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Ein Virtuelles Gehirn zur Kartierung der funktionellen Konnektivität

Hirnverbindungen zwischen unterschiedlichen Arealen unterliegen je nach vorgegebener Aufgabe dynamischen Änderungen. EU-Forscher haben ein Modell entwickelt, das erklärt, wie über selektive Aufmerksamkeit auf Anhieb der Fokus verändert werden kann.
Ein Virtuelles Gehirn zur Kartierung der funktionellen Konnektivität
Im Rahmen des Projekts DYNVIB (Dynamic effective connectivity of the virtual brain) wurde die Flexibilität der Aufmerksamkeitsspanne erforscht, die sich infolge des Sendens entsprechender Signale an Hirnregionen höherer Ordnung schnell verändert. Das Konsortium verwendete die Open-Source-Neuroinformatik-Plattform Virtual Brain, welche die neu entstehenden Dynamiken in unterschiedlichen Parameterbereichen analysiert.

Das der Studie zugrunde liegende Prinzip ist, dass die zeitabhängigen Zustände des Systems, welche als Chronektom bezeichnet werden könnten, die sichtbare Manifestation des Dynoms sind. Das Dynom bezieht sich auf alle dynamischen Ordnungen eines neuronalen Schaltkreises, die durch das Konnektom hergestellt werden können und das Konnektom ist die Summe aller synaptischen Verbindungen.

Im Zuge von DYNVIB wurde das erste Mittelfeld-Modell für das gesamte Gehirn erstellt. Basierend auf einem rekonstruierten Konnektom und unter Verwendung eines einstellbaren Diffusionstensorbildgebungsverfahrens hat das „Virtual Brain“-Modell-Dynom für mehr Detailreichtum gesorgt. Die Wissenschaftler untersuchten ebenfalls eine „virtuelle Region“, in der ein mesoskaliges Konnektom die Koordinierung der Multifrequenzkommunikation zwischen unterschiedlichen Regionen im Kortex reguliert. Die Auswahl basiert auf der Frequenz bezüglich einer Bewegungsrichtung von unten nach oben und von oben nach unten.

Forscher haben ebenfalls die Methodik zur Analyse der dynamischen funktionellen Konnektivität (dynamic functional connectivity, FCD) verbessert. Der Input von Bildsignalen und neuronaler Aufzeichnungen hat zusammen mit der Einführung von Biomarkern zur Erstellung einer Metrik geführt, mit der die FCD-Neuorganisierung über Alterungsprozesse untersucht werden kann. Bezüglich weiterer mikroskopischer Netze wurden von externen Quellen maschinell lernende Algorithmen gesammelt.

Die Projektmitglieder erzielten wesentliche Fortschritte bei der Implementierung von Computermodellen, welche die Dynamik der funktionellen Konnektivität für das gesamte menschliche Gehirn analysieren. Die unmittelbare Anwendung beinhaltet ein besseres Verständnis der kognitiven Flexibilität sowie diesbezüglicher Beeinträchtigungen oder Verbesserungen. Die 3P-Medizin (präventiv, prognostisch und personalisiert) könnte im Bereich neurodegenerativer Erkrankungen und zur allgemeinen Verbesserung kognitiver Funktionen stark verbessert werden.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Virtual Brain, funktionelle Konnektivität, Neuroinformatik-Plattform, Konnektom, kognitive Funktion
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