The electrical activity of primate cortex shows patterns of travelling waves and frequency gradients in
many regions. This dynamic activity has been found across various frequency bands, spatial scales and
neuroimaging modalities, e.g. voltage-sensitive dye, local field potentials (LFPs), M/EEG, and fMRI.
Recent work suggests that cortical travelling waves within small zones of cortex might be an important
neural mechanism for cognitive function but also argues that traditional analysis techniques may be
inadequate to reveal these functions. Emerging research shows a direct link between the timing of these
wavelike signals within visual cortical area V5/MT in the primate and cognitive task performance, although fundamental questions remain concerning how neural computation is performed in the
presence of physiological wave-like events. Linking the more global, inter-areal waves observed to these
local wave patterns will open up a new insight into the control of cognitive function through cognitive
resource allocation.

In the first CRC funding phase, we hypothesized and confirmed that brain functional connectivity shapes cognitive performance. With computational brain network modeling, we identified the theoretical principles underlying this relationship. We also characterized the detailed structural and functional circuits of brain nodes central to perceptual decision-making in primates. In the second CRC phase, we plan to investigate the dynamics of travelling waves and frequency gradients that give rise to cognitive function and variability in this network - again combining experiments and computational modeling. Specifically, we plan to investigate how effective connectivity shapes both phenomena by directing cortical travelling waves within the decision-making network, shaping them within cortical areas and generating effective frequency gradients between cortical areas during task performance. We will build on experimental and modelling work performed in phase 1, concentrating on the primate perceptual
decision-making network in V5/MT and its connections, because work in this area in a different primate
species has discovered how travelling waves affect cognitive performance. First, by fitting our cortical network model to functional connectivity, we will investigate the causal link between effective connectivity, travelling wave direction, frequency gradients and cognitive resource allocation. Second, we will test experimentally whether specific effective frequency patterns of activation co-emerge with directed travelling waves. Lastly, our subproject will probe directly the relationship between travelling waves, neural dynamics and cogntive performance through modelling and direct intervention.

Thus, we will link intra-areal waves to network wide cortical waves and seek to test the theoretical position that the strength and pattern of the incoming connectivity shape cognitive performance by directing travelling waves and effective frequency gradients.

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Zum besseren Verständnis des Gehirns, ist es wichtig zu wissen, welche seiner Netzwerke bestimmte kognitive Funktionen unterstützen. Das kooperative Vorhaben untersucht, wie eine sehr heterogene Gehirngegend (Pulvinar) in unterschiedliche (thalamo-kortikale) Netzwerke des Gehirns eingebunden ist. Durch diese Einbindung werden kognitive Funktionen unterstützt, die es möglich machen, flexibel auf Umweltreize zu reagieren und Sinneseindrücke zum Lernen, Erinnern und für Entscheidungen zu nutzen. In diesem Projekt werden in Primaten mehrere Gehirngegenden in der Pulvinar-Region zielgenau inaktiviert und dadurch die kognitive Funktion dieser Netzwerke des Gehirns aufgeklärt.

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Projekt im DFG-Schwerpunktprogramm SPP2411
Wir stellen eine neue Hypothese zu den Funktionen des Pulvinars bei Primaten vor und machen Vorschläge für spezifische Tests, um die Vorhersagen dieser Hypothese zu überprüfen. Die Pulvinar-Kerne sind bei Primaten im Vergleich zu anderen Säugetieren stark vergrößert. Wir vertreten die Ansicht, dass das Pulvinar als ein Rechensystem fungieren könnte, das speziell für adaptive Berechnungen geeignet ist. Als spezieller Fall dieser allgemeinen Hypothese werden wir untersuchen, wie das Pulvinar und die mit ihm verbundenen neokortikalen Areale die Strukturierung räumlicher 3-D-Beziehungen in der visuellen Welt unterstützen können. Informationen über die 3-D-Struktur der unmittelbar sichtbaren Welt sind sowohl für sensorische, wahrnehmungsbezogene Urteile über Größe, Form und Position von Objekten als auch für motorische Aktivitäten, insbesondere die Steuerung von Augenbewegungen, wichtig. Beim Menschen sind solche Bewegungen von Natur aus binokular und daher in die räumliche 3-D-Verarbeitung eingebettet. Nur wenige, wenn überhaupt, Studien zu den Pulvinarkernen haben die binokularen 3-D-Eigenschaften der Pulvinarneuronen untersucht. Im Gegensatz dazu wurde die binokulare Funktion sensorischer kortikaler Bereiche ausführlich untersucht. Wir wollen auf der derzeitigen kanonischen Ansicht aufbauen, dass die Pulvinarkerne als Relais oder "Efferenzkopie" für kognitive Signale wie räumliche Aufmerksamkeit dienen. In diesem Projekt soll die Hypothese getestet werden, dass das Pulvinar-Relais neuronale Signale über räumliche 3-D-Beziehungen transformiert, wenn sie von einem visuellen kortikalen Bereich zu einem anderen gelangen. Wir werden doppelte elektrophysiologische Ableitungen aus den Pulvinarkernen und anatomisch verbundenen visuellen Kortikalarealen vornehmen. Das Projekt wird die adaptive, regulatorische Rolle des Pulvinars mit Hilfe von Standardparadigmen zur visuomotorischen Anpassung in Kombination mit Eingriffen testen, die darauf abzielen, die Pulvinarfunktion vorübergehend und reversibel zu stören.
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Dieses Projekt wird durchgeführt als Teil des Deutschen Zentrums für Psychische Gesundheit (DZPG).
Im Kindesalter sind Entwicklungsstörungen wie die Aufmerksamkeitsdefizit-/ Hyperaktivitätsstörung (ADHS) häufig Anlass für Familien Hilfe zu suchen. Die Stärken von Kindern, Jugendlichen aber auch Erwachsenen mit Entwicklungsstörungen werden oft nicht richtig wahrgenommen und gefördert, so dass Selbstwert- und Stimmungsprobleme zu den Schwierigkeiten in Schule und Beruf dazukommen können. Viele Studien haben gezeigt, dass bei Entwicklungsstörungen bestimmte Gehirnbereiche nicht ausreichend aktiv sind oder nicht gut zusammenarbeiten. Im Rahmen des neu gegründeten Deutschen Zentrums für Psychische Gesundheit (DZPG), zu dem Halle-Jena-Magdeburg als einer von 6 Standorten gehört, untersuchen wir in verschiedenen Projekten, wie wir Neuromodulation einsetzen können um Betroffene zu unterstützen. Unter Neuromodulation versteht man verschiedene Methoden, mit denen man die Gehirnaktivität von außen (z.B. über ein Stimulationsgerät) oder durch Training (Neurofeedback) beeinflussen kann. Im ersten Teilprojektkonzentrieren wir uns auf einen Teil des rechten Frontallappens im Gehirn, der für die Kontrolle von Ablenkung und Verhalten, aber auch die Verarbeitung von sozialen Informationen wichtig ist. Wir nutzen bereits vorhandene Bildgebungsdaten von Kindern und Jugendlichen um besser zu verstehen, welche Teile dieser Struktur in welche Netzwerke im Gehirn eingebunden sind. In einem weiteren Schritt werden wir untersuchen, ob sich auch bei nicht-menschlichen Primaten diese Netzwerke finden lassen. So können wir Aufgaben und Stimulationseinstellungen erproben, die zu einer langfristigen Verbesserung der Aktivität in diesen Teilen des Gehirns führen.

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HORIZON TMA MSCA Postdoctoral Fellowship - European Fellowship for Dr. Corentin Gaillard:
Computational models of vision often address problems that have a single and definite end-point, such as visual recognition: an example of this might be to find a ripe banana in a complex scene. However, not all computation is of this form. Visual information is processed continuously in sensory areas and the nervous system has the capacity to alter or halt an ongoing behavioural response to changes in incoming information. We can therefore react flexibly to updated sensory input or changed requirements for motor output. On the other hand, these same neuronal mechanisms must also support perceptual stability, so that noisy signals do not cause loss of a crucial goal. In project COGSTIM, I will investigate the functional neuronal networks that support the balance between perceptual flexibility and stability, within primate visual areas. I will use a highly innovative approach, combining dense electrophysiological recording with online (real-time) decoding of neuronal correlates of the subject’s perceptual choice, based on adaptive machine-learning algorithms. In order to control visual perception effectively and predictably, closed-loop electrical stimulation will be applied under dynamically adjusted feedback to identified neuronal circuits that causally modulate associated percepts. Crucially, this novel approach using joint decoding and stimulation in real time will allow me to target dynamically visual percepts, representing a significant advance in our understanding of on-going, continuous computations of the primate brain. Such developments offer promising bases for the future development of rehabilitative therapeutical protocols, as well as innovative brain machine interfaces suitable for real-world use.

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Der SFB 1436 hat das Ziel, neuronale Ressourcen auf allen Größenskalen zu untersuchen durch einen interdisziplinären Ansatz, welcher funktionelle und strukturelle Eigenschaften von kortikalen und subkortikalen Schaltkreisen mit Verhalten und Leistungsfähigkeit in Zusammenhang bringt und Interventionen untersucht. Technologische Fortschritte im Bereich der in vivo Gehirnbildgebung des menschlichen Gehirns sowie der multimodalen Modellierung sollen eine Brücke zwischen Molekularen Studien an Tiermodellen und Verhaltensstudien an Versuchspersonen und Patienten bauen.

Projekt C05 des SFB 1436 - in Kollaboration mit Prof. Dr. Petra Ritter (Charite, Berlin) - verfolgt einen kombinierten theoretischen und empirischen Ansatz, um kausal - von den Neuronen bis zum Verhalten - zu untersuchen, wie die Ressourcenzuteilung in visuellen und parietalen Hirnregionen durch die Veränderung der funktionalen Verbindungen in dem der menschlichen Kognition am nächsten kommenden Tiermodell, dem Rhesusaffen, gesteuert werden kann.

