C01 - Verankerte kognitive Reserve im kortiko- subkortikalen prämotorischen Netzwerk

In der jüngsten Vergangenheit wurden die Mechanismen, die die Aufrechterhaltung der kognitiven Leistung und des Lernens ermöglichen
obwohl altersbedingte Veränderungen des Gehirns zunehmend die Aufmerksamkeit der Neurowissenschaften auf sich gezogen haben
Forschung. Überraschenderweise ist jedoch vergleichsweise wenig über die Mechanismen bekannt, die altersbedingten Veränderungen der Mobilität und des Gleichgewichts zugrunde liegen, obwohl kognitive Prozesse von Gehirn-Körper-Interaktionen abhängen und ein funktionierendes motorisches System eine wichtige Komponente für erfolgreiches Altern ist. Immer mehr Arbeiten zeigen, dass sensomotorische Signale für die präzise räumliche Orientierung von großer Bedeutung sind - ein verkörperter kognitiver Mechanismus, der beispielsweise durch sensomotorisches (Gleichgewichts-)Training genutzt werden könnte, um die kognitive Leistungsfähigkeit im Alter zu erhalten. Ziel des vorliegenden Projekts ist es, die Hirnprozesse zu identifizieren, die es manchen Menschen ermöglichen, mit dem fortschreitenden Abbau der supraspinalen und muskuloskelettalen Komponenten des sensomotorischen Systems im Alter besser zurechtzukommen als andere, was letztlich zu interindividuellen Unterschieden sowohl in der motorischen Leistung (z. B. Gleichgewichtsleistung und -lernen, Sturzanfälligkeit) als auch in der visuell-räumlichen Kognition beiträgt. Um diese Verhaltensheterogenität zu erklären, schlagen wir eine Erweiterung der Angebots-Nachfrage-Mismatch-Theorie der neuronalen Plastizität um eine "neurobiologische Kapital"-Komponente (Hirnreserve) vor - d. h. stabile (nicht veränderbare) strukturelle Merkmale, die nicht auf Umweltreize (wie z. B. Training) reagieren, aber dennoch sowohl die aktuelle Leistung als auch künftige Verbesserungen bei einer Aufgabe (Lernen) vorhersagen. Unser besonderes Interesse gilt der relativen Bedeutung der Hirnreserve im Vergleich zur erfahrungsbedingten Plastizität bei der Abschwächung der Auswirkungen von Gebrechlichkeit und Hirnalterung auf die Haltungskontrolle und die damit verbundene visuell-räumliche Kognition sowie möglichen Wechselwirkungen zwischen diesen beiden Faktoren. Um diese Fragen zu beantworten, werden wir eine randomisierte, kontrollierte Interventionsstudie zum Gleichgewichtstraining bei älteren Menschen durchführen und die Daten in vier Arbeitspaketen aus verschiedenen Blickwinkeln analysieren. Auf der Grundlage früherer Befunde stellen wir die Hypothese auf, dass strukturelle Merkmale sekundärer motorischer Netzwerkknoten (PMC, SMA) und deren zugehörige Faserverbindungen eine wichtige Rolle bei der Umsetzung der Fähigkeit eines Individuums spielen, mit dem sensomotorischen Rückgang fertig zu werden. Konkret gehen wir davon aus, dass die kortikale Oberflächengeometrie als neurobiologisches Kapital (Hirnreserve) fungiert, während trainingsinduzierte Veränderungen z.B. in synaptischen und myelinbezogenen Prozessen eine vielversprechende, verhaltensrelevante Plastizität darstellen können. Um diese neurobiologisch inspirierten Hypothesen zu testen, werden wir eine Kombination aus leistungsstarker 3T- und ultrahochauflösender 7T-Struktur-MRT zusammen mit modernster biophysikalischer Modellierung, Traktographie und modernster multivariater Statistik einsetzen. Im Hinblick auf die Gleichgewichtsleistung werden wir videobasierte menschliche Bewegungsanalysen in Kombination mit Deep-Learning-Techniken einsetzen, um Verhaltensmuster bei der Anpassung und Verbesserung des Gleichgewichts zu identifizieren und diese Muster schließlich mit der visuell-räumlichen Leistung bei einer gleichzeitigen kognitiven Aufgabe in Verbindung zu bringen. Das Projekt verspricht, unser Verständnis der neuronalen Plastizität zu erweitern, indem Erkenntnisse aus longitudinalen Trainingsstudien, multivariaten (Reserve-)Analysen und fortgeschrittenen Neuroimaging-Techniken integriert werden. Es wird den Bereich der kognitiven Neurowissenschaften im Zusammenhang mit dem Altern erheblich beeinflussen und Informationen für Präzisionsmedizin und Präventionsstrategien liefern, um die kognitiven Fähigkeiten älterer Menschen zu optimieren.

C01 - Embodied cognitive reserve in the cortico-subcortical premotor network

In the recent past, the mechanisms that enable cognitive performance and learning to be maintained
despite age-related changes of the brain have increasingly attracted the attention of neuroscience
research. Surprisingly, however, comparatively little is known about the mechanisms underlying age-related changes in mobility and balance, despite the fact that cognitive processes depend on brain-body interactions and that a functioning motor system is an important component of successful ageing. A growing body of work demonstrated the significant impact of sensorimotor signals for precise spatial orientation - an embodied cognitive mechanism that could, for example, be exploited by sensorimotor (balance) training to maintain cognitive performance in old age. The aim of the present project is to identify the brain processes that enable some people to cope better than others with the progressive degradation of the supraspinal and musculoskeletal components of the sensorimotor system with ageing, ultimately contributing to interindividual differences in both motor performance (e.g., balance performance and learning, susceptibility to falls) and visuo-spatial cognition. To explain this behavioural heterogeneity, we propose an extension of the supply-demand mismatch theory of neural plasticity to include a “neurobiological capital” component (brain reserve) - i.e., stable (non-modifiable) structural traits that are not responsive to environmental stimuli (such as training) but still predict current performance as well as future improvements in a task (learning). We are particularly interested in the relative importance of brain reserve versus experience-induced plasticity in moderating the effects of frailty and brain ageing on postural control and associated visuospatial cognition, as well as possible interactions between these two factors. To address these questions, we will conduct a randomised, controlled balance training intervention study in older people and analyse the data in four work packages from different angles. Based on previous findings, we hypothesise that structural features of secondary motor network nodes (PMC, SMA) and their associated fibre connections play an important role in the implementation of an individual's ability to cope with sensorimotor decline. More specifically, we assume that cortical surface geometry acts as neurobiological capital (brain reserve), while training-induced changes e.g. in synaptic and myelin-related processes may represent promising, behaviourally relevant plasticity. To test these neurobiologically inspired hypotheses, we will use a combination of powerful 3T and ultra-high resolution 7T structural MRI together with state-of-the-art biophysical modelling, tractography and cutting-edge multivariate statistics. In terms of balance performance, we will use video-based human movement analysis in combination with deep learning techniques to identify behavioural patterns in balance adaptation and improvement and eventually relate these patterns to visuo-spatial performance in a concurrent cognitive task. The project promises to extend our understanding of neural plasticity by integrating insights from longitudinal training studies, multivariate (reserve) analyses, and advanced neuroimaging techniques. It stands to significantly impact the field of cognitive neuroscience related to ageing, informing precision medicine/prevention strategies to optimise the cognitive capacities of the elderly.