The Impact of Topological Changes on Visual Working Memory in Schizophrenia: Evidence from Behavioral and EEG Measures

Der menschliche Geist ist ein Meister der Organisation. Wenn wir die Welt betrachten, zeichnen unsere Gehirne nicht einfach ein chaotisches Durcheinander von Farben und Linien auf; sie gruppieren diese Details sofort zu kohärenten Objekten. Diese Fähigkeit, eine Tasse als ein einzelnes Ding wahrzunehmen, statt nur als eine Sammlung von Kurven und einem Griff, beruht auf einer spezifischen Art von struktureller Information, der Topologie. Vereinfacht gesagt bezieht sich die Topologie auf die grundlegende Form eines Objekts, die wahr bleibt, selbst wenn sich seine Oberflächenmerkmale ändern. Beispielsweise hat eine Kaffeetasse mit einem Henkel ein Loch, während eine solide Kugel kein Loch besitzt. Dieser Unterschied im Vorhandensein oder Fehlen eines Lochs ist eine topologische Eigenschaft. Es ist ein tiefes, stabiles Merkmal der Identität eines Objekts, das unser Gehirn anscheinend priorisiert und oft schneller und zuverlässiger wahrnimmt als Änderungen der Farbe oder der exakten Umrisslinie der Form. Diese Priorisierung erstreckt sich auch auf unser visuelles Arbeitsgedächtnis, den mentalen Arbeitsraum, in dem wir Bilder kurzzeitig in unserem Geist halten, um sie für Aufgaben zu nutzen.

Dieses mentale Ablagesystem kann jedoch Fehlfunktionen aufweisen. Bei Schizophrenie, einer schwerwiegenden psychischen Erkrankung, haben Menschen oft Schwierigkeiten mit dem Arbeitsgedächtnis und finden es schwierig, visuelle Informationen festzuhalten oder verschiedene Merkmale zu einem einzigen, klaren Bild zu integrieren. Während bekannt ist, dass diese Patienten Probleme mit dem Gedächtnis haben, haben Wissenschaftler lange darüber nachgegrübelt, ob das Problem spezifisch darin liegt, wie das Gehirn diese tiefen, strukturellen Formen verarbeitet. Behandelt das Gehirn eines Menschen mit Schizophrenie die grundlegende Form eines Objekts immer noch als das wichtigste Merkmal, das es sich zu merken gilt, oder geht diese besondere Priorisierung verloren? Das Verständnis dessen könnte offenbaren, ob der Kern des Problems ein Scheitern beim klaren Sehen der Welt ist oder ein Scheitern beim Organisieren dessen, was gesehen wird, in ein nutzbares Gedächtnis.

Ein Team von Forschern der Anhui Medical University und mehrerer Krankenhäuser in China setzte sich zum Ziel, diese Frage zu beantworten, indem sie beobachteten, wie Menschen Formen sich merken. Sie rekrutierten zwei Gruppen von Erwachsenen: einunddreißig Patienten mit klinisch stabiler Schizophrenie und zweiunddreißig gesunde Probanden. Alle Teilnehmer waren zwischen 18 und 45 Jahre alt, hatten ein normales Sehvermögen und hatten mindestens neun Jahre Schulbildung absolviert. Die Patienten nahmen alle regelmäßig Medikamente gegen ihre Erkrankung ein und befanden sich nicht mitten in einer akuten psychotischen Episode. Vor dem eigentlichen Experiment bewerteten die Forscher die Symptome der Patienten sowie die allgemeinen kognitiven Fähigkeiten aller Beteiligten, um einen fairen Vergleich zu gewährleisten.

Das Experiment fand in einem ruhigen Raum statt, in dem die Teilnehmer etwa zwei Meter von einem Computerbildschirm entfernt saßen. Ihnen wurde eine Serie geometrischer Formen gezeigt, einige mit Löchern und einige ohne, in verschiedenen Farben. In jedem Durchgang musste der Teilnehmer vier dieser Formen und deren Positionen auswendig lernen. Nach einer kurzen Pause erschien eine einzige neue Form auf dem Bildschirm, und der Teilnehmer musste entscheiden, ob ihre Umrisslinie mit der Form übereinstimmte, die er zuvor an derselben Stelle gesehen hatte. Die Forscher kontrollierten die Veränderungen sorgfältig. Manchmal änderte sich die Umrisslinie, manchmal die Farbe und manchmal die grundlegende Struktur – spezifisch, ob die Form ein Loch hatte oder nicht. Entscheidend war, dass die Forscher diese Merkmale so manipulierten, dass der Status des Lochs entweder die Änderung der Umrisslinie bestätigte oder ihr widersprach. Dieser Aufbau ermöglichte es ihnen zu sehen, ob das Gehirn die „Loch“-Information nutzte, um die Gedächtnisaufgabe zu unterstützen oder zu behindern, obwohl die Aufgabe nur nach der Umrisslinie fragte.

