Die Rolle dynamischer funktioneller Konnektivität für semantische und emotionale Aspekte natürlicher Gedankenvorgänge

• Antragsteller: Professor Dr. Nicolas Schuck
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455226630

Kognition und Verhalten fußen auf der Interaktion komplexer neuronaler Netzwerke. Solche Gehirn-Netzwerke werden im Menschen oftmals mittels sogenannter “functional connectivity” oder “functional coupling” (FC) Maße untersucht, welche aus den Korrelationen zwischen fMRT Signalen aus unterschiedlichen Hirnregionen berechnet werden. Die bisherige Forschung hat gezeigt, dass sich das Muster funktionaler Konnektivität dynamisch ändert; selbst dann, wenn Probanden keine explizite externe Aufgabe durchführen. Bisher ist allerdings wenig darüber bekannt welche Rolle diese Veränderungen für Denken und Verhalten spielen. Im Besonderen ist unklar, welche Rolle Veränderungen in der FC für das sog. mind-wandering und spontane Denkprozesse spielen, welche oftmals während des Ausruhens auftreten . Aktuelle Studien legen nahe, dass die Dynamik der functional connectivity Informationen über den aktuellen kognitiven Zustand des Probanden enthält (Gonzalez-Castillo et al., 2019). Das Ziel des hier beschriebenen kollaborativen Projektes ist es daher, den Zusammenhang zwischen den dynamischen Änderungen neuronaler funktioneller Konnektivität und der Dynamik spontaner Denkprozesse zu erforschen. Wir planen, einen Algorithmus zu entwickeln, der es erlaubt den Zusammenhang zwischen hochaufgelöster, dynamischer FC und dem reichhaltigen Gedanken und Emotionen während des Ausruhens menschlicher Probanden besser zu verstehen. Unser Ansatz basiert auf sogenannten „Shared Response Models“ (SRMs, Chen et al., 2015, Nastase et al., 2020). SRMs können zum einen eine niedrig dimensionierte Repräsentation der dynamischen FC Struktur erlernen, die von vielen Probanden geteilt wird, während diese ähnliche Erfahrungen machen (wie zum Beispiel den gleichen Film anzuschauen). Gleichzeitig ermöglichen SRMs es, individuelle Unterschiede in den hervorgerufenen fMRT Aktivierungsmustern zu modellieren. In einem nächsten Schritt planen wir den Zusammenhang zwischen der niedrig dimensionalen Repräsentation der FC und den semantischen und emotionalen Inhalten des Videos abzuleiten. Dieser Zusammenhang ist invertierbar, so dass es uns erlauben wird, aus den dynamischen FC Mustern Einblicke in den Inhalt spontaner Gedanken während des Ausruhens zu gewinnen. Zusätzlich ist geplant, die Dynamiken des Inhalts spontaner Denkprozesse zwischen Personen mit und ohne Symptome mentaler Krankheiten vergleichen. Dies wird es ermöglichen Theorien zu testen, die anomale Dynamiken spontaner Denkprozesse mit mentalen Störungen wie Depression und ADHS in Verbindung bringen. Zusätzlich wird das vorgeschlagenen Forschungsprojekt frei zugängliche Daten und open-source Software zur Verfügung stellen. Dieser Antrag wird im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Computational Connectomics“ eingereicht. Das eingereichte Vorhaben ist ein gemeinsames Projekt des deutschen Antragstellers und seines in Japan forschenden Kollegens Prof. Mingbo Cai (U Tokyo).

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2041: Computational Connectomics
• Internationaler Bezug: Japan
• Partnerorganisation: Japan Agency for Medical Research and Development (AMED)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ming Bo Cai