Wellenförmige Dynamik in neokortikalen Netzwerken zur kognitiven Kontrolle (SFB 1436 - C05 - Krug, Ritter)

Die elektrische Aktivität des Primatenkortex zeigt in vielen Regionen Muster von Wanderwellen und Frequenzgradienten.
vielen Regionen. Diese dynamische Aktivität wurde über verschiedene Frequenzbänder, räumliche Skalen und
Neuroimaging-Modalitäten, z. B. spannungsempfindlicher Farbstoff, lokale Feldpotentiale (LFPs), M/EEG und fMRI, festgestellt.
Jüngste Arbeiten legen nahe, dass kortikale Wanderwellen innerhalb kleiner Kortexzonen ein wichtiger
neuronaler Mechanismus für kognitive Funktionen sein könnte, aber auch, dass traditionelle Analysetechniken möglicherweise
unzureichend sind, um diese Funktionen aufzudecken. Neue Forschungsergebnisse zeigen eine direkte Verbindung zwischen dem Timing dieser
wellenförmigen Signalen im visuellen kortikalen Areal V5/MT bei Primaten und der Leistung bei kognitiven Aufgaben, obwohl noch grundlegende Fragen darüber offen sind, wie neuronale Berechnungen in der
[physiologischen wellenartigen Ereignissen abläuft. Die Verknüpfung der beobachteten eher globalen, inter-arealen Wellen mit diesen
lokalen Wellenmustern wird einen neuen Einblick in die Kontrolle der kognitiven Funktion durch kognitive
Ressourcenverteilung.

[In der ersten Förderphase des CRC haben wir die Hypothese aufgestellt und bestätigt, dass die funktionelle Konnektivität des Gehirns die kognitive Leistung beeinflusst. Mit Hilfe der computergestützten Modellierung von Hirnnetzwerken haben wir die theoretischen Prinzipien identifiziert, die dieser Beziehung zugrunde liegen. Außerdem charakterisierten wir die detaillierten strukturellen und funktionellen Schaltkreise der Hirnknoten, die für die wahrnehmungsbezogene Entscheidungsfindung bei Primaten zentral sind. In der zweiten CRC-Phase wollen wir die Dynamik von Wanderwellen und Frequenzgradienten untersuchen, die für die kognitive Funktion und die Variabilität dieses Netzwerks verantwortlich sind, wobei wir wiederum Experimente und computergestützte Modellierung kombinieren. Insbesondere wollen wir untersuchen, wie effektive Konnektivität beide Phänomene formt, indem sie kortikale Wanderwellen innerhalb des Entscheidungsnetzwerks lenkt, sie innerhalb kortikaler Areale formt und effektive Frequenzgradienten zwischen kortikalen Arealen während der Aufgabenausführung erzeugt. Wir werden auf experimentellen und modellierenden Arbeiten aufbauen, die in Phase 1 durchgeführt wurden, und uns dabei auf das Wahrnehmungs
Entscheidungsfindungsnetzwerk in V5/MT und dessen Verbindungen konzentrieren, da Arbeiten in diesem Bereich bei einer anderen Primaten
Spezies entdeckt hat, wie Wanderwellen die kognitive Leistung beeinflussen. [Erstens werden wir durch die Anpassung unseres kortikalen Netzwerkmodells an die funktionelle Konnektivität den kausalen Zusammenhang zwischen effektiver Konnektivität, Wanderwellenrichtung, Frequenzgradienten und kognitiver Ressourcenallokation untersuchen. Zweitens werden wir experimentell testen, ob spezifische effektive Frequenzmuster der Aktivierung mit gerichteten Wanderwellen zusammen auftreten. Schließlich wird unser Unterprojekt die Beziehung zwischen Wanderwellen, neuronaler Dynamik und kognitiver Leistung durch Modellierung und direkte Intervention direkt untersuchen.

[So werden wir intra-areale Wellen mit netzwerkweiten kortikalen Wellen verknüpfen und versuchen, die theoretische Position zu testen, dass die Stärke und das Muster der eingehenden Konnektivität die kognitive Leistung durch die Lenkung von Wanderwellen und effektiven Frequenzgradienten beeinflussen.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt am 18.12.2025

Wavelike dynamics in neocortical networks for cognitive control (SFB 1436 - C05 - Krug, Ritter)

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.