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Zusammenfassung für die Verlängerung der Heisenberg-Professur.
Das Alltagsleben stellt uns jeden Moment des wachen Tages vor Wahrnehmungsaufgaben. Wenn wir in einer bebauten Umgebung auf und ab gehen, müssen wir vielleicht das Gebäude finden, in dem wir einen Termin haben, während wir statische Objekte und sich bewegende Menschen auf unserem Weg navigieren, während unser Blick von Gesichtern angezogen wird, die wir erkennen. In den letzten Jahrzehnten haben wir bedeutende Fortschritte beim Verständnis der neuronalen Substrate gemacht, die Wahrnehmungsurteile über dreidimensionale Figuren und Objekte und ihre Bewegungsbahnen unterstützen (Gold & Shadlen 2007; Krug 2020). Die meisten der zugrundeliegenden Erkenntnisse wurden anhand von Beurteilungen gewonnen, die über klar definierte, begrenzte Zeiträume erfolgen und eine Reaktion auf eine Wahrnehmungsdimension eines einfachen Objekts oder Stimulus erfordern. Die Untersuchungsebene konzentrierte sich auf das einzelne Neuron (Neurophysiologie) und das einzelne Hirnareal (funktionelle MRT) (Krug, 2020; Parker & Newsome, 1998).
Aufbauend auf meiner früheren Arbeit habe ich eine neue Reihe von 3D-Bewegungsreizen entwickelt, mit denen wir untersuchen können, wie neuronale Signale zu Wahrnehmungsentscheidungen beitragen, während sich der eingehende Reiz dynamisch und unvorhersehbar verändert. In Projekt 1 verwenden wir diese Stimuli, um in Echtzeit die Interaktionen zwischen mehreren Gruppen von Neuronen zu untersuchen, die gleichzeitig aufgezeichnet werden. In diesem Projekt werden hochdimensionale Aufzeichnungen mit linearen Elektrodenarrays verwendet, während trainierte Rhesusaffen Wahrnehmungsentscheidungen treffen. Um den aktuellen Zustand der Wahrnehmungsschaltkreise aus der laufend aufgezeichneten neuronalen Aktivität (SUA, MUA, LFP) zu dekodieren, habe ich zusammen mit meinem Postdoc Dr. Corentin Gaillard moderne Machine-Learning-Ansätze zur Analyse von Wahrnehmungsentscheidungssignalen für 3D-Bewegungen implementiert. Wir werden den linearen Decoder auch nutzen, um kausale Eingriffe in die laufende Entscheidungsfindung gezielt und zustandsabhängig zu steuern (Projekt 2).
Die korrelative Untersuchung von Echtzeitsignalen in Projekt 1 dient als Grundlage für Projekt 2. Im Rahmen der Projekte 1 und 2 wollen wir unser detailliertes Wissen über einzelne Neuronen und die Dynamik lokaler Schaltkreise im Gebiet V5/MT für Entscheidungen über 3D-Bewegungsreize (DeAngelis et al., 1998; Dodd et al. 2001 Krug et al., 2004; Krug et al. 2013; Wasmuht et al 2019; Krug 2020) nutzen, um ein detailliertes Wissen über die relevanten Schaltkreise im extrastriaten Gebiet V5/MT über Kolumnen hinweg und ihre Interaktionen mit direkt angeschlossenen kortikalen Gebieten (V4/V4t, MST, LIP) zu erlangen. Projekt 3 befasst sich mit der funktionellen Entscheidungsfindung bei Primaten über hirnweite Schaltkreise hinweg. Dabei handelt es sich um dieselbe übergreifende Fragestellung wie bei den Projekten 1 und 2, jedoch ausgehend von der Kombination hochauflösender MRT- und kausaler Stimulationsmethoden, um die neuroanatomische Lokalisierung von Entscheidungskreisen zu bestimmen. Ein besonderer Schwerpunkt ist dabei die Frage, wie sich Veränderungen der funktionellen Konnektivität zwischen wichtigen Hirnarealen (V5/MT, LIP, FEF) auf die lokale Aktivierung, den Wahrnehmungszustand und die Entscheidungen auswirken. Dazu verwende ich fokussierte Ultraschallstimulation (FUS) zur Manipulation der funktionellen Konnektivität, eine neue Methode, an deren Etablierung ich beteiligt war (Verhagen et al. 2019). Letztendlich werden diese Veränderungen der funktionellen Konnektivität mit den Veränderungen der neuronalen Aktivität in Echtzeit verbunden sein, die wir in den Projekten 1 und 2 charakterisieren.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt

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Wenn wir auf einer belebten Straße gegen den Strom der Menschen laufen und nach jemandem Ausschau halten, den wir zu treffen hoffen, sind wir einer Flut von visuellen Reizen ausgesetzt. In dieser Situation sind die Mechanismen des Gehirns, die der visuellen Verarbeitung zugrunde liegen, ununterbrochen und für eine unvorhersehbare Zeitspanne aktiv. Sie müssen die eintreffenden sensorischen Informationen ständig analysieren, um motorische Aktionen zu bewerten, einzuleiten und zu steuern (Gehen, Ausweichen vor Hindernissen, Abtasten von Gesichtern usw.). Im Gegensatz dazu basiert der größte Teil unseres Wissens über die neuronalen Grundlagen der visuellen Verarbeitung auf einfachen "Laborsituationen": diskrete Versuche mit vorhersehbarem Beginn (Cue), einem festen Reiz, Ende (einem weiteren Cue) und einer motorischen Aktion (eine von wenigen bekannten alternativen Reaktionen). Eine der nächsten großen Herausforderungen für die Systemneurowissenschaften wird darin bestehen, einige Aspekte des "normalen Sehens" in unsere Versuchsparadigmen einzubeziehen, z. B. die kontinuierliche Integration von Informationen im Laufe der Zeit und die fortlaufende Bewertung motorischer Aktionen. Mein aktueller Vorschlag baut auf dem gut definierten experimentellen Rahmen der wahrnehmungsbezogenen Entscheidungsfindung auf, aber anstatt Wahrnehmung und Verhalten als eine Abfolge diskreter, endlicher Episoden zu behandeln, die jeweils in einer Entscheidung gipfeln, werden neue experimentelle Paradigmen untersuchen, wie das Gehirn den sich dynamisch verändernden Informationsfluss aktiv und kontinuierlich überwacht. Frühere Arbeiten von mir und anderen haben gezeigt, dass Neuronen im extrastriaten visuellen Areal V5/MT von Primaten 3D- und Bewegungskomponenten einer komplexen Wahrnehmungserfahrung kontrollieren können. Durch hochdimensionale Ableitungen von vielen Neuronen gleichzeitig in diesem gut beschriebenen Bereich des visuellen Systems von wachen Primaten möchte ich die umfassendere Frage untersuchen, wie Neuronen dynamisch in Raum und Zeit interagieren, um die visuelle Wahrnehmung und Entscheidungsfindung zu gestalten. Dieses Projekt besteht aus vier Teilen. Erstens: Um die Rolle der Kooperativität in neuronalen Schaltkreisen für die visuelle Wahrnehmung zu untersuchen, werde ich unvorhersehbare dynamische Veränderungen in visuelle Reize einführen und die zeitliche Beziehung zwischen diesen Reizveränderungen und wahrnehmungsbezogenen neuronalen Aktivitäten und Interaktionen untersuchen. Liefern die dynamischen Reaktionen Beweise für eine Hysterese in zustandsabhängigen neuronalen Interaktionen? Zweitens werden wir, während eine visuelle 3D-Bewegungswahrnehmung entsteht, die Interaktionen zwischen aufgabenrelevanten Neuronen über funktionelle Subdomänen wie Kolumnen in Echtzeit verfolgen. Während ein bistabiler Stimulus über die Zeit (Sekunden) betrachtet wird, werden wir die Beziehung zwischen den Veränderungen der neuronalen Interaktionen und der berichteten Wahrnehmung untersuchen. Drittens werden wir testen, ob neuronale Reaktionsmuster, die mit einfachen Bewegungs- und 3D-Stimuli erhalten wurden, Reaktionen auf komplexere visuelle Stimuli (wie biologische Bewegungen und in Filmsequenzen eingebettete 3D-Bewegungsmuster) vorhersagen. Schließlich werden wir die aus diesen hochdimensionalen Aufzeichnungen gewonnenen empirischen Daten nutzen, um neuroinformatische Modelle der Netzwerkdynamik für Wahrnehmungsentscheidungen zu hinterfragen und an ihrer Konstruktion mitzuwirken.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt

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Mit diesem Projekt planen wir in Magdeburg eine neue Technologieplattform einrichten, um die MR-Spektroskopie (MRS) im visuellen Kortex des Rhesusaffen zu ermöglichen, die MRS-Messungen mit der Aufzeichnung und Manipulation physiologischer Signale im MR-Scanner kombinieren soll. Magdeburg verfügt für Europa fast einzigartig über einen 7-Tesla-Hochfeld-MRT-Scanner, in dem auch die Rhesusaffen gebracht und gemessen werden können. Die Hochfeldstärke des Magdeburger Scanners ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Einrichtung der vorgeschlagenen spektroskopischen Messungen.

