Prefronto-thalamische Kontrolle der kognitiven Flexibilität – von der Maus zum Menschen

• Antragsteller: Professor Dr. Burkhard Pleger
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501831562

Neben der Verarbeitung und Weiterleitung von sensorischen Inputs zur Großhirnrinde gibt es zahlreiche Belege für die entscheidende Beteiligung des Thalamus an unterschiedlichen kognitiven Funktionen. Eine dieser Funktionen ist kognitive Flexibilität, die klassisch dem präfrontalen Cortex (PFC) zugeordnet wird, die aber, gemäß aktueller empirischer Hinweise, entscheidend von reziprok projizierenden Verbindungen abhängt, die im mediodorsalen Nukleus (MD) des Thalamus verankert sind. Wenn Mäuse zum Beispiel zwischen verschiedenen Sets von gelernten Hinweisreizen (Cues) entscheiden, die die Aufmerksamkeit entweder auf visuelle oder auditive Ziele (Targets) lenken, spiegeln die Antworten aus dem medialen PFC sowohl die einzelnen Cues als auch deren Bedeutung als Aufgabenregel wider. Der MD hingegen scheint das Umschalten zwischen den Cueing-Kontexten zu ermöglichen, indem er die beiden aufgabenassoziierte Repräsentationen im PFC mit exzitatorischen oder inhibitorischen Projektionen unterstützt oder unterdrückt. Dies legt nahe, dass MD-Zellen kontinuierlich die statistischen Regeln der Cue-Assoziationen verfolgen. Ob solche Interaktionen zwischen MD und präfrontalen Regionen im menschlichen Gehirn existieren, und ob sie eine vergleichbare Bedeutung wie bei Mäusen haben, bleibt spekulativ. In der hier anvisierten funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI)-Studie gehen wir dieser herausfordernden Frage nach. In der Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Michael Halassa (Mc Govern Institute, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA) untersuchten wir seit einem Jahr gemeinsam erste Hinweise auf Änderungen der effektiven Konnektivität zwischen dem MD und präfrontalen Repräsentationen anhand von Reanalysen bereits publizierter fMRT Daten gesunder menschlicher Probanden. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen von Mäusen konnten wir zeigen, dass wenn Probanden ihre Entscheidungsstrategie wechseln, efferente Projektionen, die aus dem MD stammen, einen exzitatorischen Einfluss auf aufgabenassoziierte OFC-Repräsentationen haben, die an einem Strategiewechsel beteiligt sind, während OFC-Regionen, die für die Beibehaltung der Strategie zuständig waren, inhibitorische Einflüsse vom MD erhielten. Im hier anvisierten Projekt sollen weitere im MD verankerte Netzwerke zu prefrontalen und limbischen Hirnregionen mittels einer Variante der ursprünglichen cross-modalen sensorischen Aufmerksamkeitsaufgabe für die Maus untersucht werden. Das hierfür neu entwickelte fMRT Design, erlaubt es zudem das bestehende MD-Netzwerkmodell zu erweitern, da statistisch Verhalten und Hirnnetzwerke, die dem Strategiewechsel dienen, von denen die einem Perzeptionswechsel bedingen, getrennt dargestellt werden können. Zudem stellen wir die Frage, inwieweit Belohnung und Bestrafung die MD-Netzwerkinteraktionen modulieren, und in welchem Umfang sie dopaminergen Mechanismen unterliegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Michael Halassa