Dokument: Computational Analysis of Multiscale Cortical Organization and Development

Titel:	Computational Analysis of Multiscale Cortical Organization and Development
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=72250
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260223-125115-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Saberi, Mohammadamin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,08 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.02.2026 / geändert 11.02.2026
Beitragende:	Prof. Dr. med. Eickhoff, Simon B. [Gutachter] Prof. Dr. Schilbach, Leonhard [Gutachter] Prof. Dr. Hilgetag, Claus [Gutachter]
Stichwörter:	Cerebral cortex; Multiscale organization; Neurodevelopment; Neuroimaging; Computational neuroscience
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	The cerebral cortex is organized at multiple scales, ranging from ion channels, to neuronal circuits organized across cortical layers, to the interconnected network of cortical areas. The structural and functional properties at these scales vary widely across cortical areas. This heterogeneous organization across different scales is the result of continuous refinement throughout the lifespan. Understanding the multiscale organization of the cerebral cortex and its maturation requires integrative computational approaches that bridge across scales. The goal of this work was to use advanced computational techniques to better understand how micro- and mesoscale cortical phenomena relate to macroscale cortical organization throughout development. Specifically, we examined cortical cytoarchitecture associated with corticocortical connectivity (Study 1), cortical microcircuitry inferred from functional dynamics and connectivity (Study 2), and cellular and molecular processes underlying cortical morphology (Study 3). In Study 1, we found that cortical laminar structure at the mesoscale varied along a principal axis extending from caudal to rostral areas, along which the relative thickness of deeper layers increased. This axis was co-aligned with the hierarchical organization of macroscale cortical connectivity. Furthermore, similarity of laminar structure was associated with the likelihood and strength of corticocortical connectivity, a phenomenon thought to have developmental roots. Next, in Study 2, we used an individualized computational modeling approach to infer the regional levels of excitation-inhibition balance in cortical microcircuits of developing adolescents based on their macroscale cortical connectivity and dynamics observed in resting-state functional imaging. To enable the large-scale simulations required for this approach, we developed a novel and efficient implementation of the simulations, released as a Python package, cuBNM. Using this approach, across two independent cross-sectional and longitudinal datasets, we found a widespread age-related decrease of excitation relative to inhibition within the association areas, paralleled by its increase or lack of change in sensorimotor areas. This developmental pattern was consistent with the previously proposed sensorimotor-association spatiotemporal pattern of neurodevelopment. Finally, in study 3, we examined the spatial co-localization between cortical maps of micro- and mesoscale neurobiological processes with cross-sectional and longitudinal spatiotemporal patterns of cortical thickness changes across the lifespan to understand which cellular and molecular processes may underlie maturation and lifespan changes in cortical morphology at the macroscale. Our results suggest that processes such as dopaminergic, glutamatergic, and cholinergic neurotransmitter systems, as well as glial cells, inhibitory neurons, and brain metabolism, may contribute to the maturation of cortical morphology. Overall, this work advances our understanding of multiscale cortical organization and its maturation while contributing to the development of computational tools for future research. By integrating micro-, meso-, and macroscale perspectives, our findings on normative cortical organization and maturation provide a foundation for investigating impaired cortical development in mental health disorders. Die Großhirnrinde ist auf mehreren Skalen organisiert – von Ionenkanälen über neuronale Schaltkreise, die sich in verschiedenen kortikalen Schichten anordnen, bis hin zu einem weitreichenden Netzwerk kortikaler Areale. Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften dieser Skalen variieren erheblich zwischen verschiedenen kortikalen Regionen. Diese heterogene Organisation über verschiedene Maßstäbe hinweg ist das Ergebnis einer kontinuierlichen Verfeinerung über die gesamte Lebensspanne. Ein umfassendes Verständnis der multiskaligen Organisation der Großhirnrinde und ihrer Entwicklung erfordert integrative und computergestützte Analysemethoden. Das Ziel dieser Arbeit war es, fortgeschrittene computergestützte Verfahren einzusetzen, um zu untersuchen, wie kortikale Phänomene auf der Mikro- und Mesoskala während der Entwicklung mit großräumiger kortikaler Organisation zusammenhängen. Insbesondere haben wir die kortikale Zytoarchitektur untersucht, die mit kortiko-kortikaler Konnektivität zusammenhängt (Studie 1), sowie kortikale Mikroschaltkreise, abgeleitet aus funktioneller Dynamik und Konnektivität (Studie 2), und zelluläre und molekulare Muster, die der kortikalen Morphologie zugrunde liegen (Studie 3). Unsere Analysen in Studie 1 zeigten, dass die Struktur kortikaler Schichten auf der Mesoskala entlang einer Hauptachse variierte, die sich von kaudalen zu rostralen Arealen erstreckte und entlang der die relative Dicke der tieferen Schichten zunahm. Diese Achse spiegelte auch die hierarchische Organisation kortikaler Konnektivität wieder. Darüber hinaus war die Ähnlichkeit kortikaler Schichten mit der Wahrscheinlichkeit und Stärke der kortiko-kortikalen Konnektivität assoziiert, vermutlich ein entwicklungsbasiertes Phänomen. In der zweiten Studie verwendeten wir als Nächstes einen individualisierten computergestützten Modellierungsansatz, um das Gleichgewicht zwischen neuronaler Exzitation und Inhibition in kortikalen Mikroschaltkreisen von Jugendlichen auf der Grundlage ihrer kortikalen Konnektivität und Dynamik, die in der funktionellen Bildgebung im Ruhezustand beobachtet wurden, zu erfassen. Um die für diesen Ansatz erforderlichen und aufwändigen Simulationen zu ermöglichen, haben wir ein neues und effizientes Simulationsverfahren implementiert, die als Python-Paket veröffentlicht wurde: cuBNM. Mithilfe dieses Ansatzes fanden wir in zwei unabhängigen Querschnitt- und Längsschnittdatensätzen eine weit verbreitete, entwicklungsbedingte Abnahme der Exzitation im Verhältnis zur Inhibition in Assoziationsarealen, die mit einer Zunahme oder Stabilität in den sensomotorischen Arealen einherging. Dieses Entwicklungsmuster stimmte mit bereits beschriebenen räumlich-zeitlichen Mustern der Hirnentwicklung in sensomotorischen und Assoziationsarealen überein. Schließlich untersuchten wir in Studie 3 die räumliche Ko-Lokalisation zwischen kortikalen Mustern mikro- und mesoskaliger neurobiologischer Prozesse mit räumlich-zeitlichen Querschnitts- und Längsschnittmustern kortikaler Dickenveränderungen über die Lebensspanne. Ziel war es zu verstehen, welche zellulären und molekularen Prozesse der Reifung und den Veränderungen der kortikalen Morphologie auf der Makroebene über die Lebensspanne zugrunde liegen könnten. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Prozesse wie dopaminerge, glutamaterge und cholinerge Neurotransmittersysteme sowie Gliazellen, inhibitorische Neuronen und der Hirnstoffwechsel zur Reifung der kortikalen Morphologie beitragen können. Insgesamt fördert diese Arbeit unser Verständnis der kortikalen Organisation und ihrer Entwicklung auf mehreren Skalen und trägt gleichzeitig zur Weiterentwicklung computergestützter Verfahren für die zukünftige Forschung bei. Durch die Integration von mikro-, meso- und makroskaligen Perspektiven bieten unsere Erkenntnisse über die normative kortikale Organisation und Reifung eine Grundlage für die Untersuchung der gestörten kortikalen Entwicklung bei psychischen Störungen.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät
Dokument erstellt am:	23.02.2026
Dateien geändert am:	23.02.2026
Promotionsantrag am:	28.04.2025
Datum der Promotion:	06.02.2026