Die zentrale Exekutive
Es wird angenommen, dass die zentrale Exekutive für die Aufmerksamkeitssteuerung des Arbeitsgedächtnisses verantwortlich ist. Ursprünglich wurde das Konzept hauptsächlich als Überbrückungsmaßnahme verwendet, um die Untersuchung der leichter zu lösenden Probleme der Sklavensysteme zu ermöglichen und gleichzeitig die Notwendigkeit einer weiteren Untersuchung der komplexen Prozesse zu akzeptieren, die mit ziemlicher Sicherheit an der Kontrolle des Gedächtnisses beteiligt sind. Das Konzept begann sich zu entwickeln, als Baddeley (4) vorschlug, es mit dem Modell eines übergeordneten Aufmerksamkeitssystems von Norman und Shallice (35) zu verknüpfen, das ihrer Ansicht nach die Handlungsaussetzer und das komplexe Muster von Symptomen erklären kann, das bei Patienten mit Frontallappenschäden beobachtet wird. Baddeley stimmte zwar zu, dass die zentrale Exekutive wahrscheinlich in hohem Maße von der Funktion der Frontallappen abhängt, war jedoch vorsichtig damit, sie anatomisch zu definieren, und zog es vor, zunächst die Funktionen des Systems zu analysieren und dann erst die Frage nach dem anatomischen Substrat zu stellen. Die Frontallappen sind groß, komplex und mit ziemlicher Sicherheit an anderen Prozessen als der exekutiven Kontrolle beteiligt; gleichzeitig sind exekutive Prozesse vermutlich ein Mittel zur Kontrolle verschiedener Hirnregionen, was darauf schließen lässt, dass sie auch an anderen Stellen als den Frontallappen gestört sein können. Aus diesem Grund schlugen Baddeley und Wilson (36) den Begriff dysexekutives Syndrom vor, um neuropsychologische Fälle mit einer Störung exekutiver Funktionen zu bezeichnen, die in der Vergangenheit oft als „frontales Syndrom“ bezeichnet wurden. (Siehe Ref. 37 für eine weitere Diskussion zu diesem Punkt.)
Während es möglich ist, dass die zentrale Exekutive als einfache einheitliche Steuerung fungiert, scheint die Vielfalt und Komplexität der exekutiven Defizite bei neuropsychologischen Patienten stark in Richtung einer Aufteilung in Subsysteme oder zumindest Subprozesse zu weisen. Unsere derzeitige Strategie (38) besteht darin, zu versuchen, solche notwendigen exekutiven Prozesse zu identifizieren und Mess- und Analysemethoden zu entwickeln, wobei die Frage, ob solche Prozesse Teile eines hochintegrierten Systems oder einer einzelnen Exekutive darstellen, oder ob das Auftreten eines einzelnen Controllers die emergenten Eigenschaften einer Reihe paralleler, aber gleichwertiger Prozesse widerspiegelt, vielleicht eines exekutiven „Komitees“…
Obgleich wir begonnen haben, eine Reihe exekutiver Prozesse zu erforschen (38), wurden die meisten Fortschritte bei einem dieser Prozesse erzielt, nämlich bei der Fähigkeit, zwei oder mehr gleichzeitige Aktivitäten zu koordinieren. Unsere ersten Studien wurden durch den Versuch ausgelöst, das kognitive Defizit bei Patienten zu analysieren, die wahrscheinlich an der Alzheimer-Krankheit leiden. Neben dem massiven Defizit im episodischen Langzeitgedächtnis, das das Hauptmerkmal der Krankheit ist, stellten wir eine Beeinträchtigung bei einer Reihe von Arbeitsgedächtnisaufgaben fest, was eher auf eine defekte exekutive Komponente als auf ein Defizit in den Sklavensystemen hindeutet. Wir beschlossen, dies zu untersuchen, indem wir die Fähigkeit der zentralen Exekutive, die Aktivität in den beiden untergeordneten Systemen zu koordinieren, testeten.
Das experimentelle Design umfasste den Vergleich von drei Gruppen von Probanden, wahrscheinlich Alzheimer-Patienten, normalen älteren Probanden und normalen jungen Probanden. In einer typischen Studie würde die phonologische Schleife mit einer Aufgabe zur Ziffernspanne und der Skizzenblock mit einer visuell-räumlichen Verfolgung belegt werden. In beiden Fällen wurde der Schwierigkeitsgrad der Aufgaben so weit erhöht, dass alle drei Gruppen bei der unabhängigen Durchführung der Aufgaben auf einem gleichwertigen Niveau arbeiteten. Bei der gleichzeitigen Verfolgung und Erinnerung von Ziffern zeigten die jungen und die älteren Menschen eine geringe und gleichwertige Verschlechterung, während die wahrscheinlichen Alzheimer-Patienten eine wesentlich stärkere Verschlechterung zeigten (39). Eine anschließende Längsschnittstudie zeigte, dass sich die Fähigkeit von Patienten mit wahrscheinlicher Alzheimer-Krankheit, Aufgaben zu koordinieren, viel dramatischer verschlechterte als die Leistung bei den allein durchgeführten Aufgaben (40).
Eine kürzlich durchgeführte Studie mit Positronen-Emissions-Tomographie (41) deutet darauf hin, dass die Leistung bei zwei Aufgaben tatsächlich mit der Funktion der Frontallappen zusammenhängt, obwohl dies natürlich nicht bedeutet, dass alle Patienten mit Schädigungen irgendwo im Frontallappen bei der Koordination von zwei Aufgaben schlecht abschneiden. Diese Ansicht wird durch eine Studie gestützt, in der die Dual-Task-Leistung einer Gruppe von 24 Patienten mit nachgewiesenen Frontallappenläsionen analysiert wurde. Die Patienten wurden auch bei zwei Standard-„frontalen“ Messungen getestet, nämlich dem Wisconsin Card Sorting Test (42), einer Aufgabe zur Begriffsbildung, bei der Patienten mit Frontalschäden dazu neigen, schlechte Leistungen zu erbringen und auf früheren Lösungen zu beharren, und der verbalen Geläufigkeit, einer Aufgabe, bei der die Probanden versuchen, so viele Begriffe wie möglich aus einer bestimmten Kategorie wie z. B. Tiere zu generieren, was ebenfalls oft bei Patienten mit Frontallappenschäden beeinträchtigt ist (42). Schließlich waren wir daran interessiert, die Verhaltensstörung zu erfassen, die mit dem klassischen frontalen Syndrom einhergeht und sich oft in Enthemmung oder Apathie äußert. Wir stützten uns dabei auf die klinischen Bewertungen zweier unabhängiger Gutachter, von denen sich einer auf die Beobachtungen während der neuropsychologischen Tests der Patienten stützte, während der andere die Kommentare des Pflegepersonals des Patienten wiedergab. Während alle Probanden eine allgemeine Tendenz zur Verschlechterung bei den Tests zum Sortieren von Karten und zur verbalen Gewandtheit zeigten, war keiner dieser Tests signifikant mit einer Verhaltensstörung verbunden. Andererseits schnitten die Patienten, die Verhaltensauffälligkeiten zeigten, bei der Dual-Task-Performance signifikant schlechter ab als diejenigen, deren Verhalten vergleichsweise normal war (43).
Obwohl der Zusammenhang zwischen Dual-Task-Performance und Verhalten zufällig war, ähnelt er einem unabhängigen Ergebnis von Alderman (44), der eine Studie über ein Rehabilitationsprogramm für hirngeschädigte Patienten mit Verhaltensproblemen durchführte. Während das Programm im Allgemeinen erfolgreich war, konnte eine beträchtliche Minderheit der Patienten nicht davon profitieren. Bei der Untersuchung dieser Patienten in einer Vielzahl von Tests erwies sich eine Gruppe von Tests als besonders aufschlussreich, nämlich diejenigen, bei denen es darum ging, zwei Aufgaben zu koordinieren, und bei denen die Patienten, die nicht auf das Rehabilitationsprogramm ansprachen, durchweg schlechte Leistungen zeigten.
Diese beiden Studien, in denen ein Zusammenhang zwischen der Leistung bei zwei Aufgaben und dem Verhalten festgestellt wurde, sind sehr interessant, sollten aber unbedingt wiederholt werden, bevor man eindeutige Schlussfolgerungen zieht. Wenn sie sich wiederholen, stellt sich das Problem, warum dieser Zusammenhang auftritt. Eine Möglichkeit ist eine ähnliche anatomische Lokalisierung von zwei getrennten Prozessen. Eine interessantere Möglichkeit könnte sich jedoch auf die Rolle der Multitask-Koordination im Sozialverhalten beziehen; vielleicht stellt die Notwendigkeit, die eigenen Interessen aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Aufmerksamkeit auf die Mitmenschen zu richten, hohe Anforderungen an die Fähigkeit zur Dual-Task-Leistung?
