Multiskale Neuroentwicklung | Dr. Casey Paquola

Verständnis der kognitiven Entwicklung und des psychiatrischen Risikos durch multiskalige Neurowissenschaften

Obwohl die moderne Neurowissenschaft präzise lokalisieren kann, wo im Gehirn spezifische psychologische Fähigkeiten entstehen, fehlt ihr dennoch das Verständnis, in welcher Weise genau diese Regionen zur kognitiven Leistung beitragen. Wir glauben, dass wir diese mechanische Lücke durch die Integration von Daten aus verschiedenen biologischen Skalen schließen können.¹ Unser Team erforscht mittels multimodaler MRT und postmortaler Histologie, wie die Mikrostruktur, Konnektivität und Funktion von Hirnnetzwerken interagieren, um komplexe menschliche kognitive Prozesse wie die Bildung abstrakter Konzepte zu ermöglichen.²

Durch die Charakterisierung der neuronalen Mechanismen der Kognition wollen wir besser verstehen, wie Veränderungen im Gehirn zu psychiatrischen Störungen führen. Unser Team, das durch das Emmy Noether-Programm gefördert wird, untersucht diese Zusammenhänge derzeit bei Kindern und Jugendlichen.

Einerseits konzentrieren wir unsere Forschung auf Kinder und Jugendliche, da die überwiegende Mehrheit der psychiatrischen Erkrankungen im Jugendalter auftritt. Zum anderen bietet die neurologische Entwicklung aus wissenschaftlicher Sicht eine einzigartige Möglichkeit, die zeitlichen Zusammenhänge zwischen Neuroanatomie und kognitiven Fähigkeiten zu entschlüsseln, da sich sowohl das Gehirn als auch die Kognition in der frühen Entwicklung dramatisch verändern.

Kortikale Entwicklung auf der Mikroskala

Die kortikale Architektur (d. h. die Organisation von Neuronen und Glia) bestimmt, wie eine Region Informationen verarbeitet und verteilt. Daher liefert die Mikrostruktur einer kortikalen Region wichtige Informationen über ihr Funktionspotenzial. Jüngste Innovationen in der Magnetresonanztomographie (MRT) haben den Weg für die Messung der kortikalen Mikrostruktur bei lebenden Menschen geebnet.³ Aufbauend auf diesen Fortschritten untersucht unser Team, wie sich die intrakortikale Mikrostruktur im Laufe des Lebens verändert.⁴ Auf diese Weise gewinnen wir ein tieferes Verständnis der Gehirnentwicklung – eines komplexen, multifaktoriellen Prozesses – und lernen die strukturellen Grundlagen der Neurodiversität kennen.

Hierarchien der Gehirnorganisation: Die Komplexität der menschlichen Kognition verstehen

Das Gehirn von Säugetieren wird häufig als hierarchisches System betrachtet, in dem Informationen zunehmend integriert werden, während sie von den sensorischen Regionen über den Assoziationscortex höherer Ordnung zu den Gedächtniszentren fließen. Unser Team hat innovative Ansätze entwickelt, um diese „sensorisch-fugale“ Achse mithilfe der MRT abzubilden.⁵ Damit können wir untersuchen, wie diese Organisation zwischen Individuen variiert und sich während der Jugend entwickelt.⁶

Wir arbeiten auch daran, unser Verständnis der kortikalen Hierarchien zu erweitern, um die Komplexität des menschlichen Gehirns ganzheitlicher zu erfassen. So haben wir beispielsweise kürzlich entdeckt, dass die Organisation des Standardmodus-Netzwerks, das mit selbstbezogenem Denken in Verbindung gebracht wird und beim Menschen im Vergleich zu anderen Tieren stark ausgebildet ist, eine ausgeprägte hierarchische Struktur aufweist, die sich vom Standardinformationsfluss von sensorischen Regionen zu Gedächtniszentren unterscheidet.⁷ Diese neuen neuroanatomischen Erkenntnisse helfen uns zu verstehen, wie die menschliche Kognition durch Fähigkeiten wie autobiografisches Gedächtnis und Sprache bereichert wird.