Mapping out prefrontal control during feature-based attention

• Applicant: Dr. Philipp Schwedhelm
• Subject Area: Cognitive, Systems and Behavioural Neurobiology ; Human Cognitive and Systems Neuroscience
• Term: from 2017 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 342125483

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Feature-basierte Aufmerksamkeit ist die Fähigkeit, selektiv und bewusst gesteuert einzelne Aspekte des visuellen Eingangs in ihrer Verarbeitung zu priorisieren. Zum Beispiel: Wenn ein Bekannter mit einer roten Mütze in einer Menschenmenge gesucht wird, dann sind Menschen und nicht-menschliche Primaten in der Lage, selektiv alle roten Objekte aufzumerken, um den Gesuchten schnell und effektiv zu finden. Während meiner Arbeit am CIMeC untersuchte ich ein im präfrontalen Kortex verortetes Gehirnareal „8Av/45“, welches vermutlich die Steuerung einer solchen Aufmerksamkeitsmodulation übernimmt. Zunächst galt es das Areal 8Av/45 von benachbarten, funktionellen Modulen im präfrontalen Kortex abzugrenzen. Hierzu verwendete ich einen Datensatz von nicht-menschlichen Primaten (macaca mulatta), deren 8Av/45 durch chronisch implantierte Elektroden elektrisch stimuliert wurde. Mittels einer Analyse dieser Daten konnte ich zeigen, dass sich 8Av/45 unter anderem grundlegend von den benachbarten frontalen Augenfeldern unterschied. Die Stimulation hatte außerdem einen Einfluss auf die Antwortlatenz in einem Verhaltensexperiment, das die Tiere gleichzeitig zur Stimulation durchführten. Zusammengefasst ließ sich zeigen, dass 8Av/45 eine zentrale Stellung in dem kortikalen Signalkreislauf einnimmt, der feature-basierte Aufmerksamkeit steuert. Darauf aufbauend untersuchte ich in einer zweiten Studie systematisch die Eigenschaften von 8Av/45. Es zeigte sich, dass dieses präfrontale Areal hochselektiv auf die Farbe eines visuellen Reizes reagiert, nicht aber auf seine Bewegungsrichtung. Somit besteht eine Spezialisierung auf ein bestimmtes visuelles Feature: Farbe. Weiter ist es möglich, das Verhalten der Primaten auf Grundlage der Messungen von 8Av/45 vorherzusagen, und zwar insbesondere, wenn Entscheidungen auf Grundlage der Farbe eines Reizes getroffen werden. Diese Erkenntnisse skizzieren ein bislang unbekanntes kortikales Modul der Signalverarbeitung im Primatengehirn. Basierend auf den Ergebnissen meiner Arbeit lässt sich sagen, dass 8Av/45 ein Signal produziert, welches universell immer dann einsetzbar ist, wenn Farben bezüglich ihrer Verhaltensrelevanz evaluiert werden. Dies geschieht sowohl bei feature-basierter Aufmerksamkeit, als auch - in einem anderen Verhaltenskontext - bei direkter Entscheidungsfindung. Für das Feld der Aufmerksamkeitsforschung ist dieses Ergebnis insofern ungewöhnlich, als dass historisch gesehen die Forschungsfelder der Aufmerksamkeit und der Entscheidungsfindung separat betrachtet werden. Mit dieser Arbeit zeige ich jedoch, dass im präfrontalen Kortex kognitiv hochrelevante Signalverarbeitung stattfindet, die für beide Forschungsfelder eine zentrale Bedeutung hat.

Publications

• (2019) Strategic deployment of feature-based attentional gain in primate visual cortex. PLoS biology 17 (8) e3000387
  Kozyrev, Vladislav; Daliri, Mohammad Reza; Schwedhelm, Philipp; Treue, Stefan
  
• (2017). Electrical stimulation of macaque lateral prefrontal cortex modulates oculomotor behavior indicative of a disruption of top-down attention. Scientific Reports, 7(1), 141
  Schwedhelm, P., Baldauf, D., & Treue, S.
  
• The lateral prefrontal cortex of primates encodes stimulus colors and their behavioral relevance during a match-to-sample task. Scientific reports, Vol. 10. 2020, Issue 1, 4216.
  Schwedhelm, P., Baldauf, D., Treue, S.