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Neural dynamics and their relationship to learning behavior in response tot stimulation with a cortical neuroprosthesis

Autor :Matthias Deliano
Herkunft :OvGU Magdeburg, Fakultät für Naturwissenschaften
Datum :15.11.2005
 
Dokumente :
Dataobject from HALCoRe_document_00004543
 
Typ :Dissertation
Format :Text
Kurzfassung :Corticale Neuroprothesen sind bei der Wiederherstellung verlorener sensorischer Funktionen eine viel versprechende Alternative zu weiter peripher ansetzenden Neuroprothesen, wie z.B. Cochlea- oder Retinaimplantaten. Durch die vollständige Umgehung afferenter sensorischer Bahnen würde dabei ein größerer Patientenkreis profitieren, so z.B. auch alle Patienten bei denen frühere Verarbeitungsstationen auf dem Weg zum Cortex geschädigt sind. Der entscheidende Schritt in der Entwicklung einer sensorischen corticalen Neuroprothese ist die Erzeugung sinnvoll strukturierter Wahrnehmung durch räumlich und zeitlich geordnete corticale Elektrostimulation. Frühere Versuche, eine solche Neuroprothese allein auf der Grundlage einer geeigneten Kodierung von Umweltreizen in elektrische Stimulationsmuster zu entwickeln, sind weitgehend gescheitert. Die vorliegende Arbeit versucht über diesen reinen Kodierungsansatz hinauszugehen, und zu untersuchen, wie eine sinnvolle Interpretation elektrischer Stimulation in Wechselwirkung mit der endogenen corticalen Dynamik durch Lernen zustande kommt. Dazu wurde über ein einfaches unidirektionales Implantat der primäre auditorische Cortex (AC) von mongolischen Wüstenrennmäusen (Meriones unguiculatus) durch so genannte intracorticale Mikrostimulation (ICMS) angeregt. Die Tiere wurden mit Hilfe eines (GO)/(NO-GO)-Paradigmas darauf trainiert zwei Stimulationsorte, einer im tiefen und einer im hohen Frequenzbereich der tonotopen Karte des AC, voneinander zu unterscheiden. Gleichzeitig wurde die endogene Aktivität des AC durch die Ableitung eines räumlich hoch aufgelösten Elektrocorticogramms (ECoG) erfasst. Räumliche corticale Aktivitätsmuster konnten in Bezug auf die verhaltensrelevanten Stimulusklassen im β- und γ-Band (15 Hz bis 80 Hz) des ECoG mit Hilfe eines multivariaten Klassifikationsverfahrens identifiziert werden. Die identifizierten Muster standen in keinem festen Zeitbezug zum elektrischen Stimulus oder zur Verhaltensantwort, traten im Laufe des Trainings auf, fanden sich aber nicht an Trainingstagen, an denen die Tiere noch keine signifikante Lernleistung zeigte. Darüber hinaus war die Klassifikationsleistung in den späten Epochen nach Ende des elektrischen Stimulus signifikant mit der Lernleistung korreliert, was nahe legt, dass das Auftreten der Muster mit dem Erlernen der Unterscheidung elektrischer Stimuli in Verbindung stand. Die beobachteten Muster waren späten corticalen Aktivitätsmustern ähnlich, die beim Lernen mit akustischen Stimuli gefunden, und in Beziehung zur subjektiven, perzeptuellen Einordnung von Stimuli in bedeutungsvolle Stimulusklassen gebracht wurden. Unterschiede zwischen den durch elektrisches und akustisches Lernen induzierten Aktivitätsmustern fanden sich jedoch hinsichtlich ihrer räumlichen Organisation, die mit Hilfe einer Diskriminanzanalyse untersucht wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die Aktivitätsmuster, die beim Erlernen elektrischer Stimuli auftraten, fokal waren, im Gegensatz zu den räumlich verteilten Mustern, die beim akustischen Lernen beobachtet wurden. Dies könnte bedeuten, dass die endogene corticale Dynamik durch elektrische Stimulation in einer anderen Weise rekrutiert wird als durch akustische Stimulation. Eine bessere zeitliche Abstimmung zwischen Elektrostimulation und endogenen corticalen Zustandsänderungen könnte dabei für die Wiederherstellung der unter bedeutungsvoller akustischer Stimulation beobachteten corticalen Dynamik entscheidend sein. Durch die Entwicklung einer interaktiven, bidirektionalen corticalen Neuroprothese wäre es z.B. möglich, diese zeitliche Abstimmung zu erreichen und somit die Möglichkeiten einer sinnvollen Interpretation elektrischer Stimulation zu verbessern.
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Erstellt am :28.08.2008 - 06:55:17
Letzte Änderung :22.04.2010 - 08:38:10
MyCoRe ID :HALCoRe_document_00004543
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