Thalamo-cortical communication and visual attention
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Fähigkeit Aufmerksamkeit schnell und flexibel zu verändern gehört zu den grundlegenden Leistungen des menschlichen Gehirns. So ist es beispielsweise im Strassenverkehr für Autofahrer unersetzlich, mehrere weitere Verkehrsteilnehmer und Signale gleichzeitig im Blick zu behalten sowie flexibel und schnell plötzliche Veränderungen zu sehen und darauf zu reagieren. Trotz grosser Forschungsfortschritte im Verständnis der neuronalen Mechanismen des Sehens und der Aufmerksamkeit bleiben viele wichtige Aspekte bis heute unverstanden. Ziel dieses Forschungsprojektes war es Gehirnmechanismen zur visuellen Reizverarbeitung und zur visuellen Aufmerksamkeit mit modernen elektrophysiologischen Multielektrodentechniken sowie optogenetischen Verfahren zu untersuchen. Diese Methoden erlauben es, neuronale Schaltkreise kausal zu manipulieren und gleichzeitig Interaktionen zwischen Nervenzellverbänden im Tierversuch zu studieren. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Seh- und Aufmerksamkeitsleistungen wurden die zentralen Untersuchungen an für Forschungszwecke gezüchteten Makaken durchgeführt. Ausserdem konnten einige Aspekte der im Tierversuch gewonnenen neuen Aspekte durch Humanstudien erweitert werden um dadurch auf Aufmerksamkeitsleistungen im menschlichen Gehirn Schlüsse treffen zu können. Die optogenetischen Experimente zu neuronalen Schaltkreisen erlaubten die erstmalige Isolierung der sogenannten Koniozellen von benachbarten Zelltypen im lateralen Kniehöcker des visuellen Systems, sowie deren Projektion in die oberen Schichten der primären visuellen Sehrinde. Dieselben Resultate konnten mit elektrischer Hirnstimulation erzielt werden, einer Technik, die für therapeutische Zwecke in der Neurologie verwendet wird. Dieses Ergebnis validiert die neue optogenetische Technik und bietet somit eine Grundlage für weitergehende Untersuchungen zur Funktion dieser Koniozellen fürs Sehen und für die Entwicklung einer Sehprothese für bestimmte Formen von Blindheit. Im Bereich der visuellen Aufmerksamkeitsmechanismen konnten unsere Untersuchungen unter anderem das Auftreten eines rhythmischen visuellen Scanmusters zeigen. In Situationen, die eine räumliche Verteilung von Aufmerksamkeit erforderten, schwankte die Aufmerksamkeit rhythmisch alle 200-300 ms zwischen benachbarten Zielobjekten. In unseren elektrophysiologischen Ableitungen der Großhirnrinde konnten wir außerdem zeigen, dass diese Aufmerksamkeitsschwankungen von rhythmischer Gehirnaktivität der visuellen Großhirnrinde begleitet waren und dass diese Aktivität durch wechselseitig hemmende Interaktionen benachbarter Nervenzellverbände vermittelt wurde8. Somit konnte ein neuer Gehirnmechanismus für die flexible Ausrichtung von Aufmerksamkeit beschrieben werden. Wie nun gestörte Gehirnrhythmen zu Aufmerksamkeitsdefiziten unter neuropsychiatrischen Bedingungen beitragen, ist ein wichtiger Aspekt laufender Forschungsprojekte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Motion-sensitive responses in visual area V4 in the absence of primary visual cortex. The Journal of Neuroscience. 2013, Nov 27, 33(48), 18740-18745
M. C. Schmid, J. T. Schmiedt, A. J. Peters, R. C. Saunders, A. Maier, D. A. Leopold
(Siehe online unter https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3923-13.2013) - Receptive field focus of visual areas V4 neurons determines responses to illusory surfaces. PNAS. 2013, Oct 15, 110(42), 17095-100
M. A. Cox, M. C. Schmid, A. J. Peters, R. C. Saunders, D. A. Leopold, A. Maier
(Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1310806110) - Beta oscillation dynamics in extrastriate cortex after removal of primary visual cortex. The Journal of Neuroscience. 2014, Aug 27, 34 (35), 11857-11864
J. T. Schmiedt, A. Maier, P. Fries, R. Saunders, D. A. Leopold, M. C. Schmid
(Siehe online unter https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0509-14.2014) - Filling-in or filling-out: Patterns of short-term plasticity in visual cortex. Trends in Cognitive Sciences. 2014, Jul, 18 (7), 342-4
M. C. Schmid, G. Keliris
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tics.2014.01.013) - To see or not to see - thalamo-cortical networks during blindsight and perceptual suppression. Progress in Neurobiology. 2015, 126, 36-48
M. C. Schmid, A. Maier
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2015.01.001) - Correlated activity of cortical neurons survives extensive removal of feedforward sensory input. Scientific Reports. 2016, 6, 34886
K. A. Shapcott, J.T. Schmiedt, R. C. Saunders, A. Maier, D. A. Leopold, M. C. Schmid
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep34886) - Functional identification of primate lateral geniculate nucleus projections to visual cortex using optogenetics and electrical microstimulation. Neuron. 2016, 90(1), 143- 51
C. Klein, H. Evrard, K. A. Shapcott, S. Haverkamp, N. K. Logothetis, M. C. Schmid
- Blindsight. Encyclopedia of Evolutionary Psychologal Science. 2017
M. C. Schmid, A. Maier
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-16999-6_2763-1) - Lateral geniculate nucleus. Encyclopedia of Evolutionary Psychologal Science. 2017
A. Maier, M. C. Schmid
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-16999-6_2772-1) - Linear Distributed Source Modeling of Local Field Potentials recorded with Intra-cortical Electrode Arrays. PLoS ONE. 2017, 12(12):e0187490
R. Hindriks, J. T. Schmiedt, X. D. Arsiwalla, A. Peter, P. Verschure, P. Fries, M. C. Schmid, G. Deco
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0187490) - Nonhuman Primate Optogenetics: Recent Advances and Future Directions. The Journal of Neuroscience. 2017, 37, 10894–10903
A. Galvan, W. R. Stauffer, L. Acker, Y. El-Shamayleh, K. Inoue, S. Ohayon, M. C. Schmid
(Siehe online unter https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1839-17.2017) - The Influence of Endogenous and Exogenous Spatial Attention on Decision Confidence. Scientific Reports. 2017, 7, 6431
P. Kurtz, K. A. Shapcott, J. Kaiser, J. T. Schmiedt, M. C. Schmid
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-06715-w)
