Spatial neglect and attention networks in the human brain: disturbances of functional connectivity and interhemispheric imbalance of an attentional priority map for retinotopic space

Spatial neglect represents a severe and common cognitive disorder following unilateral (mostly right hemisphere) brain damage. Affected patients show a profound lack of awareness for the one half of space opposite to their brain lesion. Neglect counts among the strongest predictors for poor functional outcome after stroke. An established therapy is still missing. The pathophysiological base of neglect has been proposed to be an interhemispheric imbalance of an attentional priority map in the parietal lobe that is responsible for shifting attention to external stimuli in space. Whether the location of objects in such a map are mainly represented in egocentric coordinates (especially eye-centric or retinotopic) or rather allocentric coordinates (object-to-object) is unclear. The exact location of the brain lesion, that is crucial for the developement of neglect, is also a matter of ongoing debate. Recent advances in functional brain imaging, assessing the functional connectivity between multiple brain areas in global networks, seem to indicate that neglect may rather be due to a disturbance of these global attention networks and not (only) to the circumscribed structural brain damage. This project aims to tackle these open questions regarding spatial attention, the underlying behavioural and functional mechanisms as well as a potential treatment option for neglect. We will investigate healthy subjects, neurological patients with focal brain lesions (stroke patients with spatial neglect) and subjects with a transient virtual lesion in the parietal lobe, induced by transcranial magnetic stimulation (TMS). Methods include behavioural neuropsychological testing (standardized paper-pencil tests and novel computerized tasks), eye movement recordings and a gaze-contingent display technology for manipulating spatial perception and guiding the subjects gaze, and finally structural and functional magnetic resonance imaging of the brain, the latter at rest and task-related, with and without prior application of transcranial magnetic stimulation.

Das geförderte Projekt beschäftigte sich in sechs verschiedenen Experimenten mit der Steuerung visuell-räumlicher Aufmerksamkeit durch das menschliche Gehirn sowie ihrer krankheitsbedingten Störung (Neglekt-Syndrom) bei Patienten mit akutem Schlaganfall. Dafür kamen sowohl bei gesunden Kontrollprobanden als auch bei Schlaganfall-Patienten mit Neglekt verschiedene neurowissenschaftliche Methoden zur Anwendung, darunter klinisch-neurologische Skalen und Verhaltensbeobachtungen, neuropsychologische Papier-und-Bleistift Tests aber auch computerisierte Verfahren, sowie die Augenbewegungsmessung mit Infrarot-Kamera-basierten Systemen, die den Blickpunkt (Fixation) eines Probanden in einer visuellen Szene jederzeit genau erfassen können und dank sogenannter gaze-contingent display Technologie sogar für eine blickortabhängige Beeinflussung des Suchverhaltens verwendet werden können. Zudem wurden verschiedene Untersuchungen im Kernspintomographen durchgeführt, wobei die Struktur des Gehirns, seine Funktion bei Aufgaben zur räumlichen Aufmerksamkeit (aufgabenbezogene Hirnaktivierungen) und sogenannte Ruhenetzwerke unter mehrminütiger völliger Entspannung des Probanden analysiert wurden. Zudem kam die transkranielle Magnetstimulation (TMS) als nicht-invasives Hirnstimulationsverfahren zum Einsatz, mit dem Ziel bestimmte kortikale Hirnregionen bei Gesunden vorübergehend zu hemmen („virtuelles Läsionsmodell“), um die Auswirkungen auf die Aufmerksamkeits-Ruhenetzwerke zu untersuchen. Die Hauptergebnisse und ihre Implikationen waren: (I) Die krankheitsbedingte Verschiebung der Aufmerksamkeit in die rechte Raumhälfte kann bei Patienten mit linksseitigem Neglekt nach rechtshirnigem Schlaganfalls durch Messung der Augenposition sicher quantifiziert werden und sie korreliert signifikant mit der funktionellen Beeinträchtigung der Patienten in Alltagsaktivitäten. (II) Bei gesunden Probanden lässt sich durch Einsatz von gaze-contingent displays ein Neglekt-ähnliches Suchverhalten induzieren, indem der visuelle Eindruck einer Szene im linken Halbfeld durch eine blickortabhängige Maske kontinuierlich reduziert wird. Dies unterstreicht auch die Bedeutung retinotoper (Netzhaut-zentrierter) Koordinaten bei der mentalen Repräsentation von Objekten im Raum während der Verschiebung von Aufmerksamkeit. (III) Erste vorläufige Ergebnisse sprechen dafür, dass der Einsatz von gaze-contingent displays auch zu einer Verbesserung des Suchverhaltens von Neglekt-Patienten führen kann und damit eine mögliche zukünftige Therapieoption in der Rehabilitation darstellt. (IV) Neglekt-Patienten weisen in der MRT-Untersuchung des Gehirns strukturelle Schäden des ventralen und zusätzlich Funktionsstörungen des dorsalen Aufmerksamkeitsnetzwerkes auf. Letzterem zugeordnet wird der rechte obere Parietallappen, der zwar meist strukturell vom Schlaganfall verschont blieb, aber funktionell eine reduzierte Spontanaktivität beim ruhenden Patienten im MRT aufwies, die hochsignifikant mit der Neglektbedingten Behinderung im Alltag korrelierte. Dies unterstreicht die besondere funktionelle Relevanz dieser Hirnregion aber auch allgemein intakter Ruhenetzwerke für die räumliche Aufmerksamkeit. (V) Die Hirnaktivierungen, die durch einen bewegten visuellen (optokinetischen) Stimulus bei Schlaganfallpatienten mit Neglekt ausgelöst werden, sind zwar deutlich geringer als bei Gesunden (und am schwächsten bei Patienten mit dem schwersten Neglekt), allerdings immer noch so weitverteilt im Gehirn, dass sie eine mögliche erklärende neuronale Grundlage für die positiven Effekte der optokinetischen Stimulation in der Rehabilitation von Neglekt-Patienten darstellen. (VI) Die Induktion Neglekt-ähnlicher Netzwerkveränderungen oder Verhaltensmuster durch lokale Hemmung parietaler bzw. temporo-parietaler Regionen bei Gesunden gelang trotz zielgenauer (neuro-navigierter) TMS nicht. Die Ursache für dieses Negativergebnis liegt am ehesten in dem verwendeten offline theta-burst TMS-Protokoll, deren Effekte vermutlich schwächer sind bzw. früher abklingen als bisher in der Literatur beschrieben. Davon leitet sich die klare praktische Empfehlung ab, in zukünftigen verwandten Studien alternative Stimulationsverfahren einzusetzen.