B06
Das Studium der Vergangenheit ist oft der beste Weg, um die Zukunft vorherzusagen. Wir haben ein speziesübergreifendes Paradigma entwickelt, das mit fortschrittlichen Bildgebungstechniken bei Menschen und Mäusen kombiniert wurde, um wichtige neuronale Ressourcen zu identifizieren, die zeitliche Erwartungen unterstützen und es ermöglichen, Muster aus der sensorischen Umgebung zu extrahieren, um das fortlaufende Verhalten zu optimieren. In der zweiten Förderperiode werden wir untersuchen, wie verschiedene Aspekte der zeitlichen Aufmerksamkeit motorische Reaktionen und Gedächtnisabrufe im Alter erleichtern (WP1), wie die Manipulation zeitbezogener zellulärer Engramme adaptives Verhalten verändern kann (WP2) und wie die Dynamik des Lernens während der zeitlichen Verarbeitung als kognitiver Reservemechanismus während des Alterns wirken kann (WP3). Die Ergebnisse werden wichtige Erkenntnisse für spezifische Trainings- und Stimulationsstrategien im Zusammenhang mit einer effektiven Nutzung der zeitlichen Aufmerksamkeit liefern.
Gruppenleitung
Prof. Dr. Eike Budinger
Prof. Dr. Toemme Noesselt
Prof. Dr. Janelle Pakan
Gruppenmitglieder
Julia Flicke-Grubert
Dr. Julia Henschke
Linda Sempf
Dr. Peter Vavra
Tim Adrian Wendlandt
Patricia Wenk
Was sind zeitliche Erwartungen?
Informationen aus der Vergangenheit über das Timing von Ereignissen sind entscheidend für die Verbesserung des Ergebnisses aus einer aktuellen Situation. Stellen Sie sich einen Sprinter vor, der sich auf das Startsignal „Auf die Plätze, Fertig, Los“ vorbereitet – effiziente zeitliche Erwartungen können zum Sieg führen und Fehler in der Erwartung zur Disqualifikation. Die Bildung von sensorisch gesteuerten zeitlichen Erwartungen erfordert Lernmechanismen im Gehirn, die das Timing des eingehenden sensorischen Inputs sowie die zugrunde liegenden neuronalen Ressourcen zur Bildung von Erwartungen über zukünftige Ereignisse festlegen. Diese dynamische Verarbeitung erfordert eine Koordination zwischen primären sensorischen Systemen, assoziativen sensorischen Bereichen (wie dem posterioren parietalen Kortex) und exekutiven Zentren im präfrontalen Kortex. Es bleiben jedoch noch viele Fragen offen, was die zugrundeliegenden neuronalen Ressourcen betrifft, die die Bildung von zeitlichen Erwartungen im Gehirn unterstützen, und wie die Informationsverarbeitung von mehreren sensorischen Systemen diese Dynamik verändern kann.
Multisensorische Repräsentationen der Umwelt
Ereignisse in der realen Welt stimulieren oft mehrere Sinne – unter normalen Bedingungen sehen wir zum Beispiel selten etwas ohne auch etwas zu hören. Da wir in unserer natürlichen Umgebung ständig mit zufälligen und verrauschten Sinnesreizen konfrontiert werden, durch die wir verhaltensrelevante Informationen isolieren müssen, kann die Nutzung von Informationen aus mehreren Sinnen unsere Wahrnehmung verbessern und es uns ermöglichen, effizientere zeitliche Erwartungen zu bilden, um die Ergebnisse unseres Verhaltens zu verbessern. Das Wissen über zeitliche Regelmäßigkeiten lässt sich jedoch nicht immer leicht über die verschiedenen Sinne hinweg übertragen und die Art und Weise, wie wir multisensorische Informationen nutzen, kann sich über die Lebensspanne hinweg unterscheiden, wobei ältere Menschen oft stärker von multisensorischen Stimulusrepräsentationen profitieren. Daher verwenden wir in diesem Projekt Kombinationen aus einem oder mehreren Sinnesreizen, um die Mobilisierung neuronaler Ressourcen während der zeitlichen Verarbeitung zu untersuchen.
Neuronale Schaltkreise: von Mäusen zu Menschen
Es ist bekannt, dass der posteriore parietale Kortex eine Rolle bei der Integration von multisensorischen Signalen und der zeitlichen Aufmerksamkeit spielt. Er ist ideal positioniert, um Informationen sowohl aus den primären sensorischen Kortizes als auch aus den Zentren der exekutiven Kontrolle im präfrontalen Kortex zu integrieren. Von Menschen bis zu Nagetieren liefern gegenseitige Verbindungen zwischen primären sensorischen Kortizes spezifische sensorische Inputs für den posterioren parietalen Kortex, verarbeiten aber auch aufgabenabhängige Informationen. Verbindungen mit dem präfrontalen Kortex spielen möglicherweise eine wichtige Rolle bei der assoziativen Gedächtnisbildung und der Verarbeitung von Feedback. Jüngste Arbeiten über die Wirkung der Erwartung, die auf zeitlich vorhersehbaren Sequenzen beruht, haben gezeigt, dass Menschen und Tiere in der Lage sind, Regelmäßigkeiten festzustellen. Während wir mit Hilfe von bildgebenden Techniken aufgabenspezifische Veränderungen der fMRT-Signale beim Menschen untersuchen können, bieten Mäuse den zusätzlichen Vorteil, dass wir die Aktivität innerhalb neuronaler Schaltkreise bis auf die Ebene einzelner Zellen direkt beobachten und manipulieren können. Daher zielt unser Projekt auf der Mikro- und Mesoebene auf lokale neurologische Schaltkreise im posterioren parietalen Kortex von Mäusen sowie auf der Makroebene auf intrakortikale Schaltkreise ab, die auch den präfrontalen Kortex und sensorische Bereiche bei Menschen und Tieren einbeziehen.
Ziele des Projekts
Das Hauptziel dieses Projekts ist es, die Mobilisierung neuronaler Ressourcen zu verstehen, die das Nutzen der zeitlichen Struktur multisensorischer Informationen während des Lernens, und im zunehmendem Alter, steuern. Insbesondere konzentrieren wir uns auf die frontoparietalen und primär sensorisch-parietalen Schaltkreise als dynamische neuronale Ressourcen und untersuchen, wie Vorhersagen über das sequenzielle Timing eingehender sensorischer Reize für eine verbesserte Effizienz und Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung genutzt werden kann, was letztendlich zu einem zielgerichteten und erfolgreichen Verhalten führt. Zu diesem Zweck werden wir Variationen eines audiovisuellen Paradigmas mit bekannter/unbekannter zeitlicher Erwartung über Zielereignisse verwenden. Die Auswertung der interindividuellen Variabilität wird genutzt um die Unterschiede in neuronalen Schaltkreisen bei verschiedenen Lernstrategien und die zugrunde liegende Gedächtnisleistung bei jungen und älteren Menschen zu bewerten.
Langfristige Perspektive und Auswirkungen
Letztendlich wollen wir die zugrundeliegenden neuronalen Ressourcen verstehen, die es uns ermöglichen, uns kontinuierlich an eingehende sensorische Informationen anzupassen. In Zukunft werden wir die analysierten Daten für die Weiterentwicklung von MRT-Techniken sowohl in Experimenten an Menschen als auch an Tieren nutzen. Wir werden die lokale Dynamik in den verschiedenen kortikalen Schichten in Bezug auf die Mobilisierung neuronaler Ressourcen während multisensorischer Lernparadigmen im posterioren parietalen Kortex und anderen aufgabenbezogenen Hirnregionen weiter untersuchen. Letztlich werden diese Erkenntnisse weitere Experimente vorantreiben, um aufgabenabhängige neuronale Schaltkreise während des Verhaltens gezielt zu manipulieren und neurobiologisch plausible Berechnungsmodelle zu entwickeln.
Publikationen des Projektes B06
Cornelius Eichner, Michael Paquette, Christa Müller-Axt, Christian Bock, Eike Budinger, Tobias Gräßle, Carsten Jäger, Evgeniya Kirilina, Ilona Lipp, EBC Consortium, Markus Morawski, Henriette Rusch, Patricia Wenk, Nikolaus Weiskopf, Roman M. Wittig, Catherine Crockford, Angela D. Friederici & Alfred Anwander
T. Adrian Wendlandt, Patricia Wenk, Julia U. Henschke, Annika Michalek, Toemme Noesselt, Janelle M.P. Pakan, Eike Budinger
Peng Liu, Juliane Doehler, Julia U. Henschke, Alicia Northall, Angela Serian, Dietrich S. Schwarzkopf, Oliver Speck, Janelle M.P. Pakan, Esther Kuehn
Li R, Huang J, Li L, Zhao Z, Liang S, Liang S, Wang M, Liao X, Lyu J, Zhou Z, Wang S, Jin W, Chen H, Holder D, Liu H, Zhang J, Li M, Tang Y, Remy S, Pakan JMP, Chen X, Jia H.
