Die Rolle des Zerebellums bei der Feedbackverarbeitung

• Antragstellerinnen: Privatdozentin Dr. Martina Minnerop; Professorin Dr. Jutta Peterburs; Professorin Dr. Dagmar Timmann-Braun
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437661157

Während dem Zerebellum lange eine Beteiligung lediglich an motorischen Prozessen zugeschrieben wurde, hat sich zuletzt ein Paradigmenwechsel vollzogen, der eine Beteiligung auch an kognitiven Funktionen betont. Die genauen Mechanismen sind jedoch noch ungeklärt. Die uniforme Neuroarchitektur des Zerebellums mit geschlossenen, reziproken, zerebello-zerebralen Schleifen legt nahe, dass das Zerebellum domänenübergreifend ähnliche Funktionen erfüllt, z.B. Timing, die Generierung interner Modelle und Sequenzdetektion. Diese Funktionen lassen sich einbetten in ein generelles Konzept von Handlungsüberwachung bzw. Prädiktion und Fehler-basiertem Lernen. Das vorliegende Forschungsprogramm soll die Rolle des Zerebellums bei Fehler- bzw. Feedbackverarbeitung näher untersuchen. Die experimentellen Aufgaben erfordern dabei auch Prädiktionsprozesse und testen die Abhängigkeit dieser Prozesse vom Feedback-Timing, sodass die Ergebnisse geeignet sind, verschiedene Theorien zur Funktion des Zerebellums für kognitive Prozesse zu integrieren. Konkret soll die Rolle des Zerebellums für die Verarbeitung von und das Lernen aus sofortigem bzw. verzögertem Feedback mittels sich ergänzender Patientenstudien, elektrophysiologischer Messungen (EEG) und Hirnstimulation (single-pulse TMS) bei gesunden Kontrollprobanden untersucht werden. Bei den Patientenstudien ist neben einer präzisen Lokalisation und Quantifizierung der zerebellär-strukturellen Defizits zusätzlich eine umfängliche Analyse der funktionellen und strukturellen Konnektivität geplant. Das geplante Forschungsprogramm zeichnet sich damit durch die Verwendung eines umfassenden, multimodalen und konzeptionellen Ansatzes aus. In Teilstudie 1 werden Patienten mit progredienter zerebellärer Degeneration und gesunden Kontrollprobanden mit einer EEG-Adaptation einer probabilistischen Lernaufgabe getestet, die sofortiges und verzögertes Feedback umfasst. Ausmaß und Lokalisation der Kleinhirnschädigung werden mittels Läsions-Symptom-Mapping sowie der Analyse funktioneller und struktureller untersucht und mit den Leistungsmaßen und neuronalen Antwortmustern in Beziehung gesetzt. Da bei diesen Patienten i.d.R. eine eher diffuse zerebelläre Schädigung vorliegt, werden in Teilstudie 2 Patienten mit fokalen vaskulären Läsionen des Zerebellums und gesunde Kontrollprobanden mit derselben Aufgabe getestet. Aufgrund der Fokalität der Schädigung sind Rückschlüsse auf die Bedeutung spezifischer zerebellärer Subregionen und umschriebener Netzwerke besser möglich. Teilstudie 3 soll zeitliche Aspekte einer (kausalen) zerebellären Beteiligung an der Verarbeitung von und dem Lernen aus sofortigem bzw. verzögertem Feedback mittels eines „virtuellen Läsions-“ Ansatzes aufklären. Dazu wird single-pulse TMS des Zerebellums bzw. einer extra-zerebellären Kontrollregion (Vertex) zu verschiedenen Zeitpunkten während der Aufgabenbearbeitung bei gesunden Kontrollprobanden appliziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christian Bellebaum