Lokalisation einzelner Verarbeitungsschritte von Stimulus-Response Transformationen im menschlichen Gehirn mittels hochparametrisierter Modelle

• Antragsteller: Professor Dr. Hannes Ruge, seit 12/2023
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine, Kognitive und Mathematische Psychologie ; Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445383113

Um in komplexen und dynamischen Umgebungen überleben zu können, müssen höher entwickelte Lebewesen hochdimensionale sensorische Informationen schnell und akkurat in geeignete motorische Reaktionen umwandeln. Menschen zeigen dabei einen besonders hohen Grad an Flexibilität, komplexe sensorische Informationen in motorische Reaktionen zu transformieren, wie beispielsweise in ihrer Fähigkeit zum Ausdruck kommt, eine große Bandbreite an unterschiedlichen Maschinen und Computerprogrammen zu bedienen. Wie schafft es das menschliche Gehirn, hochdimensionale sensorische Information schnell und verlässlich in motorische Antworten umzuformen? Nach der zwei-Pfade Hypothese ist der ventrale Pfad mit der Verarbeitung von detaillierten visuellen Repräsentationen und speziell mit Objekterkennung und Kategorisierung assoziiert, wohingegen der dorsale Pfad daran beteiligt ist, visuelle Information in motorische Antworten umzuwandeln. Während der ventrale Pfad und frühe visuelle Kortex mittels funktioneller Bildgebung und fortgeschrittenen Modellierungsansätzen wie multivariater Mustererkennung und Enkodierungsmodellen umfangreich untersucht worden sind, wurden Stimulus-Response Transformationen entlang des dorsalen Pfads aufgrund methodischer Einschränkungen bislang nicht mit solchen Modellierungsansätzen untersucht. Neue Fortschritte im Bereich des maschinellen Lernens machen es jetzt jedoch möglich, hochdimensionale Stimulus-Response Transformationen mittels tiefer neuronaler Netzwerke (Deep Neural Networks, DNNs) zu analysieren. Hier schlage ich vor, zwei Studien zu Stimulus-Response Transformationen im menschlichen Gehirn durchzuführen. In den Studien werden die Probanden gebeten, mehrere Computerspiele zu üben bevor sie gescannt werden, und dann die Spiele im MRT-Scanner zu spielen. Die resultierenden FMRT-Datensätze werden anschließend mittels DNNs analysiert um eine genaue Beschreibung der einzelnen Verarbeitungsschritte der Reiz-Reaktions-Umwandlungen im menschlichen Gehirn zu ermöglichen. Insbesondere sollen dazu die Aktivierungen im DNN, d.h. die Aktivierungen der künstlichen Neuronen, eingesetzt werden um FMRT Aktivierungsmuster entlang des dorsalen Pfads zu modellieren. Zu diesem Zweck wird der Enkodierungsmodell-Ansatz, der zuvor eingesetzt wurde um die neuronale Verarbeitung im frühen visuellen Kortex mittels DNNs zu beschreiben, erweitert werden, um damit auch die Umwandlung von visuellen Repräsentationen in motorische Reaktionen untersuchen zu können. Während das vorgeschlagene Projekt primär darauf abzielt, eine detailliertere funktionelle Beschreibung der Verarbeitung von Stimulus-Response Transformationen entlang des dorsalen Pfads zu geben, fördert es auch den Transfer von neuesten methodischen Fortschritten im Bereich maschinelles Lernen zu den kognitiven Neurowissenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Radoslaw Martin Cichy
• Kooperationspartner: Professor Dr. Marcel van Gerven
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Holger Frimmel, bis 11/2023