Projektleiter: Dr. Theo Ferreira MARINS
Finanzierung: FWF (Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung)
Laufzeit: 2024 - 2026
Zusammenfassung:
Das Erlernen neuer Fähigkeiten und Kompetenzen ist im alltäglichen Leben von entscheidender Bedeutung, erfordert aber oft aufwendige Übung und Wiederholung. Stellen Sie sich vor, wir könnten neue Bewegungen - wie Klavier- oder Gitarrenspiel – direkt von Experten übertragen bekommen. Unser Projekt zielt darauf ab, Neurofeedback mit funktioneller Magnetresonanz zu nutzen, um ein Gehirntraining anzuleiten, bei dem Menschen ihre Gehirnaktivität auf das Erlernen neuer Bewegungen selbst neu konfigurieren. Neben der Anwendung dieser Technologie bei gesunden Menschen glauben wir, dass sie auch neurologische Patienten helfen kann, sich von Bewegungsstörungen wie nach einem Schlaganfall oder Schädelhirntrauma zu erholen.
Weiterer Forschungskontext
Hirnschädigungen führen zu atypischen" Gehirnaktivierungsmuster, die mit Störungen in der mentalen sowie körperlichen Aktivität einhergehen, während die "Normalisierung" der atypischen Gehirnaktivierung zu Verbesserungen führt. Daher ist die Fähigkeit, "gesundheitstypische" Gehirnaktivierungsmuster im erkrankten Gehirn zu erkennen und zu fördern, von zentraler Bedeutung. Neurofeedback (NF) gilt als vielversprechender Weg zur Förderung von Veränderungen im Gehirn, die mit klinischen Verbesserungen einhergehen, indem es eine Modulation der Gehirnaktivierung ermöglicht. Mit den jüngsten technischen Fortschritten wurde NF mittels fMRI (funktionelle Magnetresonanztomographie) mit Ansätzen des maschinellen Lernens anstelle univariater Statistiken eingesetzt, was es zum erfolgreichsten NF-Ansatz zur Beeinflussung des Verhaltens macht. In Verbindung mit Hyperalignment können relevante Gehirnaktivierungsmuster in einer Gruppe von „Experten“ erfasst und in einer anderen Gruppe von Teilnehmern ausgedrückt werden, wobei ein bestimmtes Hirnmuster abgeleitet und möglicherweise erzeugt wird, das bei der betreffenden Person nicht vorhanden ist.
Hypothesen
Wir testen die Hypothese, dass untrainierte Versuchspersonen durch das Erlernen geschicklichkeitsbezogener Gehirnaktivierungsmuster von Experten mittels Neurofeedback ihre motorische Leistung verbessern. Wir gehen davon aus, dass dieses Training die funktionelle Konnektivität des sensomotorischen Netzwerks stärkt und die Integrität der motorbezogenen Verbindungen der weißen Substanz erhöht. Nach dem Experiment erwarten wir einen Rückgang der GABA-Konzentration im linken primären Kortex als Maß vom erfolgreichen Training. Unsere Herangehensweise ist hoch innovativ, für das erste Mal wird Hyperalignment für die Kartierung von Gehirnregionen zwecks Neurofeedback Training.
Methoden
Mit Hilfe der fMRI wird der dekodierte NF mit Hyperalignment angewandt, um die multivariaten Gehirnmuster zu erfassen, die mit bestimmten Fingerbewegungen in den sensomotorischen Arealen trainierter Teilnehmer (n = 8) assoziiert sind. Anschließend werden untrainierte Versuchspersonen (n = 40) implizit angewiesen, diese Aktivierungsmuster über zwei Sitzungen zu reproduzieren, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der angestrebten Gehirnmuster zu erhöhen. Mithilfe von Multimodalen-MRT (T1w, DWI, Ruhezustand, GABA-Spektroskopie) werden die Auswirkungen des NF-Trainings auf die Struktur, Funktion und Neurochemie des Gehirns untersucht.
Grad der Originalität
Die Anwendung vom mittels Hyperalignment-dekodierten NF birgt ein hervorragendes Potenzial sowohl für die Untersuchung von Plastizitätsmechanismen im Gehirn als auch für klinische Zwecke. Sie wurde jedoch noch nie außerhalb des visuellen Systems erforscht. Durch die Verstärkung der Gehirnaktivität, die mit guten motorischen Ergebnissen verbunden ist, könnte die NF beispielsweise das motorische Lernen und die Rehabilitation beschleunigen, selbst bei Patienten mit gravierende Mobilitätsbeschwerden. Diese Studie ermöglicht Einblicke in die Mechanismen des motorischen Lernens, die in allen Bereichen, in denen der Erwerb von Präzisionsbewegungen erforderlich ist (z. B. Sport, Robotik), getestet und validiert werden könnten. Darüber hinaus lassen sich unsere Ergebnisse potenziell auf die motorische Rehabilitation und auf klinische Populationen mit motorischen Behinderungen anwenden.