Auf dem Weg zu einer kausalen Kartierung episodischer Gedächtnis-iEEG-Netzwerke durch multimethodale Hirnstimulation

Eine episodische Gedächtnisstörung tritt auf, wenn Krankheiten den Hippocampus und sein Netzwerk interagierender Gehirnregionen beeinträchtigen. Ein besseres Verständnis der Gehirnmechanismen für das Gedächtnis ist erforderlich, um Behandlungen zu entwickeln. Dieses Projekt wird experimentelle Ansätze entwickeln, die Stimulation nutzen, um Gehirn-Verhaltens-Beziehungen beim Menschen zu manipulieren und dadurch direkt zu testen, wie das hippocampale Netzwerk das Gedächtnis unterstützt. Intrakranielle Elektroenzephalographie (iEEG) bietet Möglichkeiten, die neuronale Grundlage des Gedächtnisses mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Viele Experimente haben iEEG-Signale identifiziert, die mit dem Gedächtnis assoziiert sind, beispielsweise durch den Vergleich von Gedächtniserfolgen mit -fehlern. Die funktionelle Relevanz dieser Signale bleibt jedoch unklar, da solche Vergleiche Signale von externen, gleichzeitig auftretenden kognitiven Prozessen identifizieren können. Ein routinemäßiger Ansatz zur Bewältigung dieser Einschränkung in den Verhaltensneurowissenschaften sind bidirektionale Manipulationen, d.h. exogene Verstärkung oder Hemmung des vermuteten neuronalen Prozesses und Tests der entsprechenden Verstärkung oder Hemmung der Verhaltensleistung. Dieser Ansatz wurde in der menschlichen iEEG-Gedächtnisforschung untergenutzt, teilweise aufgrund von Schwierigkeiten, das Gedächtnis oder neuronale Signale mit den derzeit verfügbaren Manipulationen wie direkter elektrischer Stimulation (DES) über iEEG-Elektroden zuverlässig zu beeinflussen. Als Weg zur Durchführung von bidirektionalen Manipulationsexperimenten in der menschlichen iEEG-Gedächtnisforschung nutzt dieses Projekt ein nicht-invasives elektromagnetisches Stimulationswerkzeug, das hippocampale Netzwerkaktivität und Gedächtnisleistung zuverlässig und robust beeinflusst, genannt "hippocampal indirectly targeted stimulation" (HITS). HITS wird erstmals mit iEEG eingesetzt, um Aktivitätsmuster des hippocampalen Netzwerks zu identifizieren, die mit einer Verbesserung bzw. Beeinträchtigung der Gedächtnisverhaltensleistung zusammenhängen. Um die Verhaltensrelevanz rigoros zu testen, werden wir einen Closed-Loop-Maschinellen-Lern-Ansatz verwenden, um DES-Parameter zu identifizieren, die die durch HITS erzeugten hippocampalen Netzwerk-iEEG-Aktivitätsmuster reproduzieren, und dann testen, ob die Anwendung von DES zur Verstärkung oder Hemmung dieser hippocampalen Netzwerk-iEEG-Aktivitätsmuster eine entsprechende Verbesserung bzw. Beeinträchtigung der Gedächtnisverhaltensleistung bewirkt. Somit werden bidirektionale Manipulationen verwendet, um iEEG-Signale des Gedächtnisverhaltens direkt/kausal zu testen. Die Gruppenebenmodellierung von DES-Parametern, die die Effekte von HITS nachahmen, wird verwendet, um die Zugänglichkeit von bidirektionalen Manipulationen für zukünftige Forschung zu erweitern, die Gedächtnismechanismen in größeren iEEG-Stichproben über mehrere Standorte hinweg testet, denen die technische Fähigkeit für HITS fehlt. Über drei Standorte hinweg wird getestet, ob bidirektionale Manipulationen der hippocampalen Netzwerkaktivitätsbeteiligung an der Gedächtnisleistung bei HITS-informierter DES versus DES basierend auf a priori Hypothesen erfolgreicher sind. Dieses explorative Projekt wird somit eine Grundlage für zukünftige Studien schaffen, um die hippocampale Netzwerkunterstützung der Gedächtnisverhaltensleistung mit bidirektionalen experimentellen Manipulationen rigoros zu testen, und wird eine Zusammenarbeit multidisziplinärer Forscher über mehrere Institutionen hinweg etablieren, um diese innovative mechanistische Gedächtnisforschung durchzuführen.