Aufdecken gemeinsamer Mechanismen von Zeitwahrnehmung und Arbeitsgedächtnis durch neuronale Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Hass
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 578686159

Zeitwahrnehmung und Arbeitsgedächtnis gehören zu den grundlegendsten kognitiven Fähigkeiten vieler Tiere und des Menschen. Sie ermöglichen es uns, Gedanken und Sinneseindrücke über einen Zeitraum hinweg zu speichern sowie die Zeit selbst zu erfassen und in ihr zu agieren. Studien aus Neurowissenschaften, Medizin und Psychologie weisen gemeinsam auf eine starke Interaktion zwischen Zeitwahrnehmung und Arbeitsgedächtnis hin. Allerdings gibt es trotz der breiten empirischen Basis bislang keinen Versuch, die neuronalen Mechanismen dieser Interaktion durch biophysikalische Modellierung zu verstehen, obwohl darin eine große Chance besteht, die Daten der verschiedenen Disziplinen zu vereinen. Insbesondere bestehen bemerkenswerte Parallelen zwischen den derzeit meistdiskutierten Modellen beiden Funktionen. Während der ersten Förderperiode haben wir dazu beigetragen, die stark diskutierten neuronalen Mechanismen der Zeitwahrnehmung und des Arbeitsgedächtnisses besser zu verstehen. Wir haben vier Modelle der Zeitwahrnehmung in einem detaillierten Netzwerkmodell des präfrontalen Cortex (PFC) implementiert und überprüft, ob sie eine Reihe von prominenten experimentellen Befunden reproduzieren können. Sowohl das state-dependent network model und das ramping activity model haben sich als kompatibel mit allen getesteten Befunden erwiesen. Das striatal-beat model hingegen erwies sich als zu empfindlich gegenüber Rauschen und der Test des Synfireketten-Modells überstieg die verfügbaren Rechenkapazitäten. Daneben haben wir überprüft, ob das bedeutendste neuronale Modell des Arbeitsgedächtnisses, persistente Aktivität in sog. cell assemblies, innerhalb des PFC-Netzwerks funktioniert. Dies war nur dann der Fall, wenn die natürliche Heterogenität der inhibitorischen Rückkopplung in den assemblies weitgehend unterdrückt wurde. In der zweiten Förderperiode werden wir nun ein neuronales Netzwerkmodell konstruieren, das sowohl Zeitwahrnehmungs- als auch Arbeitsgedächtnisaufgaben bewältigen kann und damit eine Wissenslücke hinsichtlich des Zusammenwirkens beider Funktionen schließt. Wir gehen davon aus, dass beide Funktionen um begrenzte neuronale Ressourcen konkurrieren: Zeitwahrnehmung benötigt eine breite Streuung neuronaler und synaptischer Parameter, um verschiedene Intervalldauern zu enkodieren. Arbeitsgedächtnis ist dagegen auf weitgehend homogene cell assemblies angewiesen. Dieser Konflikt könnte die Ursache für den häufig berichteten Leistungsabfall in beiden Aufgaben sein, wenn sie gleichzeitig ausgeführt werden, sowie den kürzlich gefundenen Effekt manipulierter subjektiver Zeitdauer auf die Arbeitsgedächtnisleistung erklären. Die Vorhersagen des Modells hinsichtlich des letztgenannten Paradigmas werden in einem Humanexperiment mit elektroenzephalografischen (EEG) Messungen überprüft. Zusammenfassend bietet das Projekt das Potential, erstmalig ein kohärentes neuronales Modell für die Interaktion dieser beiden essenziellen kognitiven Funktionen zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen