Zur Untersuchung der funktionellen Rolle von langen Schlafspindeln bei der Gedächtniskonsolidierung durch nicht-invasive Hirnstimulation

• Antragstellerin: Professorin Dr. Lisa Marshall
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503329888

Die neuronale Aktivität, die den spontan erzeugten Hirnrhythmen während des Schlafs zugrunde liegen, sind für viele Formen der Gedächtniskonsolidierung entscheidend. Thalamokortikale Schlafspindeln, d. h. zu- und abnehmende Oszillationen mit einer Frequenz von etwa 12 Hz und einer Dauer von 0,5 bis 3 s, stellen einen zentralen endogenen Rhythmus dar. Insbesondere die feine zeitliche Kopplung zwischen den Schlafspindeln und der kortikalen langsamen Oszillation (SO, ~ 1 Hz) sowie den viel schnelleren (~ 150 Hz) hippocampalen Ripples spiegelt vermutlich die neuronale Reaktivierung bzw. Gedächtniskonsolidierung wider. Der Beitrag der Spindeln zu dieser multiregionalen Kommunikation bleibt wenig verstanden. Mehrere Studien haben gezeigt, wie wichtig die Dauer von Spindeln und Rippeln für die Gedächtnisprozesse ist. Auch, nimmt die Spindeldauer mit dem Alter und bei verschiedenen neuropsychiatrischen Störungen ab. Die Anwendung nicht-invasiver Hirnstimulationsmethoden wie elektrische oder auditive Stimulation kann die Schlafrhythmen verstärken und das Gedächtnis verbessern, was ein Instrument zur Untersuchung der kausalen Rolle von Schlafrhythmen für die Gedächtniskonsolidierung darstellt. Darüber hinaus haben andere und wir vorgeschlagen, dass trait-ähnliche Merkmale, insbesondere kognitive Fähigkeitsmetriken und Basis-Schlafparameter, relevante Marker für die Suszeptibilität eines Individuums für Hirnstimulationen sein könnten. Solche interindividuellen Unterschiede könnten die Variabilität der Stimulationswirksamkeit und somit Reproduzierbarkeit einiger Studien erklären. In diesem Projekt soll zunächst, die Dauer von Schlafspindeln direkt beeinflusst werden, um ihre kausale Rolle auf interregionale zeitliche Interaktionen und Gedächtnisleistungen sowohl experimentell im EEG als auch durch Computersimulation zu untersuchen. Wir schlagen ein neuartiges Closed-Loop-Design für amplitudenmodulierte auditorische Stimulation vor, bei dem die Amplituden mit der individuellen Spindelfrequenz der Probanden oszillieren. Ergänzend zu den Experimenten werden wir unser hippocampales, thalamo-kortikales neuronales Massenmodell, das spontan SOs, Spindeln und Ripples erzeugen kann, weiterentwickeln. Die computergestützte Modellierung erlaubt Untersuchungen zu Rhythmen, die beim Menschen nicht nicht-invasiv gemessen werden können. Experimentelle und Modellierungs-Maße werden verwendet, um den Einfluss trait-ähnliche Merkmale auf die Stimulationseffizienz zu ermitteln. Exemplarische für Untersuchungen im Computermodell sind die Auswirkungen der simulierten SO- und Spindeleigenschaften zum Zeitpunkt der Stimulation. Unser langfristiges Ziel ist es, auf der Grundlage unserer experimentellen und rechnerischen Modellierungsergebnisse individualisierte Stimulationsmethoden für künftige Anwendungen zu entwickeln, z. B. in der Präzisionsmedizin und für die Behandlung von Patienten mit Gedächtnisproblemen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Iran
• Partnerorganisation: Iran National Science Foundation (INSF)
• Kooperationspartnerin: Professorin Maryam Ghorbani