Quellenlokalisation der P300 mit Hilfe der Kombination von EEG und fMRT

Source localization of the P300 using a combination of EEG and fMRI

  • Das ereigniskorrelierte Potential (EKP) P300 ist eines der am häufigsten untersuchten Potentiale des Elektroenzephalogramms (EEG). Wegen der bedeutsamen Rolle der P300 in der kognitiven Forschung mit gesunden Probanden und psychiatrischen Patienten kommt der Suche nach ihren neuronalen Generatoren ein hoher Stellenwert zu. Man geht im Allgemeinen davon aus, dass sie kein einheitliches Potential darstellt und von mehreren weit verstreuten Quellen generiert wird. Die Fragen nach der genauen Anzahl der P300-Subkomponenten, ihrer Lokalisierung sowie den ihnen zugrunde liegenden kognitiven Prozesse sind jedoch nach wie vor ungelöst. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war, die P300 mit Hilfe der Kombination vom EEG und der funktionalen Magnetresonanztomografie (fMRT) in ihre Subkomponenten zu untergliedern und deren Quellen zu lokalisieren. Zu diesem Zweck wurden drei kombinierte EEG/fMRT-Studien durchgeführt. Die ersten beiden Studien beinhalten eine abgewandelte Form des klassischen Oddballparadigmas. Bei der dritten Studie handelt es sich um ein Arbeitsgedächtnisexperiment. Durch die Verknüpfung der fMRT-Ergebnisse mit EKP-Daten aus den beiden Oddball-Experimenten konnten die neuronalen Quellen der zwei wichtigsten Subkomponenten der P300, der P3a und P3b, lokalisiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass inferiore und posteriore parietale (IPL bzw. PPC) und inferior temporale (IT) Areale zur Entstehung der P3b beitrugen, während hauptsächlich die präzentralen Regionen (PrCS) die P3a generierten. Die Ergebnisse des Arbeitsgedächtnisexperiments bestätigten die P3b-Quellenlokalisierung der Oddball-Untersuchung mit einr Beteiligung von PPC und IT an der Generierung der P3b-Komponente. Das Arbeitsgedächtnisexperiment verdeutlichte aber auch, dass eine komplexere Abrufanforderung (mit langen Reaktionszeiten) zu einer anhaltenden Aktivität im PPC und einer späten Antwort im ventrolateralen präfrontalen Kortex (VLPFC) führte, die eine zweite P3b-Subkomponente generierten. Durch eine umfassende zeitlich-räumliche Trennung der neuronalen Aktivität beim Arbeitsgedächtnisabruf konnten darüber hinaus die einzelnen Stufen der beteiligten Informationsverarbeitungsprozesse (mentale Chronometrie) beschrieben werden. Diese Anwendung ging über die „reine“ Quellenlokalisation der P300-Komponenten hinaus. Die Ergebnisse zeigten frühe transiente Aktivierungen im IT, die sich zeitlich mit dem Beginn einer anhaltenden Aktivität im PPC überlappten. Darüber hinaus wurden eine späte transiente Aktivität im VLPFC und eine späte anhaltende Aktivität im medialen frontalen und motorischen Kortex (MFC bzw. MC) beobachtet. Es liegt nahe, dass diese neuronalen Signaturen einzelne Stufen kognitiver Aufgabenverarbeitungsschritte wie Reizevaluation (IT), Operationen am Gedächtnispuffer (PPC), aktiven Abruf (VLPFC) und Reaktionsorganisation (MFC und MC) reflektieren. Die vorgestellten Quellenmodelle zeigten übereinstimmend, dass mehrere kortikale Generatoren das P300-EKP erzeugen. Dabei trugen neben den erwarteten parietalen interessanterweise auch inferior temporale und inferior frontale Quellen zur P3b bei, während die P3a vor allem auf anterioren Generatoren im prämotorischen Kortex basierte. Diese Ergebnisse bestätigen teilweise die bisherigen Lokalisationsmodelle, die weitgehend auf neuropsychologischen und invasiven neurophysiologischen Befunden beruhen, widersprechen ihnen aber auch zum Teil, besonders was die Abwesenheit der postulierten präfrontalen und hippocampalen Beiträge zur P3a bzw. P3b betrifft.
  • The P300 event-related potential (ERP) is one of the most studied potentials of the electroencephalogram (EEG). Because of its prominent role in studies of cognition both in healthy individuals and patients, the elucidation of its neural generators is of considerable interest. It has been proposed that the P300 is not a unitary component but generated by several widespread sources. However, the identification of the exact number and localization of its subcomponents and of the related cognitive processes has remained controversial. The aim of the present work was to decompose the P300 in its underlying subcomponents and to localize their neuronal sources using three combined EEG and functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies. The first two investigations employed a modified version of the classical “oddball” paradigm while the third study was a working memory experiment. The neuronal sources of the two main P300 subcomponents, namely the P3a and P3b, were localized by integrating the fMRI results with the ERP data in both oddball tasks. I was able to show that inferior and posterior parietal (IPL and PPC, respectively) and inferior temporal (IT) areas contributed to P3b generation, whereas the precentral regions (PrCS) mainly accounted for the P3a component. The working memory experiment confirmed the finding of P3b generators in IT and PPC obtained in the oddball studies. Moreover, the more complex working memory task with longer reaction times demonstrated that the sustained PPC and late VLPFC source activities generated a second subcomponent of the P3b complex. The present comprehensive temporo-spatial decomposition of the neuronal activity in this study provided additional information about the processing stages (mental chronometry) involved in working memory retrieval. This approach goes beyond a “simple” source localization of distinct P300 subcomponents. The analysis revealed an early transient activation of IT, which coincided with the onset of a sustained PPC activation. Furthermore we observed late transient responses in VLPFC and late sustained activity both in medial frontal (MFC) and premotor areas (MC). I have proposed that these neural signatures reflect the following cognitive stages of task processing: perceptual evaluation (inferotemporal cortex), storage buffer operations (PPC), active retrieval (VLPFC), and action selection (MFC and MC). This is also supported by the differential temporal contribution of these activations to specific subcomponents of the P300 cognitive potential. These results support the idea that the P300 ERP is the result of the activity of cortical generators that are widely distributed in time and space. Interestingly, beside the expected parietal sources, the fMRI-constrained source analysis revealed that higher visual areas contributed to the P3b, whereas the P3a was basically generated in premotor cortex. The present results have partially confirmed the previous localization models of the P300 which were based mainly on neuropsychological and invasive neurophysiological evidence. However, our findings contradict the assumed contribution of prefrontal cortex and hippocampus to the generation of P3a and P3b, respectively.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Christoph Bledowski
URN:urn:nbn:de:hebis:30-33441
Referee:Ruxandra Sireteanu, David Linden
Advisor:Ruxandra Sireteanu, David Linden
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2006/12/01
Year of first Publication:2005
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2006/11/08
Release Date:2006/12/01
Tag:"Oddball"-Paradigma; Arbeitsgedächtnisabruf; P300; Quellenanalyse
EEG; P300; fMRI; source analysis; working memory
GND Keyword:Elektroencephalographie; Ereigniskorreliertes Potenzial; NMR-Bildgebung; Arbeitsgedächtnis; Aufmerksamkeit
Page Number:153
HeBIS-PPN:182902293
Institutes:Psychologie und Sportwissenschaften / Psychologie
Dewey Decimal Classification:1 Philosophie und Psychologie / 15 Psychologie / 150 Psychologie
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht