Verfolgung der neuronalen Signale multipler visueller Stimuli entlang kortikaler Verarbeitungswege zur Identifikation aufmerksamkeitsabhängiger Filtermechanismen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wir untersuchten die neuronalen Mechanismen, die selektiver Aufmerksamkeit zugrunde liegen und die es dem Gehirn ermöglichen, aktuell relevante Informationen selektiv und effizient zu verarbeiten. Entsprechende Erkenntnisse sind von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Funktionsweise des Gehirns, und die unverzichtbare grundlagendwissenschaftliche Basis für die rationale und effiziente Entwicklung neuer effektiver diagnostischer und therapeutischer Ansätze für die Behandlung von Gehirnerkrankungen. Einer der zentralen Aspekte der Hirnfunktion, die selektive Übertragung und Verarbeitung relevanter Informationen bei gleichzeitiger Unterdrückung irrelevanter Informationen, hängt im visuellen System von selektiver Aufmerksamkeit für den aktuell wichtigen Stimulus ab. Hier untersuchen wir die Hypothese, dass Aufmerksamkeit die effektive Übertragung und folglich die weitere Verarbeitung der relevanten Informationen steuert, indem sie oszillatorische Aktivitätsmuster (50-80 Schwingungen pro Sekunde) zwischen Neuronen, die relevante Informationen aussenden, und Neuronen, die sie empfangen sollen, synchronisiert. Der Grundgedanke ist, dass die Effektivität der Informationsübertragung maximiert wird, wenn die Neuronen ihre Signale dann liefern, wenn die empfangenden Neuronen in der sensitievsten Phase ihres Schwingungszyklus sind. Neuronen, die ihre zeitlichen Aktivitätsmuster nicht auf diese sensitiven Phasen der empfangenden Neuronen abstimmen, hätten folglich weniger Einfluss auf diese. In unserem Projekt haben wir (1) den kausalen Zusammenhang zwischen der genauen Phase, zu der Signale während des oszillatorischen Aktivitätszyklus des empfangenden Neurons eintreffen, und der Stärke ihrer Wirkung nachgewiesen. Dieser Nachweis der Kausalität ermöglichte es uns, konkurrierende Hypothesen zu widerlegen. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass (2) diese sensitvste Phasenbeziehung zwischen den neuronalen Aktivitäten von Sender- und Empfängerneuronen häufig auftritt, über relevante Zeiträume anhält, und in diesen Zeiträumen deutlich mehr Information über visuelle Reize übertragen wird, als in Zeiträumen mit anderen Phasenbeziehungen. Wir fanden auch Belege für die Hypothese, dass (3) Aufmerksamkeit die effektiven Phaseneziehung schafft, indem sie die Aktivität von Senderneuronen erhöht, die relevante Informationen verarbeiten, während sie gleichzeitig die Aktivität von Sendereuronen mit konkurrierenden, irrelevante Informationen reduziert. Für unsere Datenanalyse haben wir eine Methode entwickelt, die elektrische Stimulationsartefakte aus neuronalen Daten entfernt, ohne das neuronale Signal zu verzerren. Darüber hinaus haben wir eine Methode zur Quantifizierung der Spike- Aktivität getestet und charakterisiert, die die Gewinnung von Aktivitätsdaten aus verrauschten Daten unterstützt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Optimizing the Yield of Multi-Unit Activity by Including the Entire Spiking Activity. Frontiers in Neuroscience, 13.
Drebitz, Eric; Schledde, Bastian; Kreiter, Andreas K. & Wegener, Detlef
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Unexpectedly strong attentional modulation of V1/V2 activity implements a robust, contrast-invariant control mechanism for selective information processing. Bernstein Conference 2019, Berlin
Schünemann M., Rausch L. P., Drebitz E., Harnack D., Ernst U. A. & Kreiter A. K.
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A novel approach for removing micro-stimulation artifacts and reconstruction of broad-band neuronal signals. Journal of Neuroscience Methods, 332, 108549.
Drebitz, Eric; Rausch, Lukas-Paul & Kreiter, Andreas K.
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Synchrony, flexible network configuration, and linking neural events to behavior. Current Opinion in Physiology, 16, 98-108.
Kreiter, Andreas K.
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Attentional modulations overcome large activity differences between competing neuronal populations in area V1/V2. 14th Göttingen Meeting of the German Neuroscience Society, 2021. Supplement to Neuroforum March 2021 (1), Band 27, eISSN 2363-7013, De Gruyter, Heidelberg, Germany
Rausch L. P., Schünemann M., Drebitz E., Harnack D., Ernst U. A. & Kreiter A. K.
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Information processing in monkey`s visual cortex is causally dependent on precise γ-Synchronization. 14th Göttingen Meeting of the German Neuroscience Society, 2021. Supplement to Neuroforum March 2021 (1), Band 27, eISSN 2363- 7013, De Gruyter, Heidelberg, Germany
Drebitz E., Rausch L.P. & Kreiter A. K.
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Tracking visual stimulus information across cortical layers in macaque’s area V1 for identification of neuronal gating mechanisms. P489.04. 2021 Neuroscience Meeting Planner. Chicago, IL: Society for Neuroscience, 2021. Online (2021)
Drebitz E., Rausch L. P., Domingo Gil E. & Kreiter A. K.
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Attention changes the efficacy of information transfer between layers in visual area V1 by adjusting their gamma-phase relations. Program No. 317.05. 2022 Neuroscience Meeting Planner. San Diego, CA: Society for Neuroscience, 2022. Online
Drebitz E., Rausch L. P., Domingo Gil E. & Kreiter A. K.
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Information Routing between cortical Layers in Macaque Area V1 depends on the phase relation between their Gamma-Oscillations. In FENS Forum 2022, Paris, France, July 9-13, 2022. Board Number: S04-095
Drebitz E., Rausch L. P., Stemmann H. & Kreiter A. K.
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Neuronal information processing causally depends on gamma phase synchrony. Springer Science and Business Media LLC.
Drebitz, Eric; Rausch, Lukas-Paul & Kreiter, Andreas K.
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Strong attentional modulation of V1/V2 activity implements a robust, contrast-invariant control mechanism for selective information processing. (2023)
Rausch L. P., Schünemann M., Drebitz E., Harnack D., Ernst U. A. & Kreiter A. K.
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Three distinct gamma oscillatory networks within cortical columns in macaque monkeys’ area V1. Cold Spring Harbor Laboratory.
Drebitz, Eric; Rausch, Lukas-Paul; Gil, Esperanza Domingo & Kreiter, Andreas K.
