Modulation der Gedächtniskonsolidierung beim Menschen

Die Konsolidierung von Hippocampus-abhängigen Erinnerungen profitiert vom „slow-wave sleep“ (SWS). Es wurde ein Mechanismus für diesen Konsolidierungsprozess vorgeschlagen, in welchem die depolarisierende Phase der kortikalen „slow oscillations“ (SO) die Wiedergabe der neu codierten Erinnerungen im Hippocampus (begleitet von „sharp wave ripples“ und thalamokortikalen Spindeln) ebenso vorantreibt, wie sie ihre Langzeitspeicherung in den neokortikalen Netzwerken vermittelt. Um die Mechanismen der schlafabhängigen Gedächtniskonsolidierung in Menschen zu untersuchen und damit den kausalen Zusammenhang zu verstehen, sowie die normalen Funktionen in Patienten mit Konsolidierungsstörungen wiederherzustellen, ist die Manipulation des Konsolidierungsprozesses nötig. Darum schlagen wir eine Studie vor, in welcher die Störung im Menschen mittels transkranialer Gleichstromstimulation (tCS) innerhalb des SWS mit einem theoretischen Ansatz kombiniert wird, der die Interaktion zwischen der externen Stimulation und den globalen Hirndynamiken beschreibt und welcher letztlich vielleicht ermöglicht, die therapeutischen Interventionen an Patienten zu optimieren.

Wir beginnen mit der Hypothese, dass das Zusammenspiel zwischen SO-, Spindel-, und Rippleaktivität den „operating point“ für die erfolgreiche Gedächtniskonsolidierung darstellt und wir werden eventuell Teile dieser Hypothese validieren, indem wir mit EEG aufgezeichnete Gehirnaktivitätsmuster während des SWS mit der Verhaltensbewertung des Konsolidierungserfolgs korrelieren. Zunächst werden wir tCS-Protokolle anwenden und empirisch optimieren, welche bisher benutzt wurden, um SO- und Spindelaktivitäten zu verstärken. Ebenfalls werden wir elektrophysiologische Eigenschaften suchen und validieren, welche als Prädiktoren für eine verbesserte Verhaltensleistung dienen. Diese Suche wird von Rechenmodellen des gesamten Gehirns geleitet, die zu Beginn konstruiert wurden, um die Muster der SO während des SWS zu verstehen und später für die Untersuchung der SO-Spindelinteraktion erweitert wurden. Die Computermodelle werden an die Reproduktion von SO und Spindelaktivität angepasst, die mittels EEG während des SWS aufgezeichnet wurden. Diese Modelle werden für die Formulierung und Evaluierung mechanistischer Hypothesen über den zustandsabhängigen Einfluss der tCS benutzt. In ,,silico“ optimierte tCS Protokolle zur Verbesserung der SO- und Spindelaktivität werden dann empirisch anhand der EGG-Antworten validiert und unter Verwendung eines zuvor validierten Lernparadigmas zur Objekterkennung auf SWS-abhängige Gedächtniskonsolidierung an Menschen getestet. Gemäß unserer Hypothese, dass eine korrekte Anpassung des Gehirns ,,operating point“ vorteilhaft für die Gedächtniskonsolidierung ist, erwarten wir, dass die Verbesserung elektophysiologischer Marker, welche mit der Gedächtniskonsolidierung korrelieren, bereits ausreicht, um die Verhaltensleistung zu verbessern. Wenn das der Fall ist, wird der modellbasierte Ansatz nicht nur neue Einblicke in die kausalen Zusammenhänge zwischen elektrophysiologischen Eigenschaften und erfolgreicher Gedächtniskonsolidierung geben, sondern uns auch dabei helfen, personalisierte und an verschiedene Patientengruppen angepasste effiziente Stimulationsprotokolle zu entwerfen. Angesichts der Tatsache, dass die Menge an SWS pro Nacht mit zunehmendem Alter signifikant abnimmt (ein Trend, der sich bei Patienten mit Alzheimer-Krankheit beschleunigt) und dass die gestörten Schlafmuster zu Defiziten bei der Gedächtniskonsolidierung beitragen, können die Ergebnisse dieses Projekts von hoher klinischer Relevanz sein.

Bild Zeit-Frequenzdarstellung (TFR) im Frequenzbereich von 5 bis 20 Hz für SO- (links) und Delta- (rechts) Ereignisse. Quelle, B03-Mitgliedern