Joanes Grandjean, Gabriel Desrosiers-Gregoire, Cynthia Anckaerts, Diego Angeles-Valdez, Fadi Ayad, David A Barrière, Ines Blockx, Aleksandra Bortel, Margaret Broadwater, Beatriz M Cardoso, Marina Célestine, Jorge E Chavez-Negrete, Sangcheon Choi, Emma Christiaen, Perrin Clavijo, Luis Colon-Perez, Samuel Cramer, Tolomeo Daniele, Elaine Dempsey, Yujian Diao, Arno Doelemeyer, David Dopfel, Lenka Dvořáková, Claudia Falfán-Melgoza, Francisca F Fernandes, Caitlin F Fowler, Antonio Fuentes-Ibañez, Clément M Garin, Eveline Gelderman, Carla E M Golden, Chao C G Guo, Marloes J A G Henckens, Lauren A Hennessy, Peter Herman, Nita Hofwijks, Corey Horien, Tudor M Ionescu, Jolyon Jones, Johannes Kaesser, Eugene Kim, Henriette Lambers, Alberto Lazari, Sung-Ho Lee, Amanda Lillywhite, Yikang Liu, Yanyan Y Liu, Alejandra López-Castro, Xavier López-Gil, Zilu Ma, Eilidh MacNicol, Dan Madularu, Francesca Mandino, Sabina Marciano, Matthew J McAuslan, Patrick McCunn, Alison McIntosh, Xianzong Meng, Lisa Meyer-Baese, Stephan Missault, Federico Moro, Daphne M P Naessens, Laura J Nava-Gomez, Hiroi Nonaka, Juan J Ortiz, Jaakko Paasonen, Lore M Peeters, Mickaël Pereira, Pablo D Perez, Marjory Pompilus, Malcolm Prior, Rustam Rakhmatullin, Henning M Reimann, Jonathan Reinwald, Rodrigo Triana Del Rio, Alejandro Rivera-Olvera, Daniel Ruiz-Pérez, Gabriele Russo, Tobias J Rutten, Rie Ryoke, Markus Sack, Piergiorgio Salvan, Basavaraju G Sanganahalli, Aileen Schroeter, Bhedita J Seewoo, Erwan Selingue, Aline Seuwen, Bowen Shi, Nikoloz Sirmpilatze, Joanna A B Smith, Corrie Smith, Filip Sobczak, Petteri J Stenroos, Milou Straathof, Sandra Strobelt, Akira Sumiyoshi, Kengo Takahashi, Maria E Torres-García, Raul Tudela, Monica van den Berg, Kajo van der Marel, Aran T B van Hout, Roberta Vertullo, Benjamin Vidal, Roël M Vrooman, Victora X Wang, Isabel Wank, David J G Watson, Ting Yin, Yongzhi Zhang, Stefan Zurbruegg, Sophie Achard, Sarael Alcauter, Dorothee P Auer, Emmanuel L Barbier, Jürgen Baudewig, Christian F Beckmann, Nicolau Beckmann, Guillaume J P C Becq, Erwin L A Blezer, Radu Bolbos, Susann Boretius, Sandrine Bouvard, Eike Budinger, Joseph D Buxbaum, Diana Cash, Victoria Chapman, Kai-Hsiang Chuang, Luisa Ciobanu, Bram F Coolen, Jeffrey W Dalley, Marc Dhenain, Rick M Dijkhuizen, Oscar Esteban, Cornelius Faber, Marcelo Febo, Kirk W Feindel, Gianluigi Forloni, Jérémie Fouquet, Eduardo A Garza-Villarreal, Natalia Gass, Jeffrey C Glennon, Alessandro Gozzi, Olli Gröhn, Andrew Harkin, Arend Heerschap, Xavier Helluy, Kristina Herfert, Arnd Heuser, Judith R Homberg, Danielle J Houwing, Fahmeed Hyder, Giovanna Diletta Ielacqua, Ileana O Jelescu, Heidi Johansen-Berg, Gen Kaneko, Ryuta Kawashima, Shella D Keilholz, Georgios A Keliris, Clare Kelly, Christian Kerskens, Jibran Y Khokhar, Peter C Kind, Jean-Baptiste Langlois, Jason P Lerch, Monica A López-Hidalgo, Denise Manahan-Vaughan, Fabien Marchand, Rogier B Mars, Gerardo Marsella, Edoardo Micotti, Emma Muñoz-Moreno, Jamie Near, Thoralf Niendorf, Willem M Otte, Patricia Pais-Roldán, Wen-Ju Pan, Roberto A Prado-Alcalá, Gina L Quirarte, Jennifer Rodger, Tim Rosenow, Cassandra Sampaio-Baptista, Alexander Sartorius, Stephen J Sawiak, Tom W J Scheenen, Noam Shemesh, Yen-Yu Ian Shih, Amir Shmuel, Guadalupe Soria, Ron Stoop, Garth J Thompson, Sally M Till, Nick Todd, Annemie Van Der Linden, Annette van der Toorn, Geralda A F van Tilborg, Christian Vanhove, Andor Veltien, Marleen Verhoye, Lydia Wachsmuth, Wolfgang Weber-Fahr, Patricia Wenk, Xin Yu, Valerio Zerbi, Nanyin Zhang, Baogui B Zhang, Luc Zimmer, Gabriel A Devenyi, M Mallar Chakravarty, Andreas Hess
Peter Vavra, Leo Sokolovič, Emanuele Porcu, Pablo Ripollés, Antoni Rodriguez-Fornells, Toemme Noesselt
Camila Silveira Agostino, Christian Merkel, Felix Ball, Peter Vavra, Hermann Hinrichs, Toemme Noesselt
Dercksen, T., Widmann, A., Noesselt, T. & Wetzel, N.
Henschke JU, Price AT & Pakan JMP
Felix Ball, Rosa-Marie Groth, Camila S Agostino, Emanuele Porcu, Toemme Noesselt
Felix Ball, Lara E. Michels, Carsten Thiele, Toemme Noesselt