Die Ergebnisse zeigten, dass das Gehirn gesunder Menschen diese strukturelle Information tatsächlich verwendete. Wenn der Loch-Status der Form mit der Änderung der Umrisslinie übereinstimmte, waren die gesunden Teilnehmer bei ihrer Aufgabe genauer und schneller. Es war, als ob ihre Gehirne die tiefe strukturelle Identität des Objekts als einen zuverlässigen Anker nutzten. Die Patienten mit Schizophrenie zeigten jedoch ein anderes Muster. Obwohl sie nicht völlig blind für die strukturellen Veränderungen waren, war ihre Fähigkeit, diese Information zur Verbesserung ihres Gedächtnisses zu nutzen, signifikant schwächer. Sie waren insgesamt weniger genau als die gesunde Gruppe, und der hilfreiche Schub, den die strukturelle Konsistenz bot, war für sie viel geringer. Dies deutet darauf hin, dass die Patienten die Formen zwar noch sehen konnten, ihre Gehirne jedoch weniger effizient darin waren, dieses tiefe strukturelle Wissen in ihr Arbeitsgedächtnis zu integrieren, um ihre Entscheidungen zu leiten.

Um zu verstehen, was während dieser Momente des Gedächtnisses im Gehirn geschah, platzierten die Forscher Elektroden auf den Köpfen der Teilnehmer, um die elektrische Aktivität aufzuzeichnen. Sie konzentrierten sich auf spezifische Gehirnwellen, die dafür bekannt sind, Informationen festzuhalten und Entscheidungen zu treffen. Sie untersuchten die Gehirnaktivität im Frontalbereich, der die Entscheidungsfindung steuert, und im Okzipitalbereich am Hinterkopf, der die visuelle Verarbeitung übernimmt. Sie fanden heraus, dass sich bei gesunden Menschen die elektrischen Signale des Gehirns im Beta-Frequenzbereich auf eine spezifische Weise änderten, wenn sich die Struktur des Objekts änderte. Diese Änderung wird als Reflexion der Aktualisierung des internen Bildes des Objekts durch das Gehirn interpretiert. Bei den Patienten mit Schizophrenie war dieses Aktualisierungssignal verändert. Ihre Gehirne zeigten nicht dieselbe flexible Reaktion, wenn sich die Struktur der Form änderte, was darauf hindeutet, dass sie Schwierigkeiten hatten, ihr mentales Bild des Objekts in Echtzeit zu aktualisieren.

Darüber hinaus untersuchten die Forscher, wie verschiedene Teile des Gehirns miteinander kommunizieren. Bei gesunden Teilnehmern verstärkte sich, wenn sich die Struktur der Form änderte, die Verbindung zwischen dem visuellen Bereich am Hinterhaupt des Gehirns und dem Entscheidungsbereich im vorderen Teil in einem spezifischen Rhythmus. Diese verstärkte Verbindung half dem Gehirn wahrscheinlich dabei, den visuellen Input mit der Gedächtnisaufgabe zu koordinieren. Die Patienten mit Schizophrenie zeigten jedoch nicht dieselbe Fähigkeit, die Verbindung basierend auf den Anforderungen der Aufgabe zu stärken. Ihre Gehirne schienen weniger fähig zu sein, das visuelle Verarbeitungszentrum flexibel mit dem Gedächtniszentrum zu verknüpfen, wenn die strukturelle Information relevant war.

Diese Erkenntnisse zeichnen das Bild einer spezifischen Art von Schwierigkeit bei Schizophrenie. Die Patienten vergessen nicht einfach Dinge; sie haben Schwierigkeiten, die grundlegendsten, stabilsten Merkmale eines Objekts zu nutzen, um sich zu erinnern. Ihre Gehirne scheinen die tiefe strukturelle Identität eines Objekts nicht in der gleichen Weise zu priorisieren wie gesunde Gehirne, und die neuronalen Netzwerke, die diesen Prozess normalerweise koordinieren, reagieren weniger empfindlich. Die Studie legt nahe, dass die Gedächtnisprobleme bei Schizophrenie aus einem tiefer liegenden Problem in der Art und Weise stammen könnten, wie das Gehirn visuelle Informationen organisiert und aktualisiert, und nicht bloß aus einem einfachen Mangel an Speicherkapazität. Obwohl die Forscher anmerkten, dass ihre Stichprobengröße relativ klein war und die Effekte von Medikamenten nicht vollständig ausgeschlossen werden konnten, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Weg zu einem besseren Verständnis dieser Zustände darin liegen kann, zu untersuchen, wie das Gehirn die Struktur der Welt wahrnimmt, und nicht nur deren Oberflächenmerkmale.