanneer deze figuren onder elkaar staan, maar wanneer de figuren naast elkaar staan dan neemt de patiënt de meest linkse van de 2 figuren niet waar. In ons onderzoek testen we ook of het iets uit maakt als we de 2 figuren naast elkaar presenteren of onder elkaar. We testen 20 patiënten met een CVA met een experiment waarbij we de plaats van de afleidende stimulus manipuleren (op de horizontale as t.o.v. de target of op de verticale as t.o.v. de target) en doen een MRI scan om de plaats van hun letsel te localiseren. Daarnaast testen we hetzelfde experiment tijdens een fMRI experiment met 23 gezonde vrijwilligers. We vinden dat de patiënten met een letsel in de rechter sulcus intraparietalis en rechter inferieure pariëtale regio meer problemen hebben met het waarnemen van een stimulus in het contralesionele gezichtveld als er op hetzelfde moment een irrelevante stimulus in het ipsilesionele gezichtsveld staat in het symmetrische quadrant in vergelijking met een irrelevante stimulus in hetzelfde gezichtsveld in het andere quadrant. Dezelfde patiënten hebben ook een slechtere score op testen voor neglect en visuele extinctie. Gezonde vrijwilligers tonen tijdens hetzelfde experiment in de scanner meer activatie in de sulcus intraparietalis tijdens de conditie waarbij de irrelevante stimulus in het andere gezichtsveld op een horizontale as staat in vergelijking met wanneer deze in hetzelfde gezichtsveld staat op een verticale as. De kritieke regio bij de patiënten en de activatie bij de gezonde vrijwilligers overlapt in de rechter sulcus intraparietalis. We hebben in enkele controle experimenten dan verder deze regio onderzocht en vinden dat deze regio vooral actief is wanneer de irrelevante stimulus op een horizontale as staat t.o.v. de relevante stimulus, los van het feit of die in het andere gezichtveld staat.
In een tweede reeks van experimenten gingen we d.m.v. fMRI bij gezonde vrijwilligers na welke gebieden in de hersenen actief zijn tijdens enerzijds ”verplaatsen van de aandacht” en anderzijds ”het herschikken van aandachtsgewichten” zoals beschreven in de theorie van visuele aandacht [3]. Met ”herschikken van aandachtsgewichten” wordt het proces bedoeld waarbij de hersenen verschillende aandachtsgewichten geven aan objecten of eigenschappen van objecten (bv. kleur, vorm, ...) in onze omgeving die voor ons relevant (hoog aandachtsgewicht) of niet relevant (laag aandachtsgewicht) zijn. We vinden dat tijdens het verplaatsen van de aandacht vooral de lobulus parietalis superior actief is. Dit gebied is zowel actief tijdens een verplaatsing van de stimulus, als wanneer de aandacht moest verplaatst worden door het feit dat een ander object relevant wordt. De sulcus intraparietalis aan de andere kant is vooral actief tijdens het ”herschikken van aandachtsgewichten” zelfs als de aandacht niet verplaatst hoeft te worden, bijvoorbeeld als figuren van vorm veranderen en er dus nieuwe aandachtsgewichten aan de figuren moeten gegeven worden.
In een derde reeks van experimenten testen we 44 patiënten met een CVA op een reeks van spatiële en niet-spatiële aandachtstaken. Als niet-spatiële aandachtstaak gebruiken we de ”Sustained Attention to Response Task” (SART) [4]. In deze test moeten proefpersonen op een knop drukken telkens als ze een cijfer zien (gaande van 1 t.e.m. 9), behalve bij het cijfer 3. Wanneer proefpersonen toch drukken bij het cijfer 3 noemt men dit een commissie fout. Na een commissie fout gaan mensen hun reactietijd vertragen in de volgende trial (= post-error slowing) omdat ze zojuist een fout hebben gemaakt en dus niet terug dezelfde fout willen maken. Mensen willen dus terug cognitieve controle verwerven. We vinden dat patiënten met een letsel in de sulcus frontalis inferior geen post-error slowing vertonen. Daarenboven vinden we geen verband tussen de spatiële en niet-spatiële aandachtstaken. Dus om samen te vatten, we hebben drie gebieden kunnen onderscheiden die belangrijk zijn bij aandachtsprocessen.
1. De eerste is de lobulus parietalis superior die vooral actief was bij het verplaatsen van de aandacht.
2. De tweede is de sulcus intraparietalis die vooral actief is tijdens ”het herschikken van aandachtsgewichten”, bijvoorbeeld wanneer subjecten moeten kiezen tussen verschillende figuren of wanneer de relevantie van een figuur verandert.
3. De derde regio is de sulcus frontalis inferior . Letsels in deze regio kunnen leiden tot een verminderde congnitieve controle.
Dit project heeft bijgedragen tot een betere kennis van de functionele betekenis van de verschillende anatomische componenten betrokken bij aandacht. Daarnaast hebben we bijgedragen tot een beter inzicht in de ziekte-mechanismen die gepaard gaan met aandachtsproblemen zoals neglect, visuele extinctie en gebrek aan cognitieve controle.
[1] R. Vandenberghe, S. Geeraerts, P. Molenberghs, C. Lafosse, M. Vandenbulcke, K. Peeters, R. Peeters, P. Van Hecke, and G.A. Orban. Attentional responses to unattended stimuli in human parietal cortex. Brain, 128:2843–2857, 2005.
[2] G. di Pellegrino and E. de Renzi. An experimental investigation on the nature of extinction. Neuropsychologia, 33:153–170, 1995.
[3] C. Bundesen, T. Habekost, and S. Kyllingsbaek. A neural theory of visual attention: Bridging cognition and neurophysiology. Psychol Rev, 112:291–328, 2005.
[4] I.H. Robertson, T. Manly, J. Andrade, B.T. Baddeley, and J. Yiend. ’Oops!’: Performance correlates of everyday attentional failures in traumatic brain injured and normal subjects. Neuropsychologia, 35(6):747–758, 1997.
By using different methods (fMRI, VLSM, psychophysics) and studying different groups (healthy volunteers and stroke patients), we disentangle some of the processes that are associated with attention and relate them with different brain regions. By subdividing the broad term ”attention” into more precisely defined processes, the individual processes can be defined more precisely so that ”attention” can be somewhere instead of everywhere. In our studies we define the differential contribution of 3 different brain regions to attention.
1. The superior parietal lobule is involved during spatial attentional shifts, elicited by a displacement of a stimulus or when a change in stimulus relevance elicites a spatial shift.
2. The middle third of the intraparietal sulcus is more involved during the calibration of relative attentional weights, for instance when subjects have to select between competing stimuli, or when stimuli change and a saliency map must be re-compiled.
3. The third region is the inferior frontal sulcus. Lesions in this region are associated with non-spatial attentional deficits that can lead to diminished cognitive control.
In chapter 2, we examine the role of the axis of configuration between target and distracter during spatially selective attention. We find a region of overlap in the right intraparietal sulcus between an fMRI study with 23 healthy volunteers and a VLSM study with 20 patients with ischemic stroke. This region shows activation during the fMRI study when the axis of configuration between distracter and target was horizontal compared to diagonal or vertical. Patients with a lesion in this region show impairment during contralesional orienting when the distracter is in the ipsilesional hemifield at a symmetrical position compared with a distracter that occupies the diagonal position in the ipsilesional hemifield or the opposite quadrant within the same hemifield. We find that the crucial factor was whether or not the configuration axis was horizontal, regardless of symmetry or bilaterality.
In chapter 3, we use fMRI to study the role of posterior parietal cortex during the re-mapping of attentional priorities. In the main experiment, we find that the superior parietal lobule is preferentially active in all conditions where a spatial displacement occurres in either the location of the target or the distracter, regardless of whether this change is driven endogenously or exogenously. In a second, ”auditory switching” experiment, we find that SPL is also more activate in absence of any visual change when an auditory cue indicated a shift of the focus of attention compared with no shift. The intraparietal sulcus region on the other hand, is more activate by transient re-setting of target significance when the stimulus configuration changes (feature attention shifts) compared with no change, even when there is no spatial shift of attention.
In chapter 4, we investigate the neuroanatomy of non-spatial attentional deficits by studying 44 patients with ischemic stroke. We use VLSM to investigate the critical lesion site and use spatial and non-spatial behavioral parameters as input. We find that lesions of the right inferior frontal gyrus lead to a significant increase in commission error rate and lesions of the middle third of the right inferior frontal sulcus lead to a reduction of post-error slowing. We demonstrate that the right inferior frontal sulcus plays a critical role in the readjustment of cognitive resources following errors, providing strong evidence that IFS is a critical region in cognitive control. In the acute phase spatial attentional deficits were associated with lesions of the posterior end of the right superior frontal sulcus. This provides evidenc for a dissociation between spatial and non-spatial processing in the right frontal convexity.
Doctor of Medical Sciences Afdeling Experimentele Neurologie Departement Neurowetenschappen Faculteit Geneeskunde Doctoral thesis Doctoraatsthesis