SPP1665 - Priority Programme: Resolving and Manipulating Neuronal Networks in the Mammalian Brain - from Correlative to Causal Analysis

Interareal phase coherence as a mechanism for attention-dependent neuronal signal routing: A model-guided causal analysis using new, multi-contact floating silicon probes for intracortical chronic stimulation and recording in primates

Prof. Dr. Andreas Kreiter
Dr. Udo Ernst
Prof. Dr. Walter Lang

Das Gehirn besteht aus großen neuronalen Netzwerken, die dicht miteinander verschaltet sind. Je nach Kontext, Aufgabe und selektiver Aufmerksamkeit werden Teilnetzwerke so selektiert, dass bestimmte Berechnungen durchgeführt werden, die letztlich zu einer entsprechenden Verhaltensleistung führen. Auf diese Weise werden sensorische Signale selektiv durch das Gehirn geschleust. Letzteres ist im visuellen System bei der selektiven Aufmerksamkeit besonders deutlich. In höheren Arealen des visuellen Kortex wie V4 wurde gezeigt, dass die Antworten von Neuronen mit mehreren Reizen in ihren rezeptiven Feldern ähnlich sind, als ob nur der beachtete Reiz vorhanden wäre. Nicht zuletzt haben wir in einem kürzlich durchgeführten Experiment verhaltensneutrale zufällige Modulationen des Reizkontrastes als direkte Methode eingesetzt, um die Eigenschaften der Signalweiterleitung durch Aufmerksamkeit in visuellen Arealen zu untersuchen. Insbesondere fanden wir heraus, dass die Aufmerksamkeit den Beitrag der nicht-beobachteten Reize zu den Antworten in V4 unterdrückt, während sie einen spezifischen, frequenzbegrenzten Kanal für den beobachteten Ort öffnet.

InAuKa NadelDiese Befunde stellen zusammen eine Herausforderung für unser Verständnis der Gating-Mechanismen im Gehirn dar. Während die oben genannten experimentellen Ergebnisse mit der Hypothese übereinstimmen, dass kohärente Oszillationen der selektiven Weiterleitung von Informationen durch den Kortex zugrunde liegen könnten, gibt es noch kein Modell, das alle relevanten experimentellen Ergebnisse erfasst und integriert. Insbesondere ist noch nicht geklärt, ob die Synchronisation tatsächlich kausal am Gating-Mechanismus beteiligt ist oder eher ein Epiphänomen, das eine erhöhte Kopplung widerspiegelt.

In diesem Projekt schließen wir uns als Neurobiologen, Theoretiker und Ingenieure zusammen, um diese Fragen anzugehen. Um den experimentellen Zugang und die Kontrolle über die zu untersuchenden Netzwerke zu verbessern, werden wir parallel dazu ein vollständig implantierbares, praktisch kräftefrei schwimmendes Multikontakt-Elektrodennadel-Array für die chronische intrakortikale Aufzeichnung und Stimulation im Primatenkortex entwickeln, testen und einsetzen. Dies wird hochauflösende elektrische und visuelle Stimulation als kausale Instrumente ermöglichen, um Mechanismen direkt zu manipulieren, die mutmaßlich der aufmerksamkeitsabhängigen selektiven Verarbeitung von verhaltensrelevanten Eingangssignalen sowie der effektiven Unterdrückung von verhaltensirrelevanten Signalen zugrunde liegen. Es werden neue Werkzeuge und Methoden etabliert, um verschiedene Aspekte der Dynamik der kortikalen Netzwerke während der aufmerksamkeitsabhängigen Verarbeitung von visuellen Reizen durch elektrische Stimulation direkt zu beeinflussen. Gleichzeitig können die geschalteten Signalkanäle durch aufgabenirrelevante Kontrastmodulationen kontinuierlich charakterisiert werden. Dies wird uns erlauben, die Hypothese kritisch zu prüfen, dass die Gamma-Band-Synchronisation als Gating-Mechanismus für die aufmerksamkeitsabhängige Informationsweiterleitung dient. Darüber hinaus werden die Ergebnisse dazu dienen, die grundlegenden dynamischen Eigenschaften des Netzwerks zu charakterisieren und realistische Modelle für die vorgeschlagenen Routing-Mechanismen zu erstellen.

SPP1665DFG

 

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