Bernstein Fokus "Neuronale Grundlagen des Lernens"

 

Öffentliche Bekanntmachung:	2008
Förderzeitraum:	2009 - 2014
Gesamtvolumen:	16,5 Mio. EUR
Anzahl an Vorhaben:	24    (8 Verbünde)

 

Verbundprojekt „Plastizität der zeitlichen Eigenschaften neuronaler Aktivität“

Verbundprojekt „Zustandsabhängigkeit des Lernens“

Verbundprojekt „Variable Töne: Neuronale Mechanismen des Lernens motorischer Sequenzen“

Verbundprojekt „Lernen von Verhaltensmodellen: Vom Experiment am Menschen zu technischen Assistenzsystemen“

Verbundprojekt „Insekten inspirieren Roboter: Über die Rolle von Gedächtnis bei der Entscheidungsfindung“

Verbundprojekt „Untersuchung der Mechanismen flüchtiger Gedächtnisspuren durch klassische Konditionierung zeitlich disjunkter Stimuli“

Verbundprojekt „Lernen und kortikale Plastizität im Sehsystem: Kortikale Lernmechanismen und ihre Wiederherstellung nach Schlaganfall“

Verbundprojekt „Neurocomputationale Modelle zum Verständnis komplexen Lernens über die Lebensspanne“

1. Ziele des Förderschwerpunktes

Die modernen Neurowissenschaften können auf den Gebieten Biomedizinische Forschung, Informationstechnologien und Bildung substantielle Beiträge zur erfolgreichen Bewältigung zukünftiger gesellschaftlicher Herausforderungen leisten. Die Fortschritte bei der Aufklärung grundlegender neuronaler Prozesse erlauben es zunehmend, neurobiologische und informationstheoretische Prinzipien für innovative Lösungsansätze in technologischen Anwendungsbereichen (z. B. Informationstechnologie, Robotik) nutzbar zu machen. Dabei stellt insbesondere das Lernen eine zentrale und charakteristische Eigenschaft des Gehirns dar, von der erhebliche Impulse für technische Anwendungen abgeleitet werden können. Daher ist eine zentrale Fragestellung für die Neurowissenschaften wie auch für technologische Anwendungsbereiche die nach den grundlegenden neuronalen Mechanismen des Lernens.
Die Fördermaßnahme „Bernstein Fokus: Neuronale Grundlagen des Lernens“ fokussiert auf die Aufklärung der neuronalen Grundlagen des Lernens und die Nutzung der erzielten Ergebnisse. Dabei soll der konzeptionelle Ansatz der Computational Neuroscience zur Anwendung kommen, der sich durch eine enge interdisziplinäre Kooperation aus experimenteller und theoretischer Analyse auszeichnet.

2. Stand der Fördermaßnahme

Die im Rahmen der Fördermaßnahme „Bernstein-Fokus: Neuronale Grundlagen des Lernens“ geförderten Verbünde haben im Jahr 2009 ihre Arbeit aufgenommen. Das BMBF beabsichtigt, während der fünfjährigen Laufzeit (2009 - 2014) insgesamt rund 16,5 Millionen Euro zur Verfügung zu stellen. Der „Bernstein Fokus: Neuronale Grundlagen des Lernens“ ist Bestandteil des Nationalen Netzwerks Computational Neuroscience (NNCN).

3. Geförderte Vorhaben

a) Kurzbeschreibungen der laufenden Vorhaben

Verbundprojekt „Plastizität der zeitlichen Eigenschaften neuronaler Aktivität“

Neuere theoretische Studien zum Diskriminationslernen haben gezeigt, dass besonders die Ausnutzung zeitlicher Aspekte neuronaler Aktivität wichtig für einen guten Lernerfolg ist. Dies zeigt einen möglichen direkten Zusammenhang zwischen einer kognitiven Leistung und der biophysikalischen Dynamik der neuronalen Schaltkreise auf. Dynamische Eigenschaften können aber nicht nur das Lernen unterstützen, sie selbst sind plastisch und verändern sich während des Lernens. Dadurch entsteht eine dynamische Metaplastizität des Lernens, die eine erfahrungsabhängige Verbesserung des Diskriminationslernens bewirken kann. In diesem Projekt sollen oben genannte Ansätze am Beispiel des auditorischen Mittelhirns (Colliculus inferior, IC) von Säugern überprüft werden.

Teilprojekte 1, 2 und 3

Ludwig-Maximilians-Universität München Fakultät für Biologie Department Biologie II Großhaderner Str. 2 82152 Planegg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Christian Leibold 0892180 74802 01GQ0981 916.700 EUR 01.06.2009 - 31.05.2014

An der Ludwig-Maximilians-Universität München sind drei Teilprojekte angesiedelt. Übergreifendes Ziel sind dabei die Beschreibung und das funktionale Verständnis von Veränderungen dynamischer neuronaler Phänomene, die dem Erlernen auditorischer Diskriminationsleistungen zugrunde liegen. Spezifischere Ziele sind: 1) die (physiologische) Entschlüsselung der intrinsischen Verschaltung des IC; 2) die Messung und Beschreibung der Veränderung der Feuermuster im IC in vivo, nachdem die Versuchstiere einem Lern-Paradigma ausgesetzt waren; 3) Die Messung und Beschreibung der synaptischen Physiologie der intrinsischen Verschaltung des IC und 4) die Modellierung des Diskriminationslernens im IC und die Evaluation des Modells mittels Computersimulationen.

Verbundprojekt „Zustandsabhängigkeit des Lernens“

Unter biologischem Lernen wird die Fähigkeit von Nervensystemen verstanden, sich an veränderte innere und äußere Zustände anzupassen. Vorherige Erfahrungen beeinflussen die intrinsische neuronale Aktivität und bilden somit den Kontext, in dem Lernen stattfindet. Untersucht wird in diesem Projekt das Zusammenspiel von Lernen mit unterschiedlichen Gehirnzuständen und neuronalen Rhythmen. Ziel ist es, Mechanismen und theoretische Grundlagen des Lernens zu identifizieren und für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze zu nutzen. Die Arbeiten umfassen dazu ein weites Spektrum experimenteller und theoretischer Arbeiten an Tiermodellen und am Menschen von der hippocampalen Einzelzelle bis zu komplexen kortikalen Netzwerken.

Teilprojekt 7

Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Stephanstr. 1 a 04103 Leipzig

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

PD Dr. Burkhard Pleger 0341 9940-135 01GQ0975 275.340 EUR 01.09.2009 - 31.08.2014

Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig werden perzeptuelles Lernen durch aktives Training und dessen Wechselwirkungen mit intrinsischer neuronaler Aktivität auf systemischer Ebene untersucht.

Teilprojekt 5

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

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Hubert Dinse 0234 3225565 01GQ0974 315.848 EUR 01.09.2009 - 31.08.2014

An der Ruhr-Universität Bochum werden auf makroskopischem systemischem Niveau Interferenzen zwischen im EEG reflektierten Gehirnzuständen und Lernen untersucht.

Teilprojekt 4

Universitätsklinikum Schleswig-Holstein Campus Lübeck - Institut für Neuroendokrinologie Ratzeburger Allee 160 23562 Lübeck

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Jan Born 0451 500-3641 01GQ0973 381.248 EUR 01.09.2009 - 31.08.2014

An der Universität zu Lübeck wird der Informationstransfer zwischen Hippocampus und Neocortex während der Konsolidierung von Gedächtnisinhalten im Schlaf mittels intrakranieller Aufnahmen an Ratten und bei Patienten mit Epilepsie untersucht.

Teilprojekte 2 und 3

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

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Susanne Schreiber 030 20938652 01GQ0972 757.177 EUR 01.09.2009 - 31.08.2014

An der Humboldt-Universität zu Berlin werden ebenfalls zwei Teilprojekte durchgeführt. Das erste analysiert das Zusammenspiel von Oszillationen des zellulären Membranpotenzials mit intrinsischer Plastizität anhand experimenteller Daten und theoretischer Modelle. Das andere Teilprojekt setzt Theta-Rhythmen und dendritische Aktivität von hippocampalen Neuronen bei wachen und agierenden Tieren direkt mit dem Verhalten der Tiere in Beziehung.

Teilprojekte 1 und 6

Charité - Universitätsmedizin Berlin Campus Charité Mitte Klinik und Poliklinik für Neurologie Charitéplatz 1 10117 Berlin

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Petra Ritter 030 450560005 01GQ0971 777.600 EUR 01.09.2009 - 31.08.2014

An der Charité – Universitätsmedizin Berlin sind zwei Teilprojekte angesiedelt. Zum einen wird hier auf dem Niveau einzelner Zellen die Beziehung zwischen hippokampalen Theta-Rhythmen und sogenannten „Sharp Wave Ripples“ (SPW-R) untersucht, die eine wichtige Rolle für Gedächtniskonsolidierung spielen. Weiterhin wird mittels simultaner EEG- und fMRT-Aufnahmen beim Menschen der Einfluss verschiedener EEG-Signaturen auf Verhaltensänderungen bei passivem perzeptuellem Lernen auf makroskopischer Ebene untersucht.

Verbundprojekt „Variable Töne: Neuronale Mechanismen des Lernens motorischer Sequenzen“

Kognitive Leistungsfähigkeit hängt unmittelbar von der Fähigkeit ab, ständig dazuzulernen. Dabei bestehen Lerninhalte nicht nur aus Faktenwissen, sondern häufig auch aus einer Vielfalt von Bewegungsroutinen. Das Ziel des Verbundprojektes „Variable Töne: Neuronale Mechanismen des Lernens motorischer Sequenzen“ ist es, zu prüfen, ob ein spezialisiertes Projektionssystem aus Basalganglien, Thalamus und Pallium kontrollierte Variabilitäten in gelernten Handlungssequenzen erzeugt, um auf diese Weise schnell optimale Bewegungsparameter zu identifizieren. Dabei sollen kritische Vorhersagen mit verhaltensphysiologischen, neuroethologischen, genetischen, pharmakologischen, physiologischen, bildgebungsbasierten und psychophysischen Ansätze in verschiedenen Modellsystemen getestet werden.

Teilprojekt 5

Universität Bremen Fachbereich 01 Physik/Elektrotechnik Institut für Theoretische Physik Hochschulring 18 28359 Bremen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Klaus Pawelzik 0421 218-62001 01GQ0964 306.500 EUR 01.06.2009 - 31.05.2014

Das Ziel des Vorhabens an der Universität Bremen ist die Entwicklung, die Analyse und das Testen von theoretischen Modellen, die das Motorsequenzlernen von Singvögeln, Tauben und Menschen erklären können. Hierbei wird untersucht, wie Fluktuationen zur Verbesserung von Lernen gegebener Verhaltenssequenzen verwendet werden können. Die hieraus resultierenden Auswirkungen auf das Lernen von Verhaltenssequenzen sollen speziesübergreifend untersucht werden. Schließlich werden in enger Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern die experimentell erarbeiteten quantitativen Ergebnisse integriert und in einem Computermodell nachgebildet.

Teilprojekte 3 und 4

Ruhr-Universität Bochum Fakultät für Psychologie Institut für kognitive Neurowissenschaft Universitätsstr. 150 44801 Bochum

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Onur Güntürkün 0234 322-6213 01GQ0963 1.078.311 EUR 01.06.2009 - 31.05.2014

An der Ruhr-Universität Bochum sind zwei Teilprojekte angesiedelt. Zum einen wird hier die Rolle der Basalganglien-Vorderhirn-Schleife bei Tauben im Rahmen einer visuomotorischen Aufgabe untersucht. Dabei sollen in sechs Experimentreihen die Einzelkomponenten dieser Schleife sowie die Wirkung der dopaminergen Rückprojektion getestet werden. Zum anderen wird die Rolle der Variabilität im Bereich des sensomotorischen Lernens beim Menschen untersucht. Mit einer Serie experimenteller Paradigmen soll die kortikale Exzitabilität im motorischen und sensorischen System manipuliert werden, um deren Wirkung auf den Lernerfolg sowohl im Verhalten als auch durch die funktionelle Magnetresonanztomographie zu überprüfen.

Teilprojekt 2

Carl von Ossietzky Universität Oldenburg Fakultät V Institut für Biologie und Umweltwissenschaften AG Neurosensorik Ammerländer Heerstr. 114-116 26129 Oldenburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Henrik Mouritsen 0441 798-3081 01GQ0962 439.375 EUR 01.06.2009 - 31.05.2014

Das Vorhaben der Universität Oldenburg untersucht die Prinzipien der kontrollierten Variabilität beim Erlernen des Sternenkompass in Singvögeln. In einer Serie von Experimenten soll getestet werden, ob die Basalganglien-Vorderhirn-Schleife, die beim Gesangserwerb relevant ist, auch für diesen deutlich anderen Lernprozess eine Rolle spielt.

Teilprojekt 1

Freie Universität Berlin Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie Institut für Biologie - Verhaltensbiologie Takustr. 6 14195 Berlin

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Constance Scharff 030 838-53841 01GQ0961 485.950 EUR 01.06.2009 - 31.05.2014

Im Vorhaben an der Freien Universität Berlin wird zunächst die Funktion der Variabilität beim Gesangserwerb von Zebrafinken getestet. Anschließend wird die Rolle der dopaminergen Belohnung für die Funktion der Gesangsstabilisierung untersucht. Im dritten Schritt wird mit Hilfe der RNS-Interferenztechnik, mit der Gene in Zellen selektiv abgeschaltet werden können, die Rolle der dopaminergen Projektion auf die Aktivierung des FoxP2-Gens untersucht. FoxP2 spielt bei Menschen eine wichtige Rolle im Spracherwerb, wird bei Zebrafinken im Gesangssystem aktiv und reguliert dort die Variabilität des Gesangs.

Verbundprojekt „Lernen von Verhaltensmodellen: Vom Experiment am Menschen zu technischen Assistenzsystemen“

Im Verbundvorhaben „Lernen von Verhaltensmodellen: Vom Experiment am Menschen zu technischen Assistenzsystemen“ wird untersucht, wie Menschen und Roboter zielgerichtete Verhaltensweisen in natürlichen Umgebungen lernen. Lernen ist ein grundlegendes Konzept auf verschiedensten Zeitskalen und Ebenen sowohl unseres Nervensystems als auch künstlicher Systeme. Im vorliegenden Verbund werden diese unterschiedlichen Zeitskalen des Lernens beim Menschen untersucht und für die Integration in künstliche Systeme nutzbar gemacht. Ziel ist die Entwicklung theoretischer Konzepte, die es erlauben, sowohl die Organisation der menschlichen Bewegung und der zu Grunde liegenden Szenenrepräsentationen zu verstehen als auch menschenähnliches Bewegungsverhalten technisch umzusetzen. Dazu werden auf innovative Weise Methoden menschlicher Verhaltensexperimente, computergestützter Datenanalyse, künstlicher Intelligenz, Steuerungsarchitekturen für Roboter und technischer Assistenzsysteme miteinander kombiniert.

Teilprojekt 5

NISYS GmbH Universitätsstr. 142 44799 Bochum

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Johann Edelbrunner 0234 97832-32 01GQ0952 362.488 EUR 01.08.2009 - 31.07.2014

Das Vorhaben der NISYS GmbH, Bochum hat den Entwurf, die Simulation und die Evaluierung moderner Fahrassistenzsysteme zum Ziel. Die Grundlage dafür liefern Algorithmen des Maschinenlernens, mit deren Hilfe zunächst Modelle auf der Basis realer Fahrerdaten im Computer „gelernt“ werden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Neuroinformatik der Ruhr-Universität Bochum werden dazu evolutionäre Lernstrategien entwickelt, um aus den erhobenen Daten Parameter zu bestimmen, mit denen das beobachtete - menschliche - Verhalten in generalisierter Form in technischen Anwendungen reproduziert werden kann. Die Datenbasis dazu wird in Experimenten sowohl mit dem interaktiven NISYS-Verkehrssimulator als auch mit realen Fahrzeugen erhoben.

