Onderzoeksproject P7/11 (Onderzoeksactie P7)
1. De studie van functionele neurale netwerken voor perceptie, actie en cognitie in normale en pathologische menselijke subjecten en in niet-menselijke primaten. We concentreren ons op anatomisch, functioneel en effectief connectiviteits onderzoek. We zullen ons voornamelijk toespitsen op experimenten die oorzakelijke in plaats van correlatieve verbanden aan tonen. Het uiteindelijke doel is het opstellen en testen van biologisch-relevante theoretische modellen voor het beter begrijpen van hersenfuncties. Het consortium steunt sterk op de gemeenschappelijke kennis vergaard tijdens experimenten uit vorige fasen van het IUAP programma waarbij functionele beeldvorming bij de aap, ontwikkeld door de piloot groep, een cruciale rol speelt om gegevens van menselijke functionele beeldvormingsstudies in verband te brengen met gedetaileerde electrofysiologische gegevens van de aap.
2. Het ondersteunen van cognitieve neurowetenschappen in België en het aanmoedigen van de onafhankelijkheid van jonge onderzoekers in dit vakgebied. Het huidige consortium bevat meer dan 10 nieuwe jonge onafhankelijke onderzoekers in vergelijking met het vorige IUAP programma, fase VI. Wij hebben tot doel de samenwerking tussen de groepen, met elk hun eigen expertise, te ondersteunen uitgaande van het principe dat “het geheel meer is dan de som der delen”. Waar mogelijk, zullen we dezelfde cerebrale functies onderzoeken in normale mensen, in patiënten en in apen, terwijl we gebruik maken van gelijkaardige experimentele paradigmas. Nieuwe vergelijkende analytische methodes zullen ontwikkeld en geïmplementeerd worden en beeldvormingstechnieken en relevante analyse methodes zullen gedeeld worden tussen de groepen. Er zullen gezamenlijke vergaderingen, symposia, werkseminaries en doctoraats opleidingen georganiseerd worden.
3. Het project omvat een aantal onderzoeksdomeinen met de nadruk op het visueel systeem - in de brede zin van het woord - van menselijke en niet-menselijk primaten. We zullen eveneens systemen onderzoeken waarbij visuele input belangrijk is. We bestuderen hogere cognitieve processen zoals het verwerken van getallen en symbolen en de manier waarop hogere-orde executieve controle systemen en extra-retinale factoren (bvb aandacht en beloning) visuele representaties in de hersenschors en visuele perceptie moduleren. Zoals tijdens de vorige fase van het IUAP programma, zullen verscheidene partners biologische (bvb gezichten en lichamen) en niet-biologische 3D en 2D vormen onderzoeken en hoe deze in verband gebracht kunnen worden met de neurale systemen belangrijk voor de perceptie en het uitvoeren van acties. Daarbij zullen we informatie afkomstig van enkelvoudige cel afleidingen integreren met lokale veld potentialen van de aap en functionele beeldvorming gegevens van de aap en de mens. Er wordt een multilateraal gecombineerde electrofysiologische-fMRI studie uitgevoerd over de perceptie van kwantiteit bij mens en aap. Verscheiden partners zullen samen geïntegreerde hersennetwerken bestuderen die cruciaal zijn bij cognitieve controle zoals „self referential processing‟, selectieve aandacht, lange- en korte- termijn geheugen, inhibitie en terugkoppeling, „multi tasking‟ en taak wisselingen. Vergelijkingen zullen gemaakt worden tussen normale en oude menselijke subjecten en een verminderde integratie tussen hersensystemen zal onderzocht worden bij patiënten met de ziekte van Alzheimer, met focale hersenletsels en ontwikkelingsstoornissen (autisme), en bij subjecten met minimaal bewustzijn. Partners van het consortium zullen plasticiteit van volwassen hersenen onderzoeken geïnduceerd door perceptueel en motorisch leren en als gevolg van (on)omkeerbare letsels.
4 De slaapstudies met EEG en fMRI bij mensen zullen uitgebreid worden met vergelijkende studies bij de aap en met bewustzijnsstudies bij coma en „locked-in‟ patienten door een van de nieuwe PI‟s van het consortium (S. Laureys, Ulg). Staat-afhankelijke veranderingen in functionele connectiviteit zullen worden gemeten door middel van „resting state‟ data. Nieuwe analytische methodes zullen ontwikkeld worden om gegevens systematisch te vergelijken tussen wakkere en geanesthesieerde patiënten en tussen mens en aap.
5. Volgens de aanbevelingen van de “ex-post” evaluatie van IUAP-fase VI werden het aantal werkpakketten gereduceerd van 6 naar 4. Omwille van het substantiëel groter aantal deelnemers in het huidige IUAP consortium kunnen de werkpakketten in meer detail uitgevoerd worden. Hoewel we minder WPs voorstellen in vergelijking met fase VI, zullen dus er meer experimenten per WP uitgevoerd kunnen worden. In WP1 “Visuele perceptie” ligt de nadruk op de representatie van gezichten en lichamen, 3D vorm en hoe visuele representaties gemoduleerd worden door perceptueel leren en extra-retinale invloeden zoals aandacht en beloning. Een expliciete vergelijking zal worden gemaakt tussen multi-voxel patroon analyse (MVPA) en adaptatie-gebaseerde metingen van neuronale selectiviteit. Er zal een graduele overgang zijn tussen WP1 en WP2 vermits in beide werkpaketten aandacht een belangrijk onderzoeksthema is. WP2 focust op uitvoerende controle functies, waaronder lange- en korte termijngeheugen, inhibitie , numerische voorstellingen en taak regels. WP3 gaat over actie: actie observatie en uitvoering evenals “doel en intentie codering”. WP4 is een technisch werkpakket met als doel het optimaliseren van verschillende types van connectiviteits metingen. We zullen ook een antal focale perturbatie methodes optimaliseren voor het uitvoeren van oorzakelijk-georiënteerde experimenten, voornamelijk toegepast op data bekomen in de andere WPs. Dit werkpakket beoogt ook een significante verbetering van de spatiale resolutie van de functionele en anatomische beeldvormings technieken.
Methodologie:
1. Binnen het consortium zullen we verder bouwen op voorgaande technologische ontwikkelingen die geprezen werden in de “ex-post” evaluatie van het IUAP fase VI programma. Het nieuwe project zal de nadruk leggen op causaliteits-georiënteerde experimenten, waarbij zeer focaal delen van een functioneel hersennetwerk tijdelijk of permanent worden uitgeschakeld terwijl de functionele en gedragsmatige gevolgen ervan gemeten worden door enkelvoudige neuron registraties of functionele beeldvorming. We zullen een batterij van perturbatie technieken gebruiken, elk met specifieke spatio-temporele karakteristieken en een verschillend niveau van invasiviteit.. Deze technieken zijn reeds geïmplementeerd of onder ontwikkeling bij de partners van het huidige consortium. Voorbeelden zijn transcraniale magnetische stimulatie (TMS) en transcraniale directe stimulatie (tDCS) bij mens en aap –eventueel gecombineerd met gelijktijdige fMRI of event-gerelateerde potentiaal metingen, simultane fMRI en electrische microstimulatie (EM), simultane enkelvoudige cel afleidingen en EM bij apen, farmacologische of optogenetische-gebaseerde stimulatie en inactivtie (samen met fMRI of electrofysiologie). Om de kritische bijdrage van een bepaald menselijk hersengebied te testen zullen we TMS resultaten vergelijken met die bekomen in patiënten met focale letsels in de hersenschors.
2. Verder bouwend op ons recent succes met het implanteren van ontvangst antennes voor fMRI in apen, hebben we ook tot doel de resolutie van onze fMRI metingen aanzienlijk te verbeteren (≤0.1mm3). Dit zal ons mogelijk in staat stellen om laag en kolom-specifieke beeldvormingsstudies uit te voeren. Binnen het consortium zullen nieuwe functionele contraststoffen ontwikkeld en getest worden, ontwikkelingen die cruciaal zijn om een verhoging van de spatiale resolutie te bewerkstelligen.
3. We zullen nieuwe analytische methodes optimaliseren voor de analyse van fMRI en eletrofysiologische gegevens. Dit zullen we doen door middel van decoderingsmethodes, niet-parametrische statistiek, en kwantificatie van diffusie gegevens met probabilistische technieken. We zullen ook nieuwe methodes ontwikkelen om functionele overeenkomsten tussen soorten te meten. Er zal een uitgebreide inspanning geleverd worden om adaptatie, en klassificatie-gebaseerde metingen van stimulus-selectiviteit te vergelijken voor fMRI en electrofysiologische data. Verscheidene technisch georiënteerde groepen, waaronder de nieuwe UA partner J. Sijbers en de nieuwe internationale partner H. Benali, zullen een sleutelrol spelen bij het optimaliseren van de functionele metingen en de analytische methodes.
4. We zullen de inspanningen van de verschillende groepen bundelen voor het bestuderen van effectieve en functionele connectiviteit, door gebruik te maken van rust en taak-afhankelijke fMRI signalen van mens en aap en elektrofysiologische signalen tegelijkertijd gemeten in meerdere hersengebieden. Op anatomisch gebied zullen we nieuwe MRI-gebaseerde methods ontwikkelen en implementeren voor in-vivo tractography. We zullen diffusie atlassen opstellen gebaseerd op gegevens afkomstig van geoptimaliseerde hoge-resolutie diffusie experimenten, waaronder diffusie tensor (DTI) en diffusie kurtosis (DKI) studies. Deze indirecte metingen van connectiviteit zullen vergeleken worden met de gouden standaard, namelijk traditionele anatomische tractografie experimenten uitgevoerd door een van de wereld leiders, namelijk de Uparma partner in dit consortium.
