Modulation thalamokortikaler Schleifen im Menschen um deren Beitrag zur visuellen Wahrnehmung zu verstehen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Jorge Jaramillo; Privatdozentin Dr. Elisabeth Kaufmann; Professor Dr. Tobias Staudigl; Professor Tino Zaehle, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften ; Biologische Psychologie und Kognitive Neurowissenschaften ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520139811

Der Beitrag des Thalamus zur menschlichen Kognition wurde lange Zeit unterschätzt. Die Gründe dafür sind zum einen eine traditionell auf den Kortex fokussierte Sichtweise, die höhere kognitive Funktionen ausschließlich durch neurale Schaltkreise auf kortikaler Ebene erklärt. Zum anderen ist die Aufzeichnung von neuronalen Daten aus subkortikalen Arealen durch ihre tiefe Lage im menschlichen Gehirn erschwert, vor allem dann, wenn sowohl räumliche als auch zeitliche Präzision gefordert ist. Neure Entwicklungen im Bereich der Tiefenhirnstimulation bei der Behandlung psychiatrischer und neurologischer Erkrankungen eröffnen nun die Möglichkeit, direkte elektrophysiologische Ableitungen aus dem menschlichen Subkortex und die Beeinflussung dieser Bereiche durch elektrische Stimulation durchzuführen, um mögliche kausale Zusammenhänge für deren Beteiligung an kognitiven Prozessen zu prüfen. Im vorliegenden Projekt nutzen wir diese einzigartige Möglichkeit, indem wir thalamokortikale Schleifen bei Patienten untersuchen, die zur Behandlung ihrer Epilepsie einen Tiefenhirnstimulator implantiert bekamen. Dies ermöglicht es uns, intrakranielles EEG direkt aus dem mediodorsalen Thalamuskern aufzuzeichnen und diesen elektrisch zu stimulieren, um zu prüfen, ob die menschliche visuelle Wahrnehmung von thalamokortikalen Schleifen abhängt. Neben dieser externen Modulation von thalamokortikalen Netzwerken durch elektrische Stimulation untersuchen wir in einer weiteren Studie, ob thalamokortikale Netzwerke auch durch interne Einflüsse moduliert werden, z.B. durch Augenbewegungen. Wiederum soll untersucht werden, welche Auswirkung eine solche interne Modulation thalamokortikaler Netzwerke auf die visuelle Wahrnehmung des Menschen hat. Komputationale Modelle werden einen umfassenden Rahmen bieten, um die Auswirkungen externer und interner Modulation des thalamokortikalen Netzwerks zu vergleichen. Zunächst werden wir die dynamische Aktivität der miteinander verbundenen thalamischen und kortikalen Neuronen modellieren, um ihre Beiträge zur Wahrnehmungsverarbeitung zu verstehen. Als Nächstes werden wir ein Protokoll zur Tiefenhirnstimulation entwickeln, um die Auswirkung einer Störung des thalamokortikalen Netzwerks durch Stimulation des mediodorsalen Thalamus zu modellieren und die kausale Rolle des mediodorsalen Thalamus für die visuelle Wahrnehmung zu bewerten. Schließlich werden wir das thalamokortikale Schaltkreismodell durch die Einbeziehung von Verhaltensrückmeldungen aus dem Augenbewegungssystem erweitern, um potenzielle Beiträge von Augenbewegungen zur Aufmerksamkeit und visuellen Erkennung zu modellieren. Komputationale Modelle sind somit der Schlüssel zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse auf der Ebene der neuronalen Schaltkreise und zur Formulierung von Vorhersagen, die im Rahmen des aktuellen Versuchsplans getestet werden können, sowie von translationalen Vorhersagen, die in Tiermodellen getestet werden können.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2411: LOOPS: Kortiko-subkortikale Interaktionen für Adaptive Wahrnehmung
• Internationaler Bezug: USA