Gehirnsignale sagen Aufmerksamkeit bei Kindern voraus und stellen sie wieder her

Das prädiktive Signaturmuster: Durch den Einsatz Aufzeichnungen entdeckten Forscher ein spezifisches Aktivitätsmuster neuronaler Signale, das Millisekunden vor einem Wechsel oder einer Verzögerung der Aufmerksamkeit eines Kindes auftritt.

Timing ist alles: Eine gezielte elektrische Stimulation, die exakt zum Zeitpunkt der Erkennung dieses Signals verabreicht wurde, ermöglichte es allen Kindern in der Studie, engagierter zu bleiben und Aufgaben schneller und genauer zu lösen. Eine Stimulation zu jedem anderen Zeitpunkt führte hingegen zu einer Verschlechterung der Leistung.

Präzise Schaltungstechnik: Die Studie identifizierte die neuronalen Netzwerke, die für die „Aufmerksamkeitsflexibilität" verantwortlich sind, und lieferte damit eine Grundlage für Präzisionsgesundheitsinterventionen, die mit aktuellen Medikamenten nicht erreicht werden können.

Technik und Auswirkungen

Nicht-invasiver Erfolg: Die Forscher konnten diese Ergebnisse bei typischerweise entwickelnden Kindern sowie bei Kindern mit ADHS unter Verwendung nicht-invasiver Methoden wie TMS-EEG erfolgreich replizieren.

Ein einzelner magnetischer Impuls am Zielbereich verbesserte sowohl die Reaktionszeit als auch die Genauigkeit, ohne dass implantierte Elektroden erforderlich waren.

Weltweit erster Ansatz: Dies markiert den ersten Fall, in dem ein geschlossener Regelkreis – also die Vorhersage einer Aufmerksamkeitslücke und die Echtzeit-Intervention – am Menschen, insbesondere in einer pädiatrischen Population, untersucht wurde.

Technik und Auswirkungen

In einem weltweit führenden Programm zur tiefen Hirnstimulation am Hospital for Sick Children (SickKids) haben Forscher ein Hirnsignal entdeckt, das vorhersagt, wann ein Kind kurz vor dem Verlust der Aufmerksamkeit steht – und gezeigt, dass eine kurze, gezielte Intervention in Reaktion auf dieses Signal die Aufmerksamkeit wiederherstellen kann.

Ihre Studie, die in Nature Neuroscience veröffentlicht wurde, stellt den ersten Ansatz zur Kontrolle der Aufmerksamkeit bei Menschen dar. „Kaum ein Aspekt der menschlichen Erfahrung ist so grundlegend wie die Aufmerksamkeit", sagt leitender Autor Dr.

George Ibrahim, Neurochirurg und Senior Scientist im Programm für Neurowissenschaften und mentale Gesundheit. „Sie prägt unsere Wahrnehmungen, Erinnerungen und Interaktionen, doch was geschieht, wenn sie beeinträchtigt ist?" Während Schwankungen der Aufmerksamkeit natürlich sind, können Störungen der „Aufmerksamkeitsflexibilität", die bei Jugendlichen mit Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) auftreten, negative verhaltensbezogene, psychosoziale und akademische haben.

Was die Studie zeigt

Heute eingesetzte Medikamente sind in ihrer Wirkung begrenzt, da bisher nicht genau bekannt war, wie Aufmerksamkeitslücken entstehen und welche neuronalen Netzwerke im Gehirn beteiligt sind. Eine einzigartige Studie liefert neue Einblicke in das Gehirn.

Die Studie begann zunächst mit einer Aufmerksamkeits-Umschalt-Aufgabe, die misst, wie sich die Aufmerksamkeit zwischen Reizen verschiebt, an einer Gruppe von 30 Kindern mit Epilepsie, einer Erkrankung, die das Risiko für ADHS erheblich erhöht.

Das Team führte intrakranielle Aufzeichnungen durch, bei denen Elektroden direkt aus der Tiefe des Gehirns Signale erfassen und so neuronale Aktivität in Millisekunden überwachen. Gleichzeitig nutzten sie maschinelle Lernmodelle, um Schwankungen der Aufmerksamkeit vorherzusagen – ein Weltrekord.

Technik und Auswirkungen

Mittels dieser Modelle identifizierten sie ein spezifisches Aktivitätsmuster im Gehirn, das bei allen Kindern über mehrere Tage hinweg langsame oder schnelle Umschaltungen der Aufmerksamkeit ankündigte. „Wir waren überrascht, ein Signal im Gehirn zu detektieren, das kurz vor jedem Verzögerung der Aufmerksamkeitsleistung jedes Kindes auftrat", sagt Dr.

Nebras Warsi, Erstautor und pädiatrischer Neurochirurg-Wissenschaftler am Ibrahim Lab. „Durch präzise elektrische Stimulation genau zu diesen Zeitpunkten blieb jedes Kind trotz schwieriger Aufgaben engagiert und erledigte diese schneller und genauer." Während verschiedener Aufgaben, die jeweils 20 bis dauerten, wurde die Leistung der Kinder mittels Eye-Tracking, Reaktionszeit und Genauigkeit überwacht, um Aufmerksamkeitslücken zu erkennen.

Die kurze elektrische Stimulation rettete die Aufmerksamkeit nur, wenn sie exakt zum richtigen Zeitpunkt verabreicht wurde; bei anderer Timing sank die Leistung der Teilnehmer. Die Untersuchung wurde nun auf weitere Kinder ausgeweitet. Können dieselben Ergebnisse auch bei Kindern ohne Epilepsie erwartet werden?

Technik und Auswirkungen

Um dies zu klären, setzten die Forscher nicht-invasive Magnetoenzephalographie-Bildgebung bei 37 typisch entwickelten Kindern und 25 Kindern mit ADHS ein. Indem sich die Forscher auf denselben Signalweg im Gehirn konzentrieren, können sie erneut Verzögerungen bei der Aufmerksamkeit vorhersagen.

Anschließend setzten sie nichtinvasive transkranielle Magnetstimulation-Elektroenzephalographie (TMS-EEG) ein und stellten fest, dass ein einzelner Impuls, der an dieses Zielareal abgegeben wurde, die Reaktionszeit und die Genauigkeit signifikant verbesserte.

Dies gelang mit einem einfachen EEG-Kappe und einer TMS-Spule, ohne dass intrakranielle Hirnelektroden erforderlich waren. Dies deutet auf langfristiges Potenzial für nichtinvasive Werkzeuge hin, die die Aufmerksamkeit genau dann unterstützen können, wenn sie am dringendsten benötigt wird.

Technischer Hintergrund

Obwohl sich diese Technologien noch in einem frühen Stadium befinden, sagt Ibrahim, dass dies einen vielversprechenden neuen Ansatz für das Verständnis örungen eröffnet und die Präzisionsgesundheit (Precision Child Health) am SickKids und weltweit vorantreiben kann, indem jedes Kind auf individuelle Weise unterstützt wird. „Viele Menschen forschen an neurologischen und neuropsychiatrischen Erkrankungen bei Erwachsenen, doch nur sehr wenige erweitern ihre Arbeit in die Pädiatrie", sagt Ibrahim, der zudem der Abe Bresver Chair in Functional Neurosurgery ist. „Wir müssen ethisch voranschreiten und mögliche Therapien für Kinder und Jugendliche entwickeln.

Um dies zu erreichen, müssen wir die neuronalen Schaltkreise verstehen.

Das Potenzial, das Leben so vieler Kinder zu verändern, ist." Förderung: Die Studie wird unterstützt durch die Canadian Institutes of Health Research (CIHR), Brain Canada über einen Azrieli Future Leader in Canadian Brain Research Award sowie den Abe Bresver Chair in Functional Neurosurgery am SickKids. Dr.

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Warsi wird gefördert durch die CIHR Vanier Scholarship, den James and Mari Rutka Surgeon-Scientist Award sowie die Edward Christie Stevens Fellowship in Medicine.

Zentrale Fragen beantwortet: A: Obwohl sich diese Technologien noch in einer frühen Entwicklungsphase befinden, deutet die Studie darauf hin, dass wir „Aufmerksamkeitsflexibilität" genau dann unterstützen können, wenn sie am dringendsten benötigt wird.

Es führt uns in Richtung einer präzisen Kindermedizin, bei der Interventionen auf die Echtzeit-Aktivität des Gehirns jedes einzelnen Kindes zugeschnitten werden. A: Aufmerksamkeit ist dynamisch. Die Studie ergab, dass das Gehirnssignatur genau vor einem Aufmerksamkeitsverlust auftritt.

Was die Studie zeigt

Eine Intervention in diesem exakten Mikromoment „rettet" die Aufmerksamkeit; eine Intervention zu zufälligen Zeitpunkten stört die natürliche Verarbeitung des Gehirns und verschlechtert die Leistung.

A: Der Erfolg nicht-invasiver TMS-EEG- und EEG-Kappen deutet auf ein langfristiges Potenzial für tragbare Werkzeuge hin, die den Fokus überwachen und unterstützen, ohne dass eine Operation notwendig ist.

Die Forscher betonen jedoch, dass weitere Arbeit erforderlich ist, um diese Schaltkreise in breiteren pädiatrischen Settings ethisch und wirksam zu verstehen. Redaktionelle Hinweise: Dieser Artikel wurde News bearbeitet. Zusätzlicher Kontext wurde ügt.

Technik und Auswirkungen

Zu dieser Forschungsnews über ADHS und Neurowissenschaften Autor: Jeff Jurmain Quelle: Hospital for Sick Children Kontakt: Jeff Jurmain – Hospital for Sick Children Bild: Das Bild wird Neuroscience News zugeschrieben Ursprüngliche Forschung: Zugangsbeschränkt. „Closed-loop stimulation modulates attention shifting in children", Simeon M.

Wong, Karim Mithani, Sebastian C. Coleman, Olivia N. Arski, Hrishikesh Suresh, Jürgen Germann, Alexandre Boutet, Lauren Erdman, Flavia Venetucci Gouveia, Barbara Berger, Tamas Minarik, Fa-Hsuan Lin, Hsin-Ju Lee, Benjamin R.

Morgan, Elizabeth Kerr, Mary Lou Smith, Ayako Ochi, Hiroshi Otsubo, Rohit Sharma, Carolina Gorodetsky, Puneet Jain, Shelly Weiss, Elizabeth J. Donner, Andres M. Lozano, O. Carter Snead, Sabine Kastner, Margot J. Taylor und George M. Ibrahim.

Technik und Auswirkungen

Nature Neuroscience DOI:10.1038/s41593-02294-0 Geschlossener-Loop-Stimulation moduliert das Umschalten der Aufmerksamkeit bei Kindern Spontane Schwankungen der Aufmerksamkeit können die Anpassung an veränderte Ziele und Umgebungen behindern.

Die endogene Kontrolle über Aufmerksamkeitsschalter, als Aufmerksamkeitsflexibilität bezeichnet, ist bei Kindern mit Aufmerksamkeitsdefizitstörungen anfällig für Störungen.

Hier untersuchten wir in vivo intrakranielle Aufzeichnungen bei Kindern mit Epilepsie, um ein reproduzierbares neurales Merkmal der Aufmerksamkeitskontrolle zu identifizieren, das aufkommende Ablenkungen in Echtzeit vorhersagen und verhindern könnte.

Technik und Auswirkungen

Maschinelle Lern-Klassifikatoren wurden auf intrakraniellen Signalen trainiert, während jedes Kind eine Aufgabe zum Umschalten des Aufmerksamkeitssets durchführte, und sagten Verzögerungen beim Umschalten der Aufmerksamkeit über mehrere Tage hinweg und in verschiedenen pädiatrischen Populationen voraus.

Intrakranielle elektrische Stimulation als Reaktion auf bevorstehende Verzögerungen rettete die Aufmerksamkeitsschalter, die durch Augenverfolgung, Reaktionszeit und Genauigkeit erfasst wurden.

Die simultane Elektroenzephalographie identifizierte entsprechende Kopfsignaturen, die eine nicht-invasive Modulation des Aufmerksamkeitswechsels bei gesunden Probanden ermöglichten. Diese Ergebnisse liefern Einblicke in die neurale Basis für eine gezielte Neuromodulation und exogene Aufmerksamkeitssteuerung.