Intraoperative large-scale extracellular recordings for studying the neuronal code for number in the human brain
Final Report Abstract
Ein wesentliches Ziel in der kognitiven Neurowissenschaft besteht darin, spezifische neuronale Korrelate für höhere Hirnfunktionen zu identifizieren. Im tierexperimentellen Bereich werden dabei große Fortschritte verzeichnet, weil hier eine wachsende Zahl von Werkzeugen zur Messung und Manipulation der Aktivität individueller Neurone und ihrer Netzwerke im sich verhaltenden Versuchstier zur Verfügung steht. Gerade dieses Detailverständnis fehlt jedoch in Humanstudien. Wir wissen nur sehr wenig darüber, wie höhere Hirnleistungen auf der neuronalen Ebene beim Menschen implementiert werden. Untersuchungen zur Funktion individueller Neurone und ihrer lokalen Netzwerke beim Menschen stützen sich derzeit auf neurochirurgische operative Eingriffe, die nur einen begrenzten Zugang zum Gehirn bieten, sowie auf Messsonden, die sich nicht ohne erheblichen Aufwand in stark standardisierte chirurgische Prozeduren integrieren lassen. In diesem Versuchsvorhaben wurden sichere und robuste Verfahren zur Ableitung extrazellulärer neuronaler Aktivität aus dem frontoparietalen Assoziationskortex des Menschen mittels planarer Mikroelektrodenarrays (MEA) etabliert. Diese Multi-Kanal-Elektroden wurden im Rahmen von Wachoperationen zur Resektion linkshemisphärischer Hirntumoren über große offene Kraniotomien intrakortikal implantiert. Eine umfassende elektrophysiologische Charakterisierung der intraoperativ aufgezeichneten neuronalen Aktivität zeigte bei allen Arrays qualitativ hochwertige Signale auf der neuronalen Populationsebene (lokale Feldpotentiale). Bei geeigneter Wahl der Array-Geometrie mit reduzierter Elektrodendichte konnten auch zuverlässig individuelle Neurone aufgelöst werden. Numerische Kompetenz, also die Fähigkeit, Elemente abzuzählen, zu messen und in Reihenfolgen zu ordnen, ist eng mit neuronaler Aktivität im frontoparietalen Kortex assoziiert und wurde daher als Anwendungsbeispiel gewählt, um das Potential der beschriebenen Methoden für die Erforschung menschlicher komplexer Hirnleistungen zu explorieren. Messungen bei Patienten, die im Rahmen der Wachoperation Arbeitsgedächtnisaufgaben mit numerischen Reizen ausführten, zeigten zunächst, dass individuelle Neurone im inferioren parietalen Kortex auf nicht-symbolische Anzahlen abgestimmt waren. Darüber hinaus wurden nicht-symbolische Anzahlen (Punktmuster) und Zahlensymbole (arabische Ziffern) konkordant beantwortet, d.h. die Neurone präferierten die gleiche numerische Information unabhängig von der Notation. Dennoch bestanden deutliche Unterschiede in den Antwortprofilen für beide Notationen, die auch mittels maschinellen Lernens klar voneinander zu trennen waren. Diese Befunde legen nahe, dass im parietalen Kortex des Menschen zumindest partiell eine abstrakte, d.h. Notations-unabhängige Repräsentation von Anzahlen auf neuronaler Ebene zu finden ist. Zusammenfassend ist es in diesem Versuchsvorhaben gelungen, mit akuten MEA-Ableitungen bei neurochirurgischen Wachoperationen ein Verfahren zu etablieren, das eine kombinierte Aufzeichnung neuronaler Aktivität in unterschiedlich granulärer, komplementärer Ortsauflösung mit komplexen Verhaltensleistungen ermöglicht. Die Methodik verspricht zukünftig einen praktikableren Zugang zu den zellulären und Netzwerk-Mechanismen einer Vielzahl höherer Hirnleistungen des Menschen.
Publications
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Intraoperative large scale extracellular recordings for studying the cellular and microcircuit basis of human cognition. Soc Neurosci Abstr 330.05
Eisenkolb VM, Gempt J., Meyer B., Jacob SN
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Human acute microelectrode array recordings with broad cortical access, single-unit resolution and parallel behavioral monitoring. (2022, 10, 28). American Geophysical Union (AGU).
Eisenkolb, Viktor M.; Held, Lisa M.; Utzschmid, Alexander; Lin, Xiao-Xiong; Krieg, Sandro M.; Meyer, Bernhard; Gempt, Jens & Jacob, Simon N.
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Human acute microelectrode array recordings with broad cortical access, single-unit resolution, and parallel behavioral monitoring. Cell Reports, 42(5), 112467.
Eisenkolb, Viktor M.; Held, Lisa M.; Utzschmid, Alexander; Lin, Xiao-Xiong; Krieg, Sandro M.; Meyer, Bernhard; Gempt, Jens & Jacob, Simon N.
