Wiederherstellung der durch Schlafentzug gestörten neuralen Ressourcen

C04

Cognitive Control is the ability to manage limited neural resources according to the demands of current cognitive processing. Our project investigates the effects of transiently reduced neural resources by sleep deprivation on the human cognitive control network.

Principal Investigator

SFB 1436 Mitglied Markus Ullsperger

Prof. Dr. med. Markus Ullsperger

Prof. Dr. med. Markus Ullsperger

Markus Ullsperger ist seit 2012 Lehrstuhlinhaber und Professor für Neuropsychologie am Institut für Psychologie der Otto von Guericke Universität Magdeburg sowie Principal Investigator (PI) am Center for Behavioral Brain Sciences (CBBS) Magdeburg. Er beschäftigt sich seit etwa 20 Jahren mit den strukturellen, funktionellen und neurochemischen Aspekten der kognitiven Kontrolle und Handlungsüberwachung. Dabei setzt er auf eine Integration multimodaler Methoden, insbesondere EEG und fMRT kombiniert mit computationaler Modellierung und pharmakologischer Intervention, bei gesunden Versuchspersonen und Populationen mit neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen.

Co-Workers

SFB 1436 Mitglied Theresa Schaaf

Theresa Schaaf

SFB 1436 Mitglied Jana Tegelbeckers

Dr. Jana Tegelbeckers

Dr. Jana Tegelbeckers

Jana ist Postdoc in der Abteilung für Neuropsychologie an der Otto von Guericke Universität Magdeburg und arbeitet mit Prof. Markus Ullsperger an den Auswirkungen von Schlafentzug auf die Verfügbarkeit und Mobilisierung neuronaler Ressourcen. Sie ist daran interessiert bildgebende Methoden und nicht-invasive Hirnstimulation (tDCS, TMS) einzusetzen, um Abweichungen in der Informationsverarbeitung, kognitiven Kontrolle und Entscheidungsfindung in klinischen Populationen (z.B. ADHS, Suchterkrankungen) zu verstehen und zu verändern.

Cognitive control

Goal-directed behavior requires the ability to adapt to unfavorable outcomes, unexpected changes in the environment, and to transfer knowledge to novel or uncertain situations. The recruitment of the limited neural resources to achieve these adaptations is called cognitive control. It encompasses the ongoing monitoring of progress, available resources and demands (Ullsperger et al., 2014a,b).

These processes rely on a wide-spread cognitive control network consisting of prefrontal and parietal cortices, the basal ganglia and modulatory input from the diencephalon, mesencephalon as well as the pons. In this network, the posterior medial frontal cortex (pMFC) has been identified as a key brain region for cognitive control and performance monitoring (Ridderinkhof et al., 2004).

The role of sleep

Sleep deprivation impairs cognitive control abilities leading to lapses of attention, increased distractibility and an overall reduced productivity. Presumably these impairments are caused by a reduction and alteration in the quality of neural resources and changes in functional connectivity (Krause et al. 2017). On the other hand, cognitive control is of particular importance in this transient state of reduced resource availability. Potential cognitive control measures to (re-)mobilize the available resources involve the regulation of arousal and (re-)focusing of selective attention. These interactions between resource availability and remobilisation are the research focus here.

Aim of the project

Aging as well as many psychiatric disorders are characterized by a decline in cognitive functions due to a lack of neural resources but these effects are difficult to isolate. Therefore, we’ll use sleep deprivation in healthy young adults to induce a transient functional loss of resources. This model will be used to better understand how the cognitive control network deals with resource availability and to potentially identify approaches to improving cognitive performance when resources are reduced.

Procedure

For these studies we’ll investigate human participants with functional magnetic resonance imaging (fMRI). We’ll compare the neural and behavioral effects of a full night of sleep deprivation on a demanding cognitive task to a baseline after a normal night’s sleep. Simultaneously to neuroimaging, we’ll measure electrical brain activity via EEG and pupil dilation via eye tracking. The data from these different sources will then be integrated to gain an understanding of the interactions between cognitive control, attention and the availability of neural resources.

Mobilization of neural resources

Arousal and vigilance significantly influence cognitive control mechanisms suggesting a role of the lateral hypothalamus and ascending reticular activation system in regulating neural resources. Particularly the neuropeptide Orexin (OX) seems to play an important role in the regulation of homeostatic functions: it tracks the state of arousal, ensuring it’s stability or adjustments if needed (Schöne and Burdakov, 2017). Furthermore, Orexin directly projects to the lateral prefrontal cortex (Lambe et al., 2005; Aracri et al., 2015) and studies in monkeys showed that attention benefits from intranasal application of OX (Weinhold et al., 2015). We thus plan to investigate the possibility of a pharmacological modulation of OX in humans in a double-blind, placebo-controlled crossover study.

EEG Messung am Gehirn von Proanden

Publications

Fortsetzung der Reihe Open Lab Day

Auch in diesem Jahr setzen wir die Reihe der Offenen Labortür fort und freuen uns alle Interessierten einzuladen. Am 13. Februar 2024 öffnet unser Teilprojekt B04 „Einfluss hippokampaler Gefäßversorgungsmuster auf die neuronalen Ressourcen der neurokognitiven Verbindungen innerhalb des medialen Temporallappens“…

Neue Professur für Circuit Neuroscience gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Neurobiologie

Innovative Hirnforschung und interdisziplinäre Zusammenarbeit der Universitätsmedizin Magdeburg und dem Leibniz-Institut für Neurobiologie stärken Prof. Dr. Janelle Pakan erforscht die sensorischen und motorischen Systeme im Gehirn und untersucht was passiert, wenn diese nicht richtig funktionieren, insbesondere im Zusammenhang mit neurodegenerativen…

Mitmachen für eine bessere geistige Gesundheit im Alter

Neurowissenschaftler:innen der Universitätsmedizin Magdeburg suchen Proband:innen ab 60 Jahren für eine Studie zur Förderung geistiger Gesundheit im Alter. Das Institut für Kognitive Neurologie und Demenzforschung (IKND) der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg forscht gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) zu gesundem Altern. In einer Studie…