Neurophysiologische Untersuchungen zur Ermittlung des Aufmerksamkeitsfokus auf Einzeltrialebene für die klinische Nutzung chronisch gemessener ECoG-Signale des striären und extrastriären visuellen Kortex
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die epidurale Messung neuronaler Aktivität stellt eine gering-invasive Methode für grundlagenwissenschaftliche und zukünftige klinische Einsatzgebiete dar. Mit Hilfe epidural platzierter Mikroelektrodenarrays können mit einer hohen Anzahl von Elektroden Signale von einem oder mehreren kortikalen Arealen gemessen werden, ohne dass hierfür neuronales Gewebe oder die Dura mater penetriert werden müssen. Ein vermeintlicher Nachteil epiduraler Messungen besteht allerdings i) in ihrer geringeren Selektivität, da die so erhobenen Signale die integrierte Aktivität einer sehr hohen Anzahl von Neuronen repräsentieren, ii) im schlechteren Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), da die Elektroden weiter von den neuronalen Signalquellen entfernt sind und die Dura mater eine zusätzliche Barriere darstellt, iii) in der hohen zu handhabenden Datenmenge und iv) in der noch kaum untersuchten Langzeitfunktionalität der verwendeten Multielektrodenarrays. Im Rahmen des geförderten Forschungsprojektes wurden daher mit Hilfe epiduraler Messungen im primären visuellen Kortex des Makaken Untersuchungen zur Selektivität sensorisch und endogen modulierter Signale durchgeführt, Analysemethoden zur Optimierung des extrahierbaren Informationsgehalts entwickelt und die Langzeitfunktionalität der verwendeten Multielektrodenarrays mit Hilfe von Untersuchungen der Eigenschaften rezeptiver Felder untersucht. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes zeigen auf, dass mit Hilfe adäquater Analysealgorithmen i) die zu berücksichtigende Datenmenge erheblich reduziert werden kann, ii) ein hoher Informationsgehalt aus zunächst erheblich verrauschten Signalen extrahierbar ist und iii) epidurale Signale auf dieser Basis hochspezifische, sowohl räumliche als auch nichträumliche Stimulusinformation bereitstellen. Die Ergebnisse zeigen allerdings auch, dass weitere Forschung und Entwicklung erforderlich sind, um die langzeitige Integrität und Funktionalität der derzeit verfügbaren Multielektrodenarrays zu verbessern. Im Zuge der kostenneutralen Verlängerung des Projekts wurden außerdem Vorarbeiten für darauf aufbauende Folgeuntersuchungen durchgeführt. Diese sind notwendig für die statistische Analyse verschiedener technischer Aspekte epiduraler Multielektrodenarrays sowie für die Kombination von epiduralen Messungen mit optogenetischer Stimulation. Sie sollen auch der Vorbereitung von Studien zur vertieften Charakterisierung epiduraler Signale im Kontext spezifischer grundlagenwissenschaftlicher Fragestellungen zu Aufmerksamkeits- und Entscheidungsprozessen dienen, die mit herkömmlichen intraparenchymalen Messungen entweder gar nicht oder nur schwer untersuchbar sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Emphasizing the “positive” in positive reinforcement: using nonbinary rewarding for training monkeys on cognitive tasks. Journal of Neurophysiology, 120(1), 115-128.
Fischer, Benjamin & Wegener, Detlef
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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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Visual epidural field potentials possess high functional specificity in single trials. Journal of Neurophysiology, 122(4), 1634-1648.
Fischer, Benjamin; Schander, Andreas; Kreiter, Andreas K.; Lang, Walter & Wegener, Detlef
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„About the specificity of epidural field potentials recorded with highdensity multi-electrode arrays from the primary visual cortex”, Promotionsschrift (Dr. rer. nat.), Universität Bremen
Fischer B.
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Blood Analysis of Laboratory Macaca mulatta Used for Neuroscience Research: Investigation of Long-Term and Cumulative Effects of Implants, Fluid Control, and Laboratory Procedures. eneuro, 8(5), ENEURO.0284-21.2021.
Wegener, Detlef; Oh, (胡箪棋) Dan Qi Priscilla; Lukaß, Herbert; Böer, Michael & Kreiter, Andreas K.
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Dynamic divisive normalization circuits explain and predict change detection in monkey area MT. PLOS Computational Biology, 17(11), e1009595.
Ernst, Udo A.; Chen, Xiao; Bohnenkamp, Lisa; Galashan, Fingal Orlando & Wegener, Detlef
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Monkey V1 epidural field potentials provide detailed information about stimulus location, size, shape, and color. Communications Biology, 4(1).
Fischer, Benjamin & Wegener, Detlef
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An Open-Source, Fully Customizable 5-Choice Serial Reaction Time Task Toolbox for Automated Behavioral Training of Rodents. Journal of Visualized Experiments, 179.
Morais, Gancz Julia; El Jundi, Nada; Strippelmann, Eva; Koch, Michael & Wegener, Detlef
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Generalised exponential-Gaussian distribution: a method for neural reaction time analysis. Cognitive Neurodynamics, 17(1), 221-237.
Marmolejo-Ramos, Fernando; Barrera-Causil, Carlos; Kuang, Shenbing; Fazlali, Zeinab; Wegener, Detlef; Kneib, Thomas; De Bastiani, Fernanda & Martinez-Flórez, Guillermo
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Monitoring and immunogenicity of SARS-CoV-2 vaccination of laboratory rhesus monkeys (Macaca mulatta). Scientific Reports, 13(1).
Oh, Dan Qi Priscilla; Grothe, Iris; Lukaß, Herbert; Kreiter, Andreas K.; Hoffmann, Markus & Wegener, Detlef
