Verfolgung der neuronalen Signale multipler visueller Stimuli entlang kortikaler Verarbeitungswege zur Identifikation aufmerksamkeitsabhängiger Filtermechanismen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas K. Kreiter
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 331514942

Natürliche visuelle Szenen verlangen vom visuellen System des Gehirns die gleichzeitige Verarbeitung zahlreicher unabhängiger Stimuli. Oft befinden sich diese Stimuli in enger Nachbarschaft innerhalb des retinalen Bildes. In Folge der starken Divergenz und Konvergenz neuronaler Verbindungen entlang des visuellen Verarbeitungsweges, empfangen die Nervenzellen meist Signale von mehr als einem Stimulus. Dennoch sind sie in der Lage, nur einen einzigen Stimulus zu verarbeiten, wenn selektive Aufmerksamkeit auf diesen gerichtet ist. Sie können dann so reagieren, als sei nur dieser attendierte Stimulus anwesend und ignorieren die oft zahlreicheren und stärkeren Signale anderer Stimuli. Obgleich diese aufmerksamkeitsabhängige, selektive Verarbeitung gut dokumentiert ist, sind die zugrundeliegenden Mechanismen wenig verstanden und werden kontrovers diskutiert. Frühere Ergebnisse aus unserem und anderen Laboren zeigen, dass diese bemerkenswerte Fähigkeit durch aufmerksamkeitsabhängige Filtermechanismen zu erklären ist. Diese erlauben den selektierten Eingangssignalen zu passieren, während alle anderen Signale nicht durchgelassen werden. Dies kann durch zwei grundlegende Arten von Mechanismen erklärt werden: Die sogenannten asynchronen Mechanismen beruhen auf einer spezifischen neuronalen Verschaltung, die aufmerksamkeitsabhängig mit der Signalweiterleitung interferiert, z.B. durch Modulation der synaptischen Übertragung oder durch Aufhebung exzitatorischer Signale mit entsprechendem inhibitorischem Input. Die synchronen Mechanismen beruhen hingegen auf spezifischen raum-zeitlichen Aktivitätsmustern, welche die Signalübertragung modulieren. Danach oszilliert die Aktivität der Eingangssignale ebenso wie jene der sie empfangenden Nervenzellen im Gamma-Band (30-100 Hz). Dabei sind die Oszillationen der verhaltensrelevanten Eingänge und der sie empfangenden Nervenzellen mit einer für die Signalübertragung optimalen Phasendifferenz gekoppelt, während alle anderen, irrelevanten Eingänge diese Phasenrelation meiden. Wir haben dieses Muster aufmerksamkeitsabhängiger Synchronisation demonstrieren können, aber es ist offen, ob es ursächlich für das Signal-Gating ist, oder nicht.Ziel des Projekts ist es, zu untersuchen, ob aufmerksamkeitsabhängiges Signal-Gating auf asynchronen oder auf synchronen Mechanismen beruht. Mit einer zuvor von uns entwickelten Methode wollen wir die neuronalen Signale der individuellen Stimuli markieren und damit dem Signalfluss zwischen kortikalen Arealen folgen. Dabei wollen wir feststellen, ob gelegentliche Abweichungen der Phasendifferenz mit einem Rückgang der Signalübertragung für den attendierten Stimulus verbunden sind. Stark für einen synchronisationsabhängigen Filtermechanismus spräche, wenn die Signalübertragung tatsächlich strikt von der Phasendifferenz abhängen würde. Wäre die Fluktuation der Signalübertragung hingegen phasenunabhängig, spräche dies für einen asynchronen Mechanismus.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen