Connectome and Cognition
Final Report Abstract
Das Gehirn ist ein komplexes Netzwerk: Das Konnektom. Die Organisationsprinzipien struktureller Verbindungen (weiße Substanz) und die Regelmäßigkeiten funktioneller Konnektivität werden zunehmend entschlüsselt. Der damit einhergehende Paradigmenwechsel - weg von der isolierten Betrachtung einzelner Regionen hin zur systemischen Betrachtung des Hirnnetzwerkes - ist auch für die kognitiven Neurowissenschaften relevant. Allerdings ist unser Kenntnisstand zu Hirnnetzwerkaspekten kognitiver Funktionen, nicht zuletzt aufgrund konzeptueller und methodischer Unklarheiten, unzureichend. Das Projekt Konnektom & Kognition hat an dieser Stelle angesetzt. Im Fokus standen dabei Aufmerksamkeitsfunktionen im Rahmen der Attention Network Theory, die prüfbare Vorhersagen macht, wie verschiedene Aufmerksamkeitsbereiche in Hirnnetzwerken implementiert sein könnten. Wir haben etabliere Methoden aus den Netzwerk-Neurowissenschaften adaptiert und zum Teil weiterentwickelt, um diese Vorhersagen erstmals empirisch zu testen. Neben der Weiterentwicklung methodischer Zugänge stand die Präzisierung der Attention Network Theory sowie das generelle Zusammenspiel neuronaler Konnektivität und höherer kognitiver Funktionen im Fokus unserer Arbeit. Die gewonnen Erkenntnisse erfordern eine Revision der Attention Network Theory: Trotz eindeutiger empirischer Unterstützung für die Segregation dreier Aufmerksamkeitsfunktionen im Gehirn muss die Annahme der Unabhängigkeit der Aufmerksamkeitssysteme auf Netzwerkebene sowie die Trennung von bottom-up Verarbeitung und top-down Kontrolle durch Aufmerksamkeitsnetzwerke angezweifelt werden. Darüber hinaus ergaben sich wichtige Erkenntnisse wie kognitive Funktionen im Allgemeinen in Netzwerken implementiert und durch diese unterstützt werden. Dazu haben wir einen theoretischen Artikel publiziert, indem wir einen neuen theoretischen Rahmen auf Grundlage der netzwerkneurowissenschaftliche Erkenntnisse formulieren. Darin legen wir dar, wie die Kontrolle kognitiver Funktionen durch ein distribuiertes System wie das Konnektom realisieren werden könnte und argumentieren, dass die konzeptuelle Trennung von bottom-up Verarbeitung und top-down Kontrolle anzuzweifeln ist. Auf methodischer Ebene zeigt sich, dass eine direkte Adaption der typischen Subtraktionskontrastierung innerhalb des allgemeinen linearen Modells zur Untersuchung von experimentell-induzierten Veränderungen in der funktionellen Konnektivität auf Ganzhirnebene kein lohnenswerter Ansatz ist. Grund dafür ist eine eingeschränkte Reliabilität der geschätzten Parameter in diesem Modell. In hinreichend großen Stichproben (N>800) mit test-starken Designs lassen sich zwar eindeutige Veränderungen der Netzwerkorganisation nach experimenteller Manipulation feststellen, die theoretisch und klinisch bedeutsam sind. In kleineren Stichproben und bei komplexeren Versuchsanordnungen ist die Aussagekraft dieses Ansatzes allerdings eingeschränkt. In laufenden Folgeuntersuchungen präzisieren wir aktuell die Rahmenbedingungen für diese Verfahrensklasse, um praktische methodische Empfehlungen geben zu können. Als zielführender Ansatz bieten sich Methoden der Netzwerkkontrolltheorie an: Neuronale Aktivierungsmuster werden dabei nicht wie in der älteren Literatur üblich als Netzwerke konzeptualisiert, sondern als mögliche Zustände betrachtet, die durch das Hirnnetzwerk hervorgerufen werden. Darüber hinaus konnten wir Annahmen aus den Netzwerkneurowissenschaften präzisieren: Zumindest die Netzwerkkontrolle von Aufmerksamkeit wird nicht dezidiert von Hirnregionen vermittelt wird, die dem strukturellen Netzwerkkern angehhören. Wir konnten allerdings zeigen, dass regionale Konnektivitäts- und globale Netzwerkeigenschaften des Kerns im ontogenetischen Entwicklungsverlauf dissoziieren. Zukünftige Arbeiten zu Konnektom und Kognition sollten daher nicht nur die Relevanz von Netzwerkelementen für kognitive Funktionen untersuchen, sondern auch die abstrakteren Prinzipien der Netzwerkorganisation mit einbeziehen.
Publications
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Specific and segregated changes to the functional connectome evoked by the processing of emotional faces: A task-based connectome study. Scientific Reports, 10(1).
Markett, Sebastian; Jawinski, Philippe; Kirsch, Peter & Gerchen, Martin F.
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A new era for executive function research: On the transition from centralized to distributed executive functioning. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 124, 235-244.
Zink, Nicolas; Lenartowicz, Agatha & Markett, Sebastian
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Attention networks and the intrinsic network structure of the human brain. Human Brain Mapping, 43(4), 1431-1448.
Markett, Sebastian; Nothdurfter, David; Focsa, Antonia; Reuter, Martin & Jawinski, Philippe
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Trajectory of rich club properties in structural brain networks. Human Brain Mapping, 43(14), 4239-4253.
Riedel, Levin; van den Heuvel, Martijn P. & Markett, Sebastian