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DFG Programme Heisenberg Professorship

My Heisenberg project addresses the questions of how neurons interact dynamically in space
and time in order to shape visual perception and decision-making. I propose a new programme
of research that combines (i) high dimensional neurophysiological recordings, (ii) causal
interventions directly applied to the relevant neuronal circuits in a time or state-dependent manner
and (iii) a detailed analysis of the underlying neuronal circuitry. The only available experimental
model system to support this currently is the non-human primate, specifically the macaque
monkey. These animals have a visual system closely similar to humans, so that we can
experimentally adopt sophisticated behavioural paradigms. To investigate the underlying brain
connectivity and translate results to the human brain, cutting-edge recording and imaging
technologies for human and non-human primates will be essential for the future, as they are in
my present research.
The long-term scientific aim of my research is to understand and control the neuronal signals that
generate our rich visual experience. In recent years, the closest experimental links between brain
signals and perception have been established in awake primates between the activity of single
neurons and perceptual decisions. I have significant experience and contributions in this area and
now wish to extend this powerful research platform to more naturalistic settings of perception and
action. Specifically, the new work will focus on the continuity of perceptual activities. Rather than
treating perception and behaviour as a sequence of discrete, finite episodes, each culminating in
a decision, the new experimental paradigms will study of how the brain engages in active,
continuous monitoring of the dynamically changing incoming flow of information.

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Die direkte elektrische Stimulation im Gehirn von Menschen ist ein wichtiges therapeutisches Mittel, z.B. kann die Tiefenhirnstimulation für Parkinson oder Depressionen Symptome lindern und Gehör-Prothesen können Schallwellen in elektrische Ströme übersetzen. Allerdings werden in vieler Hinsicht solche klinischen Anwendungen der direkten elektrischen Stimulation im Gehirn wie in einer "Blackbox" angewandt, also ohne genau in mechanistischer Weise zu verstehen, wie ein bestimmtes Stimulationsprogramm, seine spezifische Wirkung entfaltet und in wieweit dies von der stimulierten Hirnstruktur abhängt. Um die funktionalen Effekte direkt induzierter elektrischer Signale, wie sie in der Tiefenhirnstimulation im Menschen bereits in einigen wenigen Hirnstrukturen und Erkrankungen, z.B. Parkinson, verwendet werden, besser zu verstehen und gezielter auch für andere Krankheiten einsetzen zu können, planen wir Experimente mit elektrischer Gehirn-Stimulation im hochauflösenden 7T Siemens MRT am Leibniz-Institut in Magdeburg. Ein mechanistisches Verständnis soll zu einer patientengerechteren Anwendung führen.
Wir werden am 7T MRT des Leibniz-Institutes arbeiten und profitieren von der dortigen hohen Expertise und den Sequenzen, die für die Erforschung des menschlichen Gehirns in Gesundheit und Krankheit, eingerichtet wurde. Während die Sequenzen zur Messung nur eine geringe Anpassung zwischen Affe und Mensch benötigen, können die Kopfspulen, die zur Signalmessung benötigt werden, nicht einfach übernommen werden. Die Kopfspule muss für das bestmöglichste Signal so geformt sein, dass sie nahe am Kopf des wesentlich kleineren Affen sitzt und dass sie spezifische Zugänge für das Ableiten von implantierten Elektroden hat.

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Der SFB 1436 hat das Ziel, neuronale Ressourcen auf allen Größenskalen zu untersuchen durch einen interdisziplinären Ansatz, welcher funktionelle und strukturelle Eigenschaften von kortikalen und subkortikalen Schaltkreisen mit Verhalten und Leistungsfähigkeit in Zusammenhang bringt und Interventionen untersucht. Technologische Fortschritte im Bereich der in vivo Gehirnbildgebung des menschlichen Gehirns sowie der multimodalen Modellierung sollen eine Brücke zwischen Molekularen Studien an Tiermodellen und Verhaltensstudien an Versuchspersonen und Patienten bauen.
Projekt C05 des SFB 1436 - in Kollaboration mit Prof. Dr. Petra Ritter (Charite, Berlin) - verfolgt einen kombinierten theoretischen und empirischen Ansatz, um kausal - von den Neuronen bis zum Verhalten - zu untersuchen, wie die Ressourcenzuteilung in visuellen und parietalen Hirnregionen durch die Veränderung der funktionalen Verbindungen in dem der menschlichen Kognition am nächsten kommenden Tiermodell, dem Rhesusaffen, gesteuert werden kann.

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