Während sich dieser Ansatz zur Analyse der zentralen Exekutive noch in einem relativ frühen Stadium befindet, gibt es bereits einige Fortschritte bei der Postulierung und Untersuchung anderer in Frage kommender exekutiver Prozesse, einschließlich der Fähigkeit, die Aufmerksamkeit zu fokussieren, von einem Fokus zu einem anderen zu wechseln und das Arbeitsgedächtnis zur Aktivierung von Aspekten des Langzeitgedächtnisses zu nutzen (38). Es besteht auch ein beträchtliches Interesse an der Erforschung der Funktion des Arbeitsgedächtnisses, in der Regel durch die Entwicklung von Messgrößen für individuelle Unterschiede in der Kapazität des Arbeitsgedächtnisses und deren Verknüpfung mit der Leistung bei Aufgaben wie Verständnis-, Argumentations- und allgemeinen Intelligenztests.
Eine der am häufigsten verwendeten Messgrößen wurde von Daneman und Carpenter (45) entwickelt, die eine Arbeitsgedächtnisaufgabe als eine Aufgabe definierten, die gleichzeitig die Speicherung und Verarbeitung von Informationen erfordert. Die von ihnen am häufigsten verwendete Aufgabe wird als Arbeitsgedächtnisspanne bezeichnet und besteht darin, der Testperson eine Reihe von Sätzen vorzulegen. Nach dem Lesen muss sich die Versuchsperson an das letzte Wort jedes Satzes erinnern; die Spanne wird durch die maximale Anzahl von Sätzen bestimmt, die die Versuchsperson sowohl lesen als auch die letzten Wörter abrufen kann. Daneman und Carpenter stellten fest, dass die Leistung in diesem Test die Fähigkeiten ihrer College-Studenten im Bereich des Prosaverständnisses vorhersagte, und beobachteten genauer, wie die Kapazität des Arbeitsgedächtnisses solche Komponenten des Verständnisses wie die Fähigkeit, Schlussfolgerungen zu ziehen und über die gegebenen Hinweise hinaus zu extrapolieren, zu untermauern scheint (46).
Unter Verwendung eines ähnlichen Paradigmas haben Oakhill, Yuill und Parkin (47) Kinder untersucht, die anscheinend recht gut lesen können, d.h. geschriebene Wörter aussprechen können, aber die gelesene Prosa schlecht verstehen. Solche Kinder verfügen in der Regel über eine geringe Arbeitsgedächtnisspanne, was Oakhill et al. zu der Annahme veranlasst, dass sie ein Defizit in der zentralen Exekutivkapazität haben. Sowohl sie als auch Turner und Engle (48) stellen fest, dass es nicht notwendig ist, Satzmaterial in die Messung der Spanne einzubeziehen; beispielsweise scheint eine Folge von Berechnungen, gefolgt von nicht zusammenhängenden Wörtern, das spätere Verständnis praktisch ebenso gut vorherzusagen.
Unter Verwendung einer ähnlichen Definition des Arbeitsgedächtnisses, nämlich der Fähigkeit, Informationen gleichzeitig zu speichern und zu verarbeiten, versuchten Kyllonen und Christal (49), Messungen des Arbeitsgedächtnisses mit traditionelleren Intelligenztests in Beziehung zu setzen, die in der Regel auf logischen Aufgaben basieren. Sie stellten eine hohe Korrelation zwischen den beiden Messgrößen fest, wobei die Arbeitsgedächtnistests etwas stärker von der Verarbeitungsgeschwindigkeit abhängen, während die Intelligenztests stärker von der Vorerfahrung und der Ausbildung beeinflusst werden. Letzteres ist in bestimmten Auswahlsituationen von Bedeutung, in denen beispielsweise das berufliche Potenzial von Personen mit unterschiedlichem kulturellen und Bildungshintergrund bewertet werden muss. Der praktische Wert von Messungen des Arbeitsgedächtnisses wird durch eine Studie belegt, in der Christal (50) feststellte, dass er den Erfolg in einem Kurs über Logikgatter auf der Grundlage der Arbeitsgedächtnisbatterie besser vorhersagen konnte als auf der Grundlage traditionellerer psychometrischer Tests.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Entwicklung des Konzepts eines einheitlichen Kurzzeitgedächtnisses zu dem eines mehrkomponentigen Arbeitsgedächtnissystems sowohl in der theoretischen als auch in der angewandten Forschung als äußerst fruchtbar erwiesen hat. Das Arbeitsgedächtnis bildet eine entscheidende Schnittstelle zwischen Wahrnehmung, Aufmerksamkeit, Gedächtnis und Handlung. Das Arbeitsgedächtnis hat bereits bewiesen, wie wertvoll es ist, die Methoden und Konzepte der kognitiven Psychologie mit denen der Neurobiologie zu verbinden, und wird wahrscheinlich auch weiterhin eine lebendige und produktive Rolle in der sich entwickelnden Disziplin der kognitiven Neurowissenschaften spielen.