Bernstein Zentren II

 

Öffentliche Bekanntmachung:	2008
Förderzeitraum:	2010 - 2020
Gesamtvolumen:	50,1 Mio. EURO
Vorhabenanzahl:	20

 

Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Göttingen

Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience München

Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Tübingen

Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Berlin

 

1. Ziele der Fördermaßnahme

Die Neurowissenschaften bergen ein bedeutendes Innovationspotential für die Lösung wichtiger und dringender gesellschaftlicher Herausforderungen. Ein besonderer Erkenntnisfortschritt ist von der sehr dynamischen Forschungsrichtung der „Computational Neuroscience“ zu erwarten. Diese verbindet Experiment, Datenanalyse und Computersimulation auf der Grundlage wohldefinierter theoretischer Konzepte und stellt eine wissenschaftliche Sprache zur Verfügung, die fach- und ebenenübergreifend von der Neurobiologie sowie der Kognitionsforschung, Systembiologie und Informationstechnologie genutzt werden kann. Durch ihren interdisziplinären Ansatz ermöglicht die Computational Neuroscience insbesondere auch eine erhebliche Beschleunigung und methodische Vertiefung der neurowissenschaftlichen Forschