The sensorimotor µ-rhythm as cholinergically controlled pulsed inhibition

01.12.2017 bis 30.11.2020

Die prominenteste neuronale Oszillation im Elektroenzephalogramm (EEG) des wachen Menschen ist die 8-14 Hz Alpha Oszillation. Im sensomotorischen Kortex, der Modellregion dieses Projektes, wird sie als Mu-Rhythmus bezeichnet. Ursprünglich als kortikaler Leerlauf betrachtet, wird heute angenommen, dass sie aktiv den Informationsfluss im Gehirn steuert. Die einflussreiche Hypothese der Pulsierenden Hemmung nimmt an, dass die Alpha/Mu Oszillation asymmetrisch ist und aus wiederholten Zyklen neuronaler Hemmung besteht, welche mit zunehmender Amplitude immer stärker werden und die neuronale Verarbeitung in aufgaben-irrelevanten Arealen rhythmisch unterdrücken. Die Asymmetrie und hemmende Natur der Alpha/Mu Oszillation ist jedoch bislang nicht direkt gezeigt worden. Außerdem steht die Alpha/Mu Oszillation unter der top-down Kontrolle höherer Hirnareale, da bereits die Antizipation eines Reizes genügt ihre Amplitude zu modulieren. Allerdings ist auch die neuronale Grundlage dieser Kontrolle bislang unbekannt. Es wurde postuliert, dass kortiko-kortikale Projektionen aus dem Präfrontalkortex die lokale Ausschüttung von Acetylcholin aus Neuronen des basalen Vorderhirns mittels axo-axonaler Synapsen modulieren. Acetylcholin reguliert die De-/Synchronisierung neuronaler Aktivität. Daher könnte die präfrontal mediierte transiente Veränderung der cholinergen Modulation lokaler Alpha/Mu Oszillationen und kortikaler Erregbarkeit einen neuronalen Mechanismus darstellen, welcher der aufmerksamkeitsabhängigen Regulation von Wahrnehmung und synaptischer Plastizität zugrunde liegt. Ich werde die Hypothesen der pulsierenden Hemmung und der präfrontalen Kontrolle cholinerger Alpha-Modulation am Modellbeispiel des sensomotorischen Mu-Rhythmus testen. Die Kombination von transkranieller Magnetstimulation (TMS) des primär motorischen Kortex mit zeitgleicher Erfassung des sensomotorischen Mu-Rhythmus mittels EEG erlaubt die amplituden- und phasenabhängige non-invasive Untersuchung kortikaler Erregbarkeit und intra-kortikaler Hemmung im menschlichen Gehirn. Das Projekt besteht aus zwei Hauptteilen. Erstens werde ich mittels Echtzeit-EEG-getriggerter Einzel- und Doppelreiz-TMS die neuronalen Mechanismen untersuchen, welche den Phasen- und Amplitudenverlauf des spontanen sensomotorischen Mu-Rhythmus bedingen, sowie deren Bedeutung für die Induktion synaptischer Plastizität. Zweitens werde ich mich (anti-)cholinerger pharmakoligischer Interventionen sowie transienter virtueller Läsionen mittels repetitiver TMS bedienen, um zu erforschen, wie die top-down Kontrolle des Mu-Rhythmus während einer taktil-räumlichen Aufmerksamkeitsaufgabe neuronal vermittelt wird. Dieses Projekt wird fundamental neue Einsichten liefern in die neurophysiologischen Grundlagen der Alpha/Mu Oszillation, ihre Rolle für die Regulation von Informationsverarbeitung und synaptischer Plastizität, sowie die präfrontalen und cholinergen Mechanismen ihrer aufmerksamkeitsabhängigen top-down Kontrolle.