Multisensory causal inference in cortical hierarchies and its alterations in schizophrenia

01.01.2018 bis 31.12.2019

Menschen integrieren Signale verschiedener Sinnessysteme zu einer kohärenten und reliableren Repräsentation der Umwelt. Das menschliche Gehirn integriert die Signale, gewichtet nach ihrer sensorischen Reliabilität, allerdings nur, wenn eine kleine Signaldiskrepanz eine gemeinsame Signalquelle nahelegt. Andernfalls segregiert das Gehirn die Signale. Das Gehirn erschließt die kausale Struktur der Signale aus ihrer räumlich-zeitlichen und strukturellen Diskrepanz. Unsere vorhergehenden und gegenwärtigen Arbeiten deuten an, dass der dorsolaterale präfrontale Kortex (dlPFC) zunächst die kausale Struktur der Signale anhand ihrer Diskrepanz ermittelt, und anschließend der anteriore intraparietale Sulcus (aIPS) die Signale im Falle einer gemeinsamen Signalquelle reliabilitätsgewichtet integriert. Allerdings ist dieses Modell der multisensorischen kausalen Inferenz in kortikalen Hierarchien bisher nicht empirisch überprüft. Darüber hinaus könnte eine Schizophrenie-Erkrankung multisensorische kausale Inferenz verändern, was zum Beispiel zu Halluzination führen könnte. In drei Studien werden wir drei offene Fragen untersuchen: In Studie 1 untersuchen wir, wo, wann und wie die kortikalen Hierarchien eine kausale Entscheidung treffen und audiovisuelle numerischen Signale integrieren oder segregieren. In einer simultanen EEG-fMRI Studie werden 15 gesunden Probanden in einem audiovisuellen Numerositätsparadigma Sequenzen von Tönen und Blitzen präsentiert. Wir erwarten, dass der dlPFC über die kausale Struktur der Signale entscheided. Je nach kausaler Entscheidung integriert der aIPS anschließend die Signale gewichtet nach ihrer Reliabilität oder segregiert das Aufgaben-irrelevante Signal. In Studie 2 untersuchen wir, ob dlPFC und aIPS kausal an der kausalen Entscheidung und dem Integrationsprozess beteiligt sind. 15 gesunde Probanden absolvieren das audiovisuelle Numerositätsparadigma während TMS Pulse über dem dlPFC und aIPS zu verschiedenen Zeitpunkten der Stimulusverarbeitung appliziert werden. Wir erwarten, dass frühe TMS Pulse über dem dlPFC die kausalen Entscheidungen beeinträchtigen. Spätere TMS Pulse über dem aIPS beeinträchtigen hingegen den Integrationsprozess. In Studie 3 untersuchen wir ob, wann und wo eine Schizophrenie-Erkrankung multisensorische kausale Inferenz verändert. In einer simultanen EEG-fNIRS Studie absolvieren Schizophreniepatienten und gesunde Probanden das audiovisuelle Numerositätsparadigma, in den nun eine Anzahl von Gesichtern und Stimmen präsentiert wird. Wir nehmen an, dass die kortikalen Hierarchien bei Schizophreniepatienten die multisensorischen Signale generell stärker integrieren, unabhängig von der kausalen Struktur der Signale, wodurch auch Halluzinationen hervorgerufen werden könnten. Insgesamt werden die Studien ein tieferes Verständnis ermöglichen, wie kortikale Hierarchien multisensorische kausale Inferenz implementieren, und möglicherweise neue neuropathologische Mechanismen von Schizophreniesymptomen aufzeigen.