Beteiligung des menschlichen Kleinhirns am Verstärkungslernen (engl. Reinforcement learning) über seine Verbindung mit dem ventralen tegmentalen Areal (VTA)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Ulrike Bingel; Professor Dr. Matthias Brand; Professorin Dr. Dagmar Timmann-Braun
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531188394

Es ist gut belegt, dass das Kleinhirn zu kognitiven, verhaltensbezogenen, emotionalen und sozialen Funktionen beiträgt. Eine Dysfunktion des Kleinhirns spielt wahrscheinlich auch bei einer Vielzahl psychischer Störungen wie Sucht und chronischen Schmerzen eine Rolle. Was das Kleinhirn zu diesem breiten Spektrum von Funktionen und Krankheiten genau beiträgt, ist nur inkomplett verstanden. Erste tierexperimentelle Studien deuten darauf hin, dass das Kleinhirn nicht nur sensomotorische Signale, sondern auch Belohnungssignale verarbeitet und damit zum Verstärkungslernen beiträgt, einer Form des Lernens, die typischerweise mit dem mesostriatalen und mesocorticolimbischen dopaminergen System in Verbindung gebracht wird. Diese Beobachtungen könnten ein Schlüssel zum Verständnis des Beitrags des Kleinhirns zu nicht-motorischen Funktionen sein. Eine zentrale Struktur, die am nicht-motorischen Belohnungsverhalten beteiligt ist, ist das ventrale tegmentale Areal (VTA). Kürzlich wurde bei Nagetieren eine direkte monosynaptische Verbindung zwischen den Kleinhirnkernen und dem VTA nachgewiesen. Das VTA spielt eine zentrale Rolle bei Sucht, ist aber auch am Vermeidungsverhalten bei chronischen Schmerzen beteiligt. Ziel unseres Projekts ist zu zeigen, dass das Kleinhirn über seine Verbindung zum VTA zum Verstärkungslernen beim Menschen beiträgt. Wir werden eine appetitive und eine aversive „Pavlovian-to-Instrumental-Transfer“ (Pawlowsch-instrumenteller Transfer, kurz: PIT) -Aufgabe verwenden. Die PIT-Aufgabe ermöglicht es uns, den Beitrag des Kleinhirns zum Verstärkungslernen in einer sehr umfassenden Weise zu untersuchen, einschließlich (i) appetitiver und aversiver klassischer Konditionierung, (ii) appetitiver und aversiver instrumenteller Konditionierung sowie (iii) der Übertragung appetitiver und aversiver Pawlowscher-CS-Assoziationen auf instrumentelles Annäherungs- und Vermeidungsverhalten (PIT-Effekte). PIT-Effekte haben eine hohe ökologische Validität. Beispielsweise zeigen Suchterkrankte verstärkte appetitive PIT-Effekte, während appetitive PIT-Effekte bei Patienten mit chronischen Rückenschmerzen reduziert sind. Die Anwendung von hochauflösender funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) an einem 7T MRT-Scanner wird es uns ermöglichen, Studien auf der Ebene der Kleinhirnrinde, der Kleinhirnkerne und dem VTA einschließlich ihrer funktionellen Wechselwirkungen durchzuführen. Bei erfolgreicher Durchführung an gesunden Teilnehmern werden wir eine erste Verhaltensstudie bei Patienten mit nicht-substanzbezogenem Suchtverhalten (d.h. Verhaltenssüchten) und chronischen Rückenschmerzen durchführen, die in einer möglichen zweiten Antragsperiode auf eine 7T-fMRI-Studie bei den Patienten ausgeweitet werden soll. Unsere Studie wird erste Antworten darauf geben, wie genau das Kleinhirn nicht-motorische Funktionen unterstützt, und wie eine Kleinhirndysfunktion zu häufigen psychischen Störungen beitragen könnte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Sen Cheng; Tamas Spisak, Ph.D.