Teilprojekte 1, 2, 3, 4 und 6

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

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Gregor Schöner 0234 3225567 01GQ0951 1.698.890 EUR 01.08.2009 - 31.07.2014

An der Ruhr-Universität Bochum sind mehrere Teilprojekte angesiedelt. Es werden menschliche Verhaltensexperimente durchgeführt, die die empirische Grundlage der untersuchten Lernprozesse bilden. Im Mittelpunkt der theoretischen Arbeit steht die Computermodellierung des beobachteten Verhaltens. Zentrale Elemente sind dabei das Lernen und Erzeugen von Bewegungssequenzen sowie das Erkennen von Objekten und die Orientierung im Raum. Die aus unterschiedlichen Ansätzen heraus entwickelten Modelle und Lernprinzipien werden genutzt, um in der Servicerobotik adaptive, menschenähnliche Bewegungsplanung zu realisieren und dadurch die Mensch-Maschine-Interaktion zu verbessern.

Verbundprojekt „Insekten inspirieren Roboter: Über die Rolle von Gedächtnis bei der Entscheidungsfindung“

Im Verbundvorhaben „Insekten inspirieren Roboter: Über die Rolle von Gedächtnis bei der Entscheidungsfindung“ werden die Mechanismen des Lernens, der Gedächtnisbildung und der Entscheidungsfindung auf neuronaler und theoretischer Ebene untersucht. Ziel ist es, einen Roboter mit einer von biologischen Mechanismen abgeleiteten Steuerungsarchitektur auszustatten. Diese Architektur erlaubt es, auf der Basis geringen impliziten Wissens neue Aufgaben selbständig zu lösen. Dazu werden auf innovative Weise Methoden der Verhaltensbiologie, der Neurophysiologie, der Neurogenetik und der Biochemie an Insekten kombiniert. Ergebnisse aus diesen Experimenten werden mit Hilfe der Computermodellierung neuronaler Netze und Methoden und der Künstlichen Intelligenz in eine Kontrollarchitektur für Roboter übertragen.

Teilprojekt 5

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Technische Fakultät - Institut für Informatik Künstliche Intelligenz Georges-Köhler-Allee 79 79110 Freiburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Martin Riedmiller 0761 203-8006 01GQ0943 297.875 EUR 01.06.2009 - 31.05.2014

An der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg werden Navigationsexperimente mit autonomen Robotern in realen Labyrinthen durchgeführt. Zunächst werden Filtermechanismen entwickelt und verfeinert, die definieren, welche „Erfahrungen“ aus der komplexen Interaktion der Roboter mit ihrer Umwelt dazu genutzt werden sollen, Lernmechanismen zu steuern. Weiterhin werden Modelle für das Kurzzeitgedächtnis integriert, die menschlichen Aufmerksamkeitsprozessen nachempfunden sind. Schließlich werden die Ergebnisse der anderen Teilprojekte in die entwickelten Robotersysteme integriert.

Teilprojekt 2

Julius-Maximilians-Universität Würzburg Fakultät für Biologie - Biozentrum Am Hubland 97074 Würzburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Bertram Gerber 0931 31-89180 01GQ0942 419.355 EUR 01.06.2009 - 31.05.2014

An der Julius-Maximilian-Universität Würzburg werden Verhaltensexperimente zu assoziativem Lernen an Larven der Fruchtfliege durchgeführt. Dabei können Entscheidungsprozesse auf neuronaler Ebene charakterisiert sowie damit korrelierende Gruppen einzelner Nervenzellen identifiziert werden, die - als hypothetische „Verhaltensmodule“ - Entscheidungen zum Verhalten des Tieres treffen. Diese Entscheidungsprozesse werden durch mathematische Gleichungen beschrieben und dienen der Überprüfung bisheriger Lerntheorien. Die gefundenen Erkenntnisse wiederum fließen in die Formulierung neuer Computermodelle in anderen beteiligten Teilprojekten ein.

Teilprojekte 1, 3, 4 und 6

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

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Dorothea Eisenhardt 030 838-56781 01GQ0941 1.596.575 EUR 01.06.2009 - 31.05.2014

An der Freien Universität Berlin sind mehrere Teilprojekte angesiedelt. Zum einen werden hier Verhaltens- und Lernexperimente mit Honigbienen durchgeführt. Diese erlauben es, die Mechanismen des Belohnungslernens im Gehirn auf molekularer Ebene nachzuvollziehen. Zum anderen werden mittels elektrophysiologischer Ableitungen im Gehirn der Honigbiene die Rollen einzelner, definierter Nervenzellen und ganzer neuronaler Netzwerke bei Entscheidungsprozessen charakterisiert. Dies liefert die Daten und Erkenntnisse, um bestehende Modellvorstellungen anzupassen und dient als Inspiration für die Programmierung entscheidungsfähiger Roboter.

Verbundprojekt „Untersuchung der Mechanismen flüchtiger Gedächtnisspuren durch klassische Konditionierung zeitlich disjunkter Stimuli“

Die Arbeiten im Rahmen des Verbundprojektes „Untersuchung der Mechanismen flüchtiger Gedächtnisspuren durch klassische Konditionierung zeitlich disjunkter Stimuli“ zielen darauf ab, eine grundlegende Frage des Lernens zu beantworten: Welche Spuren hinterlassen sensorische Reize im Gehirn? Auch nach Ende eines solchen Reizes sind noch kurzzeitig Spuren neuronaler Aktivität im Gehirn nachweisbar. Diese Spuren können sich bis in das Verhalten von Organismen auswirken. In diesem Verbund sollen die neuronalen Mechanismen dieser kurzzeitigen Spuren aufgeklärt werden. Benutzt wird dafür die klassische Konditionierung als einfaches Modell sensorischen Lernens. Als Versuchstiere dienen Fruchtfliegen, deren Nervensystem und deren Genom bereits besonders gut untersucht sind.

Teilprojekt 2

Max-Planck-Institut für Neurobiologie Am Klopferspitz 18 82152 Planegg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr.Hiromu Tanimoto 089 8578-3492 01GQ0932 485.058 EUR 01.08.2009 - 31.07.2014

Im Teilprojekt am Max-Planck-Institut für Neurobiologie werden Experimente zu verschiedenen Arten der Konditionierung bei der Fruchtfliege durchgeführt. Durch die gezielte Manipulation der Aktivität bestimmter Gruppen von Zellen im Gehirn der Tiere können dabei diejenigen Neuronen identifiziert werden, die an der jeweiligen Stimulusspur beteiligt sind. In diesem Vorhaben werden dabei die molekularen Komponenten dieser Mechanismen charakterisiert und in ein mathematisches Modell integriert. Daraus können anschließend neue Hypothesen abgeleitet werden, die wiederum experimentell getestet werden.

Teilprojekt 1

Universität Konstanz Mathematisch-Naturwissenschaftliche Sektion Fachbereich Biologie Universitätsstr. 10 78464 Konstanz

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Paul Szyszka 007531 88-2115 01GQ0931 563.720 EUR 01.08.2009 - 31.07.2014

Im Teilprojekt der Universität Konstanz werden Experimente zur Geruchskonditionierung bei der Fruchtfliege durchgeführt. Dabei werden genetische Manipulationen mit physiologischen Messungen von neuronaler Aktivität kombiniert. Die gewonnenen Daten werden mit Hilfe von Computermodellen interpretiert. Auf diese Weise werden exakt die Spuren charakterisiert, die die verwendeten Stimuli im Hirn der Fliege hinterlassen und die schließlich das assoziative Gedächtnis formen.

Verbundprojekt „Lernen und kortikale Plastizität im Sehsystem: Kortikale Lernmechanismen und ihre Wiederherstellung nach Schlaganfall“

Bei Schlaganfallpatienten ist Lernen häufig allgemein beeinträchtigt. Dies betrifft neben Hirnarealen, die durch den Schlaganfall direkt betroffen wurden, auch solche, die eben nicht direkt in Mitleidenschaft gezogen wurden. Offensichtlich gibt es einen Mechanismus, der Lernvermögen im Gehirn „global“ beeinflusst. Die Arbeiten im Rahmen des Verbundprojektes „Lernen und kortikale Plastizität im Sehsystem: Kortikale Lernmechanismen und ihre Wiederherstellung nach Schlaganfall“ zielen darauf ab, diese Mechanismen zu identifizieren und das Potenzial verschiedener therapeutischer Maßnahmen zu bewerten. Dazu wird ein breites Spektrum an Methoden - theoretisch und experimentell, vom einzelnen Molekül bis zum Verhalten - miteinander kombiniert. Als Modellsystem dient dabei das visuelle System von Mäusen.

Teilprojekte 2 bis 4

Universitätsklinikum Jena Klinik für Neurologie Erlanger Allee 101 07747 Jena

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Otto Witte 03641 9323401 01GQ0923 1.930.280 EUR 01.08.2009 - 31.07.2014

In den Teilprojekten am Universitätsklinikum Jena wird die kortikale Plastizität nach Schlaganfällen im Sehsystem der Maus mit unterschiedlichen Methoden untersucht. Zum einen wird ein Verfahren etabliert, mit Hilfe dessen Vorgänge auf mikroskopischer Ebene in vivo, das heißt im lebenden Tier, beobachtet werden können. Zum anderen kommen verschiedene elektrophysiologische Verfahren, ebenfalls in vivo, zum Einsatz. Weiterhin werden spezielle, transgene Mausmodelle erstellt, die für die Experimente anderer Verbundpartner verwendet werden.

Teilprojekt 5

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation Bunsenstr. 10 37073 Göttingen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Fred Wolf 0551 5176-423 01GQ0922 513.740 EUR 01.06.2009 - 31.05.2014

Im Teilprojekt am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen werden kortikale Plastizität und Lernen mittels theoretischer Ansätze und rechnergestützter Datenanalyse untersucht. Dazu werden Computermodelle der spezifischen Organisation des visuellen Kortex der Maus formuliert. Diese werden anschließend eingesetzt zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse aus anderen Teilprojekten und zur Generierung experimentell testbarer Vorhersagen.

Teilprojekt 1

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

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Siegrid Löwel 03641 949131 01GQ0921 748.789 EUR 01.06.2009 - 31.05.2014

Im Teilprojekt der Friedrich-Schiller-Universität Jena werden Verhaltensexperimente mit Mäusen durchgeführt, die Schlaganfälle erlitten haben. Dabei werden die neuronalen Mechanismen von Lernprozessen, sogenannter kortikaler Plastizität, im Sehsystem mittels bildgebender Verfahren direkt beobachtet. Durch die Kombination dieser beiden Ansätze, Verhaltensexperimente und Bildgebung, ist es möglich, die Effizienz verschiedener Therapiestrategien bei Schlaganfällen direkt auf ihre Effizienz zu prüfen.

Verbundprojekt „Neurocomputationale Modelle zum Verständnis komplexen Lernens über die Lebensspanne“

Lernen findet beim Menschen in jedem Lebensalter und auch über große Zeiträume hinweg statt. Ziel des Verbundprojektes „Neurocomputationale Modelle zum Verständnis komplexen Lernens über die Lebensspanne“ ist die Analyse und das Verständnis dieser Lernprozesse über weite Teile der Lebensspanne beim Menschen. Dazu werden in unterschiedlichen, sich ergänzenden Teilprojekten Verhaltens-, Bildgebungs- und genetische Daten erhoben. Diese werden mit Hilfe neu entwickelter Computermodelle analysiert, um dadurch menschliche Entscheidungs- und Lernprozesse sowie deren Veränderungen über die Lebensspanne zu charakterisieren. Durch den Einsatz unterschiedlicher bildgebender Verfahren können der Ort und der zeitliche Verlauf dieser Prozesse im Gehirn bestimmt werden. Damit soll auch die Frage beantwortet werden, welche Hirnregionen an den beobachteten Entscheidungs- und Lernprozessen beteiligt sind. Weiterhin werden die Einflüsse verschiedener Neurotransmitter und individueller, genetischer Unterschiede auf diese Lern- und Entscheidungsprozesse untersucht.

Teilprojekte 4 und 5

Charité - Universitätsmedizin Berlin Campus Charité Mitte Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und Psychotherapie Charitéplatz 1 10117 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Jürgen Gallinat 030 2311 2904 01GQ0914 727.736 EUR 01.07.2009 - 30.06.2014

In den Teilprojekten der Charité – Universitätsmedizin Berlin werden zum einen drei verschiedene bildgebende Verfahren miteinander kombiniert. Dabei wird komplexes Lernen bei jüngeren und älteren Versuchspersonen über einen Zeitraum von mehreren Jahren hinweg untersucht. Aufgeklärt werden sollen auf diese Weise Unterschiede über die Lebensspanne, Veränderungen im Laufe der Experimente sowie der Einfluss bestimmter Neurotransmitter auf die zu Grunde liegenden Mechanismen. Zum anderen werden genetische Einflüsse auf komplexes Lernen untersucht. Dabei steht ebenfalls ein Vergleich über verschiedene Altersstufen im Mittelpunkt. Als Versuchspersonen dienen bis zu 380 Versuchspersonen aus diesem oder anderen Teilprojekten des vorliegenden Verbundes.

Teilprojekt 3

Max-Planck-Institut für Bildungsforschung Lentzeallee 94 14195 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Shu-Chen Li 030 82406256 01GQ0913 483.606 EUR 01.08.2009 - 31.07.2014

Das Teilprojekt am Max-Planck-Institut für Bildungsforschung in Berlin untersucht die Mechanismen belohnungsbasierter Lern- und Entscheidungsprozesse. Dazu werden Experimente mit bildgebenden Verfahren an jüngeren und älteren Teilnehmergruppen durchgeführt. Diese Experimente werden kombiniert  mit pharmakologischer Intervention. Geklärt werden soll auf diese Weise, wie bestimmte Neurotransmitter die untersuchten Lernmechanismen beeinflussen und wie sich das Altern auf diese Mechanismen auswirkt.

Teilprojekt 2

Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf Neurozentrum - Institut für Systemische Neurowissenschaften Martinistr. 52 20251 Hamburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Christian Büchel 040 42803-4726 01GQ0912 339.550 EUR 01.07.2009 - 30.06.2014

Im Teilprojekt am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf werden Experimente zu komplexen Lernaufgaben beim Menschen durchgeführt. Untersucht werden speziell altersabhängige Änderungen zwischen unterschiedlichen Gruppen von Versuchspersonen sowie die Möglichkeiten selektiver pharmakologischer Beeinflussung dieser Mechanismen. Gewonnene Verhaltensdaten werden mit bildgebenden Daten aus anderen Teilprojekten in Verbindung gebracht. Neben Experimenten mit Normalpersonen finden dabei auch Versuchsreihen mit Autismus-Patienten statt.

Teilprojekt 1

Technische Universität Berlin Fakultät IV Elektrotechnik und Informatik Institut für Softwaretechnik und Theoretische Informatik Franklinstr. 28/29 10587 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Klaus Obermayer 030 314-73120 01GQ0911 710.740 EUR 01.07.2009 - 30.06.2014

Das Teilprojekt an der Technischen Universität Berlin bündelt die im Gesamtverbund anfallenden, theoretisch-methodischen Arbeiten. Entscheidungen, Strategien und Lernen der menschlichen Versuchspersonen in den Experimenten der anderen Teilprojekte werden hier durch Konzepte des Verstärkungslernens modelliert. Um die Fragen zu beantworten, welche Hirnregionen in die beobachteten Entscheidungs- und Lernprozesse involviert sind und welche Hirnregionen Veränderungen über die Lebensspanne zeigen, werden Computermodelle mit experimentellen Daten aus der Bildgebung und mit genetischen Faktoren verknüpft.