Das Magazin - Ausgabe 03 - Systembiologie

Abbildung 2b: Funktionelle Aktivierung bei vorgestellten Handlungen.
– und schließlich (iii) Outputs – die (indirekt) gemessene Hirnaktivität.
Das Modell besitzt eine neuronale und eine hämodynamische
(den Blutfluss betreffende) Ebene. Entscheidend für das
Verständnis funktioneller Integration ist die neuronale Ebene,
in der die Aktivität jeder Region durch eine Statusvariable z i
(t)
repräsentiert wird. Diese repräsentiert dabei keinen direkten
physiologischen Zustand des Gehirns, sondern dient als Gesamtmaß
für die Aktivität des repräsentierten Areals. Die Netzwerkdynamik
wird durch die Interaktionen zwischen Regionen sowie
die experimentellen Einflüssen bestimmt. Letztere können dabei
das System beeinflussen, indem sie direkt Aktivität in einem Areal
hervorrufen. Andererseits können sie auch die Interaktionen
zwischen Regionen modulieren. Im Rahmen von DCM wird die
Dynamik des Systems als Funktion der neuronalen Zustände (also
des momentanen Statusvektors z), der modellierten Einflüsse u
und der Interaktionen zwischen den Regionen abgebildet (Abb. 1).
Das neuronale Modell wird dann mit dem hämodynamischen
Vorwärtsmodell gekoppelt, welches den Zusammenhang
zwischen neuronaler Aktivität und Messwerten beschreibt.
Die Validität eines Systemmodells wie DCM hängt natürlich
von seinen Annahmen ab, wobei es in der Praxis nur schwer
möglich ist, eine Verbindung zwischen zwei Regionen oder
deren Modulation definitiv anzunehmen oder auszuschließen.
Vielmehr sind in der Regel mehrere neurobiologisch plausible
Modelle möglich, die Alternativhypothesen über die Struktur
und Dynamik des untersuchten Netzwerkes darstellen. Über
den in DCM verwendeten Ansatz können dabei nicht nur die
Parameter des Modells, sondern dessen eigene a posteriori
Wahrscheinlichkeit geschätzt werden. Dies erlaubt es, jenes
Model zu identifizieren, welches den besten Kompromiss zwischen
Genauigkeit und Komplexität darstellt und so zwischen
alternativen Hypothesen zu entscheiden.
Abbildung 3: Systemmodell der Handbewegung
Das DCM verdeutlich die hohe Bedeutung der hemisphärischen
Spezialisierung sowie der Interaktion zwischen beiden
Gehirnhälften. Die intrinsische Konnektivität ist symmetrisch
organisiert mit jeweils bidirektionalen positiven Kopplungen
(grüne Pfeile) innerhalb jeder Hemisphäre und überwiegend
hemmenden interhemisphärischen Verbindungen (rote Pfeile).
Dieses dynamische Gleichgewicht wird durch Bewegung
nur einer Hand deutlich moduliert. Es kommt dabei zu einer
Zunahme der Konnektivität zwischen allen Arealen der
kontralateralen Gehirnhälfte, während alle Verbindungen zum
primären Motorkortex, der die momentan nicht bewegte Hand
kontrolliert, negativ moduliert werden. Dieses Muster findet sich
spiegelbildlich für beide Hände. Bei gleichzeitiger Bewegung
beider Hände kommt es hingegen zu einer positiven Kopplung,
also einer Interaktion zwischen den Gehirnhälften.
Bild: Simon B. Eickhoff
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Forschung Interaktionen zwischen Hirnarealen bestimmen, was wir tun
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