Kognitivni nadzor onkraj izvršilnih funkcij

Status: Tekoč projekt
Vodja: Grega Repovš
Trajanje: 1.10.2022 - 30.9.2025
Temeljni podatki na Sicris strani.

Projekt polno financira ARIS v obsegu 2187 letnih raziskovalnih ur cenovnega razreda C (1.29 FTE).

Člani projektne skupine

Oddelek za psihologijo, Filozofska fakulteta, Univerza v Ljubljani
– Grega Repovš (vodja projekta)
– Valentin Bucik
– Jure Demšar
– Aleksij Kraljič
– Andraž Matkovič
– Lara Oblak
– Nina Purg Suljič
– Anka Slana Ozimič
– Gregor Sočan
– Gaja Zager Kocjan

Univerzitetna psihiatrična klinika Ljubljana
– Jurij Bon
– Brigita Novak Šarotar
– Aleš Oblak
– Peter Pregelj

Medicinska fakulteta, Univerza v Ljubljani
– Tina Robida
– Dušan Šuput
– Andrej Vovk

Povzetek

Vsako kognitivno procesiranje, naj gre za voljno, ciljno-usmerjeno izvajanje kompleksnih nalog, spontane odzive na dražljaje iz okolje, samorefleksijo, ruminacijo ali tavanje misli, zahteva usklajeno delovanje niza kognitivnih sistemov in z njimi povezanih možganskih sistemov in omrežji. Vključuje integracijo trenutno relevantnih vsebin in dražljajev ter inhibicijo irelevantnih ali motečih vsebin. Rezultati nevroslikovnih študij kažejo, da se preklapljanje med posamičnimi kognitivnimi konfiguracijami ter prehajanje med kognitivnimi stanji povezuje tako s specifičnimi vzorci aktivacije kot funkcijske konektivnosti (angl. functional connectivity, FC) posameznih možganskih področji in omrežji. Predvidevamo, da posamični vzorci FC omogočajo povezovanje relevantnih možganskih sistemov v virtualne delovne skupke ter učinkovit pretok in integracijo informacij med njimi.

Preučevanje nadzora kognitivnih procesov se je doslej usmerjalo skorajda izključno na zavestni, izvršilni kognitivni nadzor (KN) za namen učinkovite izvedbe kognitivnih nalog, ki zahtevajo usmerjeno procesiranje informacij v skladu s podanimi navodili. Te raziskave so pokazale na pomembno vlogo fronto-parietalnega omrežja (FPN) v KN. Kljub obsežnemu raziskovanju pa ostajata nenaslovljeni dve vprašanji: (i) kateri kognitivni in povezani možganski sistemi so vir modulacije drugih vsakdanjih kognitivnih procesov in stanj, ki niso pod neposrednim nadzorom izvršilnih funkcij, ter (ii) kako poteka modulacija FC, ki omogoča prožno preklapljanje med kognitivnimi in možganskimi stanji.

Nedavna spoznanja nakazujejo, da se diskonektivnost kortiko-striato-talamo-kortikalnega (CSTC) vezja povezuje s kognitivnimi motnjami in aberantnimi vzorci FC v nizu duševnih motenj. Obseg diskonektivnosti korelira z resnostjo simptomov, napoveduje preobrat v psihozo in napredovanje bolezni, medtem ko se specifični vzorec diskonektivnosti razlikuje med motnjami. Ta spoznanja nakazuje, da je CSTC vezje pomemben element duševnih motenj ter lahko služi kot biološki označevalec in obetajoči cilj terapije psihiatričnih motenj.

V okviru predlaganega raziskovalnega projekta bomo s pomočjo napredne analize sočasno zajetega EEG in fMR signala med izvedbo naloge kompleksnega KN, naloge prostega opazovanja in mirovanjem preverili predpostavki (i) da poleg FPN, v odvisnosti od specifičnega kognitivnega stanja in procesov, tudi druga omrežja predstavljajo vir KN in (ii) da ima CSTC vezje in njegova povezanost z ostalimi možgani – ne glede na specifične vire KN – osrednjo vlogo v dinamični modulaciji možganske FC, ki je podlaga integraciji delovanja možganov in kognitivnih procesov.

Nadalje bomo pridobljena spoznanja uporabili za razumevanje sprememb FC in kognitivnih stanj v depresiji. Preverili bomo, ali opažene spremembe FC v depresiji odražajo (i) strukturne spremembe v možganski konektivnosti, (ii) spremenjeno ravnotežje v vplivu možganskih sistemov na kognicijo, ki se kaže v spremenjenem ravnovesju kognitivnih in povezanih možganskih stanj, ali (iii) motnje CSTC vezja pri modulaciji FC možganov. Pri tem bomo pozorni, v kakšni meri se opažene spremembe in njihovi vzroki povezujejo s posamičnimi podskupinami bolnikov, kot jih opredeljujejo dimenzije vedenjsko-možganske variabilnosti.

Predlagani projekt vpeljuje nov pogled na KN in integracijo kognitivnih procesov, ki presega trenutno ozko opredelitev. Pridobljena spoznanja bodo prispevala k napredku razumevanja procesov in mehanizmov, ki omogočajo integrirano delovanje možganov tako v kontekstu izvršilnega KN za namen ciljno usmerjenega vedenja, kot tudi širše v kontekstu drugih kognitivnih procesov, ki oblikujejo duševnost vsakdana. Dodatno bodo spoznanja poglobila razumevanje nevro-kognitivnih mehanizmov depresije, prispevala k prepoznavanju novih bioloških označevalcev ter k napredku individualizirane medicine v psihiatriji.

Faze projekta in stopnja realizacije

(i) priprava in izvedba zbiranja podatkov
Pripravljeni in preizkušeni so potrebni instrumenti in orodja za zbiranje podatkov, kar vključuje psihološka orodja, preizkušnje, protokol in sekvence zajema MR podatkov, tehnične rešitve za izvedbo simultanih EEG-fMR meritev z zagotavljanjem točne kolokalizacije elektrod in odstranjevanjem MR artefaktov v EEG signalu. Naslednji korak je izvedba meritev na ciljnih vzorcih udeležencev.

(ii) priprava analitičnih orodij
Pripravljeno je osnovno analitično orodje za preprocesiranje in analizo fMR in EEG podatkov. Izvedena je primerjava več vidikov analize in uporabe mer funkcijske konektivnosti, ki bodo podlaga za analizo zbranih podatkov. V teku je priprava postopkov lokalizacije EEG signala in zlivanja EEG in fMR podatkov. V načrtu je razvoj in validacija dodatnih usmerjenih analiz za naslavljanje specifičnih raziskovalnih vprašanj projekta.

(iii) preprocesiranje in analiza zbranih podatkov
Pripravljena in preverjena so orodja za preprocesiranje EEG in fMR podatkov in osnovno analizo. Osnovno preprocesiranje in analiza podatkov ter preverjanje kvalitete podatkov bo potekalo vzporedno z zajemom podatkov. Končne osnovne in napredne analize bodo izvedene po zaključku zbiranja podatkov.

(iv) predstavitev izsledkov projekta
Priprava predstavitev izsledkov projekta je v teku. Objavljeni ali v procesu recenzije so prispevki, ki predstavljajo spoznanja vezana na razvoj in vrednotenje analitičnih metod in postopkov. S pripravo prispevkov, ki bodo predstavljali vsebinske odgovore na temeljna raziskovalna vprašanja projekta, bomo pričeli po zaključku zbiranja podatkov in izvedbi osnovnih analiz.

Bibliografija

Lee, K., Jie, L. J., Fonteneau, C., Berkovitch, L., Rahmati, M., Pan, L., Repovš, G., Krystal, J.H., Murray, J.D., & Anticevic, A. (2023). Human brain state dynamics reflect individual neuro-phenotypes. bioRxiv.

Matkovič, A., Anticevic, A., Murray, J. D., & Repovš, G. (2023). Static and dynamic fMRI-derived functional connectomes represent largely similar information. Network Neuroscience, 7(4), 1266-1301.

Matkovic, A., Murray, J. D., Anticevic, A., & Repovs, G. (2023). The contribution of diverse and stable functional connectivity edges to brain-behavior associations. bioRxiv, 2023-11.