Multiskalen-Analyse und Modellierung von dynamischer funktioneller Konnektivität im Frettchengehirn

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas K. Engel; Professor Dr. Claus Hilgetag
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 347572142

Intrinsisch generierte dynamische Kopplungen bilden ein charakteristisches Merkmal der Hirnaktivität. Zahlreiche Daten sprechen für das Vorhandensein zweier unterschiedlicher intrinsischer Kopplungstypen (ICMs), die entweder aus der Phasenkopplung oszillatorischer Signale (pICMs) oder aus korrelierten Fluktuationen von Signalamplituden (eICMs) resultieren. Unser Projekt zielt darauf ab, diese beiden Kopplungstypen für das Frettchengehirn durch Kombination von neurophysiologischer Datenanalyse und computergestützter Netzwerkmodellierung zu untersuchen. Während pICMs neurophysiologisch gut untersucht, aber bislang kaum Gegenstand netzwerkbasierter Modellierung sind, gilt das Umgekehrte für eICMs. Die Interaktion zwischen beiden Kopplungstypen ist bislang fast nicht untersucht, und es wurden noch keine vergleichenden Analysen von pICMs und eICMs in denselben Datensätzen durchgeführt. Netzwerkbasierte Modelle mit Einbeziehung beider Typen von ICMs sind für das Frettchenhirn noch nicht vorhanden. Unter Verwendung struktureller und funktioneller Daten - unter anderem aus elektrokortikographischen (ECoG-) Multielektrodenableitungen - die von uns am Frettchen bereits erhoben wurden, sollen nun pICMs und eICMs vergleichend untersucht und durch Modellierung miteinander und mit dem strukturellen Konnektom in Beziehung gesetzt werden. Unser Projekt verfolgt drei Hauptziele: (1) Untersuchung von pICMs durch Kombination von neurophysiologischen Analysen und Modellierung; (2) Analyse und Modellierung von eICMs; (3) Untersuchung möglicher Wechselwirkungen zwischen beiden Kopplungstypen. Diese Projektziele spiegeln sich in der Struktur des Arbeitsprogramms wieder. Arbeitspaket 1 konzentriert sich auf die Beziehung zwischen pICMs und strukturellem Konnektom, auf die raumzeitliche Variabilität von pICMs, auf Veränderungen bei globalen Zustandsänderungen, auf die Dynamik gerichteter Aktivitätswellen sowie auf den Bezug zur Verarbeitung sensorischer Reize. Arbeitspaket 2 wird entsprechende Untersuchungen bezüglich Strukturbezug, Variabilität, Zustandsabhängigkeit, räumlicher Dynamik und Bezug zur Reizverarbeitung für eICMs durchführen. Arbeitspaket 3 hat die Beziehung zwischen beiden Kopplungstypen zum Gegenstand. Hier soll untersucht werden, ob sich pICMs und eICMs bei Zustandsänderung oder sensorischer Reizung gemeinsam verändern. Ferner sollen Beziehungen zwischen Phase und Amplitude als netzwerkweites Kopplungsmaß eingesetzt werden, und es soll getestet werden, welcher Bezug zu dynamischen Phänomenen wie Kritizität besteht. Aus dem Projekt resultierende Daten und Modelle sollen über die Modellierungsplattform TheVirtualBrain zugänglich gemacht werden und diese um ein weiteres Modellsystem ergänzen - das Virtuelle Frettchen. Das Projekt hat direkten Bezug zu zwei Kernthemen des SPP 2041, der systematischen Analyse der Konnektivität in komplexen Netzwerken und der Entwicklung von Modellen zur Erklärung von Netzwerkdynamik.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2041: Computational Connectomics