Feedback als Weg nach vorn: sensorische Vorhersagen in der Gesichtsverarbeitungshierarchie von Primaten

• Antragsteller: Professor Dr. Caspar M. Schwiedrzik
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405847822

Die Welt ist voller Struktur. Donner folgt auf Blitz und Ampeln schalten von Rot zu Grün. Das Gehirn nutzt solche Muster, um vorherzusagen, was als nächstes passieren wird. Indem wir antizipieren, anstatt zu reagieren, können wir z.B. gerade dann losfahren, wenn die Ampel grün wird, und so lautes Hupen vermeiden. Vorhersagen verbessern die Wahrnehmung. Bei Störungen wie Autismus scheint die Fähigkeit, Vorhersagen zu machen, beeinträchtigt zu sein. Wie Vorhersagen im Gehirn implementiert sind, ist jedoch kaum bekannt. Insbesondere ist unklar, ob neben kortikalen Arealen auch Gehirnareale wie der Hippocampus in prädiktive Prozesse eingebunden sind. Dies ist vor allem im Fall von nicht rein sensorischen Vorhersagen, also z.B. Vorhersagen auf Basis abstrakter, konzeptueller Information naheliegend. Wir wollen testen, ob rein sensorische und konzeptuelle Vorhersagen durch Feedback vom Hippocampus zu visuellen kortikalen Arealen realisiert werden. Diese Hypothese geht deutlich über klassische Theorien der prädiktiven Informationsverarbeitung hinaus, die sich gemeinhin auf rein kortikale Prozesse beschränken. Wir werden dies sowohl am Makaken als auch am Menschen untersuchen. Dazu verwenden wir das visuelle Gesichtsverarbeitungssystem als Modell. Dieses System liegt im visuellen Kortex und weißt Verbindungen mit dem Hippocampus auf. Wir werden untersuchen, ob der Hippocampus die zur Prädiktion visueller Information notwendigen Modelle der Umwelt erlernt, wie Vorhersagen zwischen Hippocampus und Kortex ausgetauscht werden, wie sie die Informationsverarbeitung beeinflussen und ob der Hippocampus kausal relevant für Vorhersagen ist. Dazu führen wir sowohl im Makaken (Ziel 1) als auch in Epilepsiepatienten (Ziel 2) parallele elektrophysiologische Ableitungen durch, die Aufschluss über Lokalisation und Dynamik des Informationsflusses zwischen Hippocampus und Kortex während vorhersagbaren und unvorhersagbaren Stimulussequenzen geben. Wir werden die kausale Relevanz von hippocampalem Feedback für Vorhersagen durch reversible Inaktivierung anhand elektrophysiologscher und pupillometrischer Marker untersuchen. Diese Untersuchungen über Spezies (Menschen, Affen) und Abstraktionsebenen (sensorisch, konzeptuell) hinweg wird einen klaren Test der Rolle des Hippocampus für Vorhersagen liefern und eine neue Qualität der Informationsverarbeitung jenseits aktueller, rein kortikaler Theorien der prädiktiven Verarbeitung aufzeigen. So gewinnen wir Einblick in die Mechanismen der Prädiktion, einer Kernaufgabe des Gehirns, und in die in der Informationsverarbeitung liegenden Wurzeln von Defiziten bei Zuständen wie Autismus.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen