Funktionelle Magnetresonanztomographie der kortikalen Schichten um die Richtung des Informationsflusses im Gehirn beim Schmerz zu messen

• Antragsteller: Dr. Peter Koopmans
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310872863

In meinem laufenden 5-jährigen Emmy-Nöther-Projekt entwickle ich funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) von kortikalen Schichten. Diese Technik ist der Schlüssel zur Enthüllung der Direktionalität des weitreichenden Informationsflusses durch das Gehirn, da die kortikale laminare Struktur durch eine Aufteilung in Feedforward- und Feedback-Verarbeitungsschichten gekennzeichnet ist. Die Konnektivität über große Entfernungen ist für das Verständnis der menschlichen Kognition absolut entscheidend und gilt als genau das was das menschliche Gehirn von Tieren unterscheidet. Die Möglichkeit, die Direktionalität in diesen Verbindungen zu messen, ermöglicht es uns, die Bottom-Up-Signalisierung von der modulatorischen Top-Down-Verarbeitung zu trennen, was von besonderer Bedeutung ist in den Gehirnbereichen die charakteristischerweise nicht Teil einer strengen Hierarchie sind und je nach Richtung sogar umgekehrt werden können auf den spezifischen kognitiven Prozess (z. B. bottom-up Schmerzstimulation versus top-down Modulation durch placebobasierte Schmerzunterdrückung). Mein Emmy-Nöther-Projekt verfolgt einen zweigleisigen Ansatz, um fMRT für kortikale Schichten zu etablieren: 1. Optimieren der Messung von kortikalen laminaren Signalen. Wir entwickeln die fMRI-Methodik, um ihre intrinsische Spezifität zu verbessern, um Signale von den verschiedenen kortikalen Schichten besser zu trennen. 2. Entwicklung von Analysewerkzeugen zur Charakterisierung von laminaren Signalen. Selbst wenn die laminaren Merkmale erfolgreich in den fMRI-Daten erfasst werden, können Standard-fMRI-Analysetechniken ihre Direktionalitätsnatur nicht ausnutzen. Obwohl wir viele unserer Ziele in etablierte Pipelines und Proofs-of-Concept umgesetzt haben, bleiben zwei große Hürden bestehen, die derzeit verhindern, dass Schicht-fMRT-Ansätze von der Mainstream-Kognitiven Neurowissenschaft übernommen werden. (1) Die geringe intrinsische Spezifität der empfindlichsten Methoden der fMRT kann eine Trennung der laminaren Signale verhindern. (2) Spezifischere fMRT-Methoden leiden unter einer geringen Sensitivität und Effizienz, was zu langen Datenerfassungszeiten führt, die bei vielen kognitiven Aufgaben unpraktisch sind (Beispiele sind (ethische) Probleme mit anhaltender schmerzhafter Stimulation oder Anpassungs-/Lerneffekten bei Aufgaben). Mit diesem Antrag auf ein sechstes Förderjahr wollen wir diese Hürden nehmen. Insbesondere werden wir die erst kürzlich entwickelte fMRT-Datenerfassungsmethode des arteriellen Blutkontrasts (ABC) auf den Bereich der kortikalen laminaren fMRT übertragen und dabei unsere Pipelines und Techniken nutzen, die bereits im Emmy-Nöther-Hauptprojekt etabliert wurden. Wir gehen davon aus, dass diese aufregende neue ABC-fMRT-Methode von großem Nutzen sein wird, da sie gleichzeitig eine Überlegenheit sowohl in Bezug auf Spezifität als auch Effizienz verspricht.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen