Bernstein Partner

Öffentliche Bekanntmachung:	2006
Förderzeitraum:	2007 - 2010
Gesamtvolumen:	12,5 Mio. EURO
Vorhabenanzahl:	31

1. Ziele des Förderschwerpunktes

Mit der BMBF-Förderinitiative "Nationales Netzwerk Computational Neuroscience" und der Gründung der vier "Bernstein Zentren für Computational Neuroscience" ist es gelungen, die in Deutschland vorliegende, hervorragende Expertise in den experimentellen und theoretischen Neurowissenschaften in einer neuen Qualität zu bündeln, zu vernetzen und international sichtbar zu machen. Die Bernstein Partner sollen weitere Kapazitäten auf dem interdisziplinären Forschungsfeld der Computational Neuroscience in das Nationale Netzwerk einbinden sowie hervorragende experimentelle Kapazitäten an eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Theoretikern heranzuführen und so das bestehende Netzwerk zu verstärken.
Das BMBF fördert strukturelle Maßnahmen zur Weiterentwicklung, Zentrierung und Vernetzung der in Deutschland vorliegenden Kapazitäten im Bereich der experimentellen und theoretischen Neurowissenschaften. Das in Deutschland vorliegende Potenzial in den theoretischen und experimentellen Neurowissenschaften soll genutzt werden, um durch eine verstärkte Erarbeitung und Vernetzung neurowissenschaftlicher Kenntnisse neue Forschungsimpulse zu induzieren. Mit den Bernstein Gruppen sollen neue lokale Strukturkerne geschaffen werden, die das Spektrum der Forschungsansätze der Bernstein Zentren erweitern. In Bernstein Kooperationen zwischen Arbeitsgruppen innerhalb und außerhalb der Bernstein Zentren sollen insbesondere auch vorwiegend experimentelle Kapazitäten an eine Integration theoretischer Ansätze herangeführt werden.

2. Stand der Fördermaßnahme

Mit der Fördermaßnahme " Nationales Netzwerk Computational Neuroscience: Bernstein Partner" unterstützt das BMBF die experimentellen und theoretischen Neurowissenschaften in Deutschland und fördert seit 2007 fünf Bernstein Gruppen und 11 Bernstein Kooperationen. Das BMBF beabsichtigt, in den Jahren 2007 bis 20010 rund 12,5 Millionen Euro zur Verfügung zu stellen.

3. Geförderte Vorhaben

a) Kurzbeschreibungen der laufenden Vorhaben

Bernstein Gruppen

Detaillierte Modellierung der Signalverarbeitung in Neuronen

Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Interdisziplinäres Zentrum für Neurowissenschaften - Neurobiologie Im Neuenheimer Feld 368 69120 Heidelberg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Andreas Draguhn 06221 54-4057 01GQ0701 649.267 EUR 01.02.2007 - 30.09.2010

Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main Goethe-Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (G-CSC) Kettenhofweg 139 60325 Frankfurt am Main

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Gabriel Wittum 06221 54-8855 01GQ0803 422.066 EUR 01.10.2008 - 31.12.2010

Ziel ist die Erstellung detaillierter Modelle zur Simulation der Signalverarbeitung in Neuronen. Diese Modelle erlauben die quantitative Untersuchung des Zusammenspiels von intra- und interzellulären Mechanismen, ihrem Einfluß auf die Dynamik von Mikronetzen und auf die Enstehung epileptischer Krämpfe sowie subzelluäre und zelluläre Mechanismen der Plastizität. Die Modelle werden in interdiziplinärer Zusammenarbeit zwischen experimentellen Gruppen und Modellierern erarbeitet. Neben den neurowissenschaftlichen Zielen gehört auch die Entwicklung von neuartigen Methoden zur Rekonstruktion von Neuronen, Gittergenerierung und Simulation zu den Zielen. Arbeitsschritte sind 1. Entwicklung eines validierten Modells für die Signalverarbeitung in einer Einzelzelle, 2. Rekonstruktion der geometrischen Struktur von Neuronen. 3. Gittergenerierung, 4. Modellierung der Ca++-Signalisierung in der Zelle, 5. Simulation der Dynamik von Mikronetzen, die durch chemische und elektrische Synapsen gekoppelt sind. Direkt verwertbare Ergebnisse werden in der Analyse pharmakologischer Effekte und in der Entwicklung neuartiger Methoden und Software zur Bildverarbeitung, Gittererzeugung und Simulation erwartet.

Komponenten der Kognition: Von kleinen Netzwerken zu flexiblen Regeln

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fakultät für Naturwissenschaften Institut für Biologie Universitätsplatz 2 39106 Magdeburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Jochen Braun 039167-21801 01GQ0702 956.839 EUR 01.02.2007 - 31.01.2010

In vier verwandten Forschungsprojekten werden zelluläre Komponenten neuronalen Gewebes im ersten Schritt mit der Funktion kleiner Netzwerke und im zweiten Schritt mit einem zentralen Baustein kognitiver Funktion zu verbinden versucht. Auf der Ebene kleiner Netzwerke untersuchen zwei Projekte die Auswirkung spontaner Aktivität und homöostatischer Plastizität auf die Variabilität evozierter Antworten und auf die Fähigkeit zu assoziativem Lernen. Auf der Ebenen der kognitiven Funktion befassen sich zwei Projekte mit technischen Lösungen für die komplexen Mustererkennungsleistungen, die bei sozialen Interaktionen des Menschen gefordert sind (prosodische Signale, emotionale Gesichtsausdrücke), und mit den heuristischen Algorithmen, welche derartigen Leistungen des menschlichen Gehirns möglicherweise zugrundeliegen. Zur Anwendung kommen dabei Zellkulturen mit Multielektrodenarrays, die Simulation biologisch realistischer Nervennetze und die Hardware-Implementierung von Neuronen. Verwertungsmöglichkeiten der Forschungsergebnisse bestehen in neuen Ansätzen der Informationsverarbeitung (bioinspirierte und biokonvergente Systeme).

Modellbasierte, räumlich-zeitliche Systemanalyse der Neuromatrix des Schmerzes

Friedrich-Schiller-Universität Jena Klinikum Institut für Medizinische Statistik, Informatik und Dokumentation Bachstr. 18 07743 Jena

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Herbert Witte 03641 9-33133 01GQ0703 1.132.465 EUR 01.03.2007 - 28.02.2010

Die wissenschaftlichen Ziele liegen in der Erkennung und Quantifizierung zeitvarianter gerichteter Informationsübertragung zwischen interagierenden Hirnarealen bei der Schmerzverarbeitung auf Basis von Daten der funktionellen Magnet-Resonanz-Tomographie sowie der Elektro- und Magnetoenzephalographie. Die entsprechenden Experimente zielen dabei auf die Untersuchung der Neuromatrix des Schmerzes. Die wesentlichen methodischen Ziele liegen in der Entwicklung von neuen
- zeitvarianten, multivariaten und modellbasierten Methoden zur Analyse des gerichteten Informationstransfers
- Verfahren zur Analyse und Modellierung gekoppelter Oszillations- und Synchronisationsprozesse
- Verfahren für die Lösung des Vorwärts- und inversen Problems im Bioelektromagnetismus und zur dynamischen Quellenmodellierung
- Methoden zur Verbesserung von Diffusions-Tensor-Aufnahmen. Sie basieren auf experimentellen Studien an Normalpersonen und Patienten mit akuten und chronischen Schmerzsyndromen. Für die Methoden und experimentellen Aufbauten wird der "Proof of principle" erbracht. Neue Erkenntnisse werden neurowissenschaftliche Methoden verbessern und das Verständnis über diese Methoden voranbringen.

Funktionelle Adaptation des visuellen Kortex

Universität Bremen Fachbereich 01 Physik/Elektrotechnik Institut für Theoretische Physik Otto-Hahn-Allee 1 28359 Bremen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Klaus Pawelzik 0421 218 3645 01GQ0705 1.296.234 EUR 01.04.2007 - 30.04.2011

Ziel ist das Verständnis funktioneller Adaptation im Sehsystem, untersucht mit theoretischen und experimentellen Ansätzen und Konzepten der Neurowissenschaft: Das visuelle System passt sich dynamisch der Umwelt an, extrahiert Wichtiges aus der Flut der Reize und analysiert sie im Kontext. Die Dynamik und neuronale Mechanismen funktioneller Adaptation werden beschrieben, die Leistungen des Gehirns bzw. der Person werden im Modell reproduziert. Experimentelle Paradigmen werden auf theoretischen Vorgaben beruhen und Synergien zwischen Theorie und Experiment erzeugen. Verschiedene methodische Ansätze werden kombiniert, um übergreifende Modelle auszuwählen und Theorien zu entwickeln. Im bereits bestehenden Studiengang Neuroscience wird der Nachwuchsförderung dienen. Das verbesserte Verständnis neuronaler Adaptionsmechanismen wird die Basis für neue Algorithmen der Robotersteuerung und für künstliches Sehen bilden und zu Diagnose und Behandlung kognitiver Defizite beitragen.

Bernstein Kooperationen

Verbundprojekt: Neurovaskuläre Kopplung

Verbundprojekt: Informations-Kodierung

Verbundprojekt: Physiologie und Bildgebung

Verbundprojekt: Gedächtnis-Netzwerk

Verbundprojekt: Neuronale Synchronisation

Verbundprojekt: Bewegungsassoziierte Aktivierung

Verbundprojekt: Olfaktorische Kodierung

Verbundprojekt: Transkranielle Stimulation

Verbundprojekt: Netzwerk-Simulation

Verbundprojekt: Zeitliche Präzision

Verbundprojekt: Aktionspotenzial-Kodierung

Verbundprojekt: Neurovaskuläre Kopplung

Teilprojekt 2 

Technische Universität Berlin Fakultät IV Elektrotechnik und Informatik Institut für Softwaretechnik und Theoretische Informatik Franklinstr. 28/29, Sekr. FR 5-6 10587 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Klaus-Robert Mueller 030 6392 1860 01GQ0712 413.220 EUR 01.03.2007 - 31.12.2010

Ziel des Verbundes ist die Untersuchung der neurovaskulären Kopplung anhand von visuellen Stimulationsexperimenten an Makaken. Dazu sollen gleichzeitige Messungen der neuronalen Aktivität mittels intrakortikaler Elektroden und des Blutsauerstoffgehalts (BOLD) mittels funktionaler Magnetresonanz durchgeführt werden. Ziele sind die Entwicklung neuer Analysetechnologie und Datenanalysetechniken sowie ein besseres wissenschaftliches Verstaendnis der neurovaskulären Kopplung. In diesem Verbundprojekt sind dabei die neuro-theoretischen Ergebnisse der TU Berlin mit der experimentellen Exzellenz des MPI Tübingen kombiniert. Das beantragte Projekt umfasst drei Hauptbereiche: (1) Entwicklung eines Echtzeit-Aufnahme- und monitoringsystems, welchens online eine Artefaktbereinigung vornimmt und das neuronale mit dem BOLD-Signal auf einer gemeinsamen Plattform integriert. (2) Entwicklung und Analyse von theoretischen Modellen neurovaskulärer Kopplung und (3) Durchführung von Echtzeit-Feedback-Experimenten. Ein besseres Verständnis der neurovaskulaeren Kopplung hätte große Bedeutung für die Entwicklung von nichtinvasiven Diagnoseverfahren für neurodegenerative Krankheiten wie Alzheimer.

Verbundprojekt: Informations-Kodierung

Teilprojekt 1

Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Zoologisches Institut Weyertal 119 50931 Köln

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Martin Göpfert 0221 470-3102 01GQ0721 247.678 EUR 01.02.2007 - 30.04.2011

Sinnesorgane transformieren externe Eingangssignale in elektrische Ausgangssignale. Die zugrunde liegende Signalkaskade lässt sich im Ohr von Insekten anhand des sensorischen Eingangs (schallinduzierte Schwingungen) bzw. Ausgangs (schallevozierte Spike Trains) in vivo rekonstruieren. Diese beiden komplementären Ansätze werden kombiniert mit dem Ziel, den Beitrag dezidierter sensorischer Verarbeitungsschritte auf neuronale Präzision und Variabilität zu quantifizieren. Ausgangsbasierte Rekonstruktionsmethoden werden anhand eines physikalisch definierten Modells der Signalkaskade im Drosophila-Ohr getestet. Rekonstruktionsmethoden basierend auf Summenableitungen werden unter Verwendung des Modells und dessen biologischen Vorbilds etabliert. Durch Kombination ausgangs- und eingangsbasierter Rekonstruktionsmethoden wird der Einfluss sensorischer Mechanismen auf den sensorischen Ausgang am Beispiel des Drosophila-Ohrs quantifziert. Das Projekt verspricht detailierte Einblicke in die Funktion biologischer Sensoren und deren Analyse. Potentielle Applikationen liegen in den Bereichen Sensor-Entwicklung, Netzwerkanalyse, und diagnostisches Screening.

Teilprojekt 2

Humboldt-Universität zu Berlin Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I Institut für Biologie Invalidenstr. 43 10115 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Andreas Herz 030 2093-9103 01GQ0722 160.076 EUR 01.02.2007 - 31.01.2011

Die Analyse von durch Schallreize evozierten neuronalen Antworten in Heuschrecken hat neuartige Einblicke in die Dynamik und Signalverarbeitung von auditorischen Rezeptorzellen geliefert. Innerhalb von phänomenologischen Kaskadenmodellen wurden Methoden entwickelt, um die linearen Filter und Nichtlinearitäten derartiger Signalkaskaden allein aus der Kenntnis von Eingangsstimulus und Ausgangs-Spike-Train quantitativ zu bestimmen. Jetzt sollen die einzelnen Filter direkt bestimmt werden. Dies soll durch simultane Messungen des elektrischen Outputs und des mechanischen Inputs geschehen. Durch Arbeiten an Fliegen werden Signaturen von Transduktion, Adaptation und Verstärkung in der Mechanik des Schallempfängers aufgespürt. Mit ihnen wird ein detailliertes mechanistisches Modell aufgestellt. Das resultierende Modell wird anschließend dazu dienen, allgemeine Aspekte sensorischer Kodierung zu untersuchen, wie beispielsweise den Einfluss von Rückkopplungsschleifen und die spezifischen Beiträge einzelner Signalschritte zu Adaptation und Spike-Train Variabilität.

Verbundprojekt: Physiologie und Bildgebung

Gesamtziel des Verbundprojektes ist es, verschiedene Bildgebungsmodalitäten zu integrieren. Dazu werden die methodischen Grundlagen geschaffen, Daten verschiedener Bildgebungstechniken kompatibel zu machen. Die Methoden sollen dann tierexperimentell validiert werden.

Teilprojekt 1

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Medizinische Fakultät Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie Universitätsstr. 22 91054 Erlangen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

PD Dr. Andreas Hess 09131 85-22003 01GQ0731 387.929 EUR 01.02.2007 - 31.07.2010

In der modernen medizinischen Diagnostik werden Imaging-Techniken zunehmend häufiger eingesetzt. Sie bilden die präklinische Basis, um Struktur-Funktionszusammenhänge aufzuklären und Gehirnfunktionen besser zu verstehen. Jedoch erfüllen die einzelnen Techniken alleine nicht die Anforderungen, wie hohe räumlich-zeitliche Auflösung, Nicht-invasivität oder Darstellung des gesamten Gehirns in 3D. Daher stellen multimodale Imaging-Techniken und Geräte den nächsten logischen Entwicklungsschritt dar und haben sich teilweise schon als vorteilhaft erwiesen (MR/CT, PET/CT). Dieses Teilprojekt ist verantwortlich für die Realisierung der technischen Entwicklungen, um eine Integration der verschiedenen Messtechniken (ORIS, VSD und Ephys) im MR Scanner zu erreichen. Ferner ist es verantwortlich für die Validierung der in Studien zur Plastizität des Gehirns erreichten Ergebnisse über Chronifizierungsprozesse von Schmerzen in Tiermodellen.

Teilprojekt 2

Technische Universität Berlin Fakultät IV Elektrotechnik und Informatik Institut für Softwaretechnik und Theoretische Informatik FG Neuronale Informationsverarbeitung Franklinstr. 28/29, FR 2-1 10587 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Michael Sibila 030 314 26921 01GQ0732 497.480 EUR 01.02.2007 - 31.07.2010

Teilprojekt 2A entwickelt Methoden zur automatischen Vorverarbeitung, Segmentierung der MR-Daten sowie Registrierung der multimodalen Datensätze in ein dynamisches Referenzsystem. Teilprojekt 2B integriert fMRI-, ORIS- und Ephys-Daten in ein gemeinsames gewebespezifisches BOLD-Modell mit dem Ziel, die räumliche und zeitliche Interpretierbarkeit der fMRI-Daten zu erhöhen.

Teilprojekt 3

Leibniz-Institut für Neurobiologie (IfN) Brenneckestr. 6 39118 Magdeburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Frank W. Ohl 0391 6263-322 01GQ0733 295.992 EUR 01.02.2007 - 31.12.2010

Es wird vermutet, dass kognitive Aspekte (z. B. Konzeptbildung) und affektive Aspekte des Lernens (z. B. Motivation) mit bestimmten neuronalen Aktivitäten in zwei verschiedenen Hirnstrukturen, Cortex und Corpus striatum, assoziiert sind. Ziel ist die Etablierung von multimodalen Registrierverfahren für neuronale Aktivität zur Aufklärung der genauen Rolle dieser beiden Strukturen und ihrer neuronalen Interaktion bei motivationsgesteuertem Lernen. Es werden optische und elektrophysiologische Multikanal-Ableitungen verwendet, um die Interaktion von Cortex und Striatum im sich verhaltenden Subjekt zu untersuchen und um neuronale Daten mit physiologischen Daten über hämodynamische Aktivitäten in Beziehung setzen zu können. Dabei sollen innerhalb des Verbundes erarbeitete Konzepte zur Interpretation multimodaler Imaging-Daten validiert. Darüber hinaus werden neue Einsichten in die neuronalen Mechanismen motivationsgesteuerten Lernens erwartet, die zur Verbesserung von Lernverfahren sowie von therapeutischen Maßnahmen bei Lernschwächen verwendet werden können.

Verbundprojekt: Gedächtnis-Netzwerk

Im Rahmen des Gesamtprojekts sollen Technologien entwickelt werden, kombinierte Nervenzellaktivität zu messen (Tetrodenentwicklung). Diese Techniken soll in den Untersuchungen der Nervenzellaktivität des präfrontalen Kortex in Primaten zum Einsatz kommen.

Teilprojekt 1

Thomas RECORDING GmbH Winchester Str. 8 35394 Gießen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Uwe Thomas 0641 94414-0 01GQ0741 587.043 EUR 01.02.2007 - 31.12.2010

Entwickelt wird ein Suchalgorithmus für die optimale Positionierung der Tetrode relativ zu dem untersuchten Zellensemble um a) während des Einbringens der Elektrode die optimale Position zu finden und b) durch die automatisierte Feinpositionierung Stereoeffekte während der kontinuierlichen Signalableitungen zu maximieren. Der zweite Schwerpunkt liegt in der Umsetzung eines Mikrostimulationssystems, das von dem Echtzeitanalyse-System angesteuert werden soll. Zu Beginn der Projektarbeiten werden die technologischen Grundlagen für ein Echtzeit-Datenaufnahmesystem geschaffen. Hierauf basiert dann die Untersuchung der Verfahren für die automatische Positionierung und Nachregelung der Tetroden. Die Mikrostimulation mit vorgegebenen Stimulationsmustern wird danach umgesetzt. Hierauf folgt die Systemintegration mit der Verifikationsphase. Die Verwertung der Ergebnisse bei der Firma Thomas Recording wird in der Bereitstellung eines neuartigen Instruments für die Gehirnforschung und dessen klinischem Einsatz in der Neurochirurgie liegen.

Teilprojekt 2

Max-Planck-Institut für Hirnforschung Deutschordenstr. 46 60528 Frankfurt

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

PD Dr. Matthias H. J. Munk 06996769-268 01GQ0742 274.658 EUR 01.02.2007 - 31.12.2010

Neuronale Assemblies im Präfrontalkortex von nicht-humanen Primaten sollen quantitativ charakterisiert und durch raum-zeitlich strukturierte Mikrostimulation manipuliert werden, um eine kausale Beziehung zwischen den gemessenen Mustern präfrontaler Populationsaktivität und vom Gedächtnis abhängigen Verhalten des Versuchstieres zu etablieren. In vier Arbeitspaketen soll mithilfe eines adaptiven Positionierungssystems und einer Echtzeitanalyse von durch Spikesorting gewonnenen großen neuronalen Ensembles die verteilte Kodierungsleistung gemessen und dann durch raum-zeitlich strukturierte Mikrostimulation auf ihre Bedeutung für das Gesamtsystem überprüft werden. Die Vergleichsprüfung und Anwendung des Echtzeitsortieralgorithmus für Tetrodensignale (TP 3) sowie die Testung und Anwendung des Muster-Reizgenerators für die raum-zeitlich strukturierte Mikrostimulation (TP 1) wird qualitativ neue Experimente ermöglichen, durch die die Voraussetzungen geschaffen werden können, wesentlich komplexere Information als das Hervorrufen einfacher sensorischer Empfindungen in das kortikale Netzwerk einzuspeisen.

Teilprojekt 3

Technische Universität Berlin Fakultät IV Elektrotechnik und Informatik Institut für Softwaretechnik und Theoretische Informatik FG Neuronale Informationsverarbeitung Franklinstr. 28/29, FR 2-1 10587 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Klaus Obermayer 030 314-73120 01GQ0743 248.178 EUR 01.02.2007 - 31.12.2010

Es wird ein adaptives, online fähiges Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe extrazellulär durch Tetroden gemessene neuronale Aktionspotentiale schnell und robust detektiert und individuellen Neuronen zugeordnet werden können. Dazu wird zunächst eine optimale Multikanal-Filterung entwickelt, die Sequenzen von Aktionspotentialen unterschiedlicher Form in Sequenzen von möglichst scharfen Pulsen überführt. Diese wird vervollständigt durch Methoden für die Detektion der Pulse auf den gefilterten Sequenzen und die anschließende Sortierung der Pulse nach Nervenzellen. Letztere berücksichtigen den jeweils optimalen Filter, nutzen den Stereoeffekt der Tetroden aus und sind auf Grund der Filterung robust gegenüber Überlappungen von Spikes. Die optimalen Filter werden automatisch auf kurzen Datensequenzen geschätzt, und es werden "online" Sortierverfahren entwickelt, so dass die Methode echtzeitfähig ist. Die Verfahren sollen in ein vom Verbundkoordinator TRC (Gießen) zu erstellendes Gesamtsystem für Multi-Tetroden-Ableitungen integriert werden und im Anschluss an das Projekt kommerziell umgesetzt werden.

Verbundprojekt: Neuronale Synchronisation

Teilprojekt GABAerge Mechanismen der Initiierung und Aufrechterhaltung epileptischer Aktivität

Universität Rostock Medizinische Fakultät Universitätsklinikum Institut für Physiologie Gertrudenstr. 9 18057 Rostock

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Rüdiger Köhling 0381 494-8000 01GQ0751 244.318 EUR 01.03.2007 - 31.07.2010

In diesem Teilprojekt werden die Rolle von Interneuronen bei epileptischer Aktivität und ihr modulatorischer Einfluß auf die Netzwerkerregbarkeit analysiert. Diese Daten werden zur Modellierung eines neuronalen Netzwerkes genutzt, das ein umfassendes Netzwerkmodell interneuronaler Funktionen bei Epilepsie bieten wird. Zunächst wird mit elektrophysiologischen und pharmakologischen Methoden eine umfassende Analyse der funktionellen Netzwerkeinbindung von Interneuronen bei epileptischer Aktivität erstellt. Hierbei werden akute und chronische Epilepsiemodelle verglichen und so auch Langzeitveränderungen bei einer Chronifizierung der Erkrankung erfaßt. Diese Daten fließen in Modellberechnungen der Netzwerkaktivität im Rahmen der Teilprojekte ein. Die dabei entstehenden Vorhersagen der interneuronalen Aktivität werden getestet, um ein realitätsnahes Modell zu erarbeiten. Das Teilprojekt wird neue Erkenntnisse über die Funktionen von Interneuronen bei Epilepsie liefern und bildet die Basis eines umfassenden Netzwerkmodells, das neue therapeutische Ansätze für interneuronale Modulation liefern soll.

Teilprojekte Elektrophysiologische Charakterisierung und Modellierung

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Universitätsklinikum Neurozentrum - Epilepsiezentrum Breisacher Str. 64 79106 Freiburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Dr. Stefan Hefft 0761 270-5391 01GQ0752 511.755 EUR 01.03.2007 - 31.12.2010

Im Teilprojekt 2 werden mit Hilfe von technisch hochwertigen Paarableitungen die grundlegenden elektrophysiologischen Parameter der Interneurone und deren synaptischen Verbindungen im humanen Schnittpräparat gemessen. Hierbei wird die immunohistochemische Identität der jeweiligs gemessenen Zelltypen nach den Ableitungen durch spezifische Färbungen festgestellt. Im Teilprojekt 3 werden die gemessenen Parameter in verschiedene Netzwerkmodelle eingebracht, um abnormale epileptogene Aktivität zu simulieren. Diesen Modellierungen werden die Daten von Teilprojekt 1 (Epilepsiemodelle) einfließen. Die Teilprojekte 2 und 3 werden neue Erkenntnisse über die Rolle der Interneurone bei epileptogener Aktivität beim Menschen erbringen. Dies wird langfristig neue therapeutische Möglichkeiten eröffnen.

Verbundprojekt: Bewegungsassoziierte Aktivierung

Dekodierung bewegungsassoziierter Gehirnsignale, Gehirn- und Maschinenlernen

Eberhard-Karls-Universität Tübingen Universitätsklinikum MEG Zentrum Otfried-Müller-Str. 47 72076 Tübingen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

PD Dr. Christoph Braun 07071 29-87705 01GQ0761 397.394 EUR 01.03.2007 - 31.12.2010

Die Steuerung von Geräten mit der Aktivität des Gehirns ist bisher langsam und störanfällig. Ziel ist es, Gehirn-Computerschnittstellen (BCI) zu verbessern. Dazu werden adaptive Algorithmen zur Dekodierung von Hirnsignalen entwickelt, die sich kontinuierlich an variierende Aktivierungszustände des BCI-Anwenders anpassen. Weiterhin werden Strategien entwickelt, mit denen BCI-Nutzer lernen, gut differenzierbare Hirnaktivitätsmuster zu generieren. Während die Freiburger Gruppe an der Verbesserung der Algorithmen arbeitet (machine learning), werden in Tübingen optimale Trainingsverfahren (brain learning) entwickelt. Die Algorithmen und Strategien werden an einer motorischen Aufgabe erprobt, bei der Probanden eine Handbewegung ausführen, deren Richtung unmittelbar aus der Hirnaktivität dekodiert wird. Die Ergebnisse sind für die Weiterentwicklung von BCI-Systemen von größter Bedeutung, da sie den Bau besserer Systeme ermöglichen. Künftige Kooperationen mit Einrichtungen aus dem Bereich der Neuroprothetik zielen auf die Entwicklung von BCI, die Schlaganfallpatienten die Wiederbenutzung gelähmter Extremitäten ermöglichen soll.

Verbundprojekt: Olfaktorische Kodierung

Integration von Ansätzen aus der experimentellen Neurobiologie und der theoretischen Neurobiologie

Universität Konstanz Mathematisch-Naturwissenschaftliche Sektion Fachbereich Biologie Universitätsstr. 78464 Konstanz

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Giovanni Galizia 07531 882238 01GQ0771 382.626 EUR 01.03.2007 - 31.08.2010

Die Duftkodierung muss in Tieren mehrere Aufgaben erfüllen: Einerseits müssen Düfte genau identifiziert werden, um Duftquellen zuverlässig wieder erkennen zu können. Andererseits muss die Identität eines Duftes ausreichend flexibil bewertet werden, damit natürliche Veränderungen der Düfte berücksichtigt werden können. Im Projekt wird die theoretische Kapazität des olfaktorischen Systems quantitativ erörtert. Dazu werden experimentelle und theoretische Ansätze kombiniert, um die Gehirnleistungen bei der Duftverarbeitung zu verstehen. In experimentellen Ansätzen werden duftevozierte Aktivitätsmuster im Gehirn von Honigbienen mit Imaging-Methoden in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung aufgenommen. Erwartet wird, dass die Daten erstmals ermöglichen, ein komplexes olfaktorisches System über seine informationstragenden Kanäle (den Glomeruli) charakterisieren zu können. Extrapolationen aus diesen Modellen und die Analyse der Kapazitätsgrenzen werden neue Sichtweisen auf die Funktionsweise des Gehirns bei der Informationsverarbeitung erzeugen und einen neuen Blick auf die Arbeitsweise des Gehirns erlauben.

Die Pilzkörper der Honigbiene

Freie Universität Berlin Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie Institut für Biologie - Neurobiologie Königin-Luise-Str. 28/30 14195 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Randolf Menzel 030 838-53930 01GQ0772 424.005 EUR 01.03.2007 - 28.02.2011

Das olfaktorische System der Insekten ist ein ideales Modell, um natürliche neuronale Netze in ihrer Vollständigkeit - von der sensorischen Kodierung bis zur Kontrolle des Verhaltens - zu verstehen. Die modulare Struktur der Verarbeitungsstufen reicht von den Sinneszellen über die Glomeruli in den Antennalloben zu den Mikroschaltkreisen in den Pilzkörpern. Diese Struktur ist für theoretische Modelle besonders interessant, wenn realistische Simulationen der Gehirnaktivität gesucht werden. Im experimentellen Teil werden Einzelneurone im Antennallobus und in den Pilzkörpern elektrophysiologisch und optophysiologisch charakterisiert und ihre morphologischen Verzweigungen mikroskopisch vermessen. Auf dieser Grundlage werden Modelle des olfaktorischen Systems entwickelt. Diese detailreichen Modelle werden es ermöglichen, die Kodierung von Duftidentität und Duftkonzentration entlang der verschiedenen Stufen der Duftverarbeitung zu verfolgen sowie die Veränderungen, die durch Lernen hervorgerufen werden, zu erfassen. Erwartet wird, dass die Erkenntnisse allgemeine Prinzipien der olfaktorischen Kodierung aufdecken werden, die auch auf den Menschen übertragbar sind.

Verbundprojekt: Transkranielle Stimulation

Transkranielle Wechsel- und Rauschstromstimulation 

Georg-August-Universität Göttingen Bereich Humanmedizin Zentrum Neurologische Medizin Abt. Neurologie Robert-Koch-Str. 40 37075 Göttingen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Walter Paulus 0551 39-6650 01GQ0782 221.971 EUR 01.03.2007 - 30.09.2010

Beabsichtigt sind die Erweiterung des transkraniellen Stimulationsspektrums zwischen kurzen repetitiven Impulsen durch transkranielle Magnetstimulation einerseits und transkranieller Gleichstromstimulation andererseits und transkranielle Wechselstromstimulation und Rauschstimulation sowie multifokale Stimulation. Die Techniken werden zielgerichtet und auf einzelne neurologische Erkrankungen ausgerichtet optimiert auf der Basis eines realistischen Kopfmodells. Die Effekte werden durch transkranielle Magnetstimulation am Motorkortex, durch EEG-Untersuchungen und durch fMRI quantifiziert, letzteres nach Entwicklung neuer Stimulatoren und Lösung der Sicherheitsprobleme durch den Kooperationspartner NeuroConn GmbH. Die Stimulationstechniken sollen Eingang finden in die neurowissenschaftliche Forschung und langfristig auch in Patientenbehandlungen.

Verbundprojekt: Zeitliche Präzision

Experimentelle Untersuchung der Eigenschaften von Verzögerungsstrecken

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften Institut für Biologie II Kopernikusstr. 16 52074 Aachen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Hermann Wagner 0241 80-24835 01GQ07101 256.584 EUR 01.04.2007 - 31.07.2010

Verbundprojekt: Aktionspotenzial-Kodierung

Visuelle Funktionen und kortikale Plastizität

Friedrich-Schiller-Universität Jena Institut für Allgemeine Zoologie und Tierphysiologie Erbertstr. 1 07743 Jena

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Siegrid Löwel 03641 949131 01GQ07111 273.794 EUR 01.04.2007 - 31.12.2010

Initiation und Enkodierung der Aktionspotential-Kodierung im visuellen Kortex

Ruhr-Universität Bochum Institut für Physiologie Universitätsstr. 150 44801 Bochum

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

PD Dr. Maxim Volgushev 0234 32-25226 01GQ07112 271.176 EUR 01.04.2007 - 31.12.2010

Simulation der Entwicklung der Aktionspotential-Kodierung und deren Einfluss auf die neuronale Plastizität im visuellen Kortex

Max-Planck-Gesellschaft (MPG) vertreten durch das Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation Bunsenstr. 10 37073 Göttingen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Fred Wolf 0551 5176-423 01GQ07113 210.401 EUR 01.04.2007 - 31.12.2010

Das Ziel der Kooperation ist eine umfassende Analyse der Bedeutung sich verändernder Aktionspotential(AP)kodierung für das Ausmaß erfahrungsabhängiger Plastizität kortikaler Schaltkreise. Geprüft wird die Hypothese, ob eine modifizierte AP-Dynamik die Plastizität in der Sehrinde verändern oder den Zeitverlauf der kritischen Phase der Plastizität beeinflussen kann und damit einen wichtigen, aber bis heute praktisch uncharakterisierten Mechanismus der Entwicklung kortikaler Netzwerke darstellt. Das Projekt wird diese Fragen durch Kombination eines breiten Spektrums experimenteller und theoretischer Ansätze klären. In Jena werden in vivo optische Ableitungen kotikaler Plastizität sowie Verhaltensmessungen von Sehleistungen durchgeführt. In Bochum sollen elektrophysiologische Analysen der Dynamik und Kodierung von AP in vitro durchgeführt werden. In Göttingen wird die Konstruktion phänomenologischer und biophysikalischer Modelle der Kodierung von AP und ihre Bedeutung für synaptische Plastizität untersucht. Die Kooperation wird somit kürzlich entwickelte theoretische Methoden in experimentelle Projekte integrieren und versuchen, die erarbeiteten Konzepte für Diagnostik und Therapie von Störungen des zentralen Nervensystems nutzbar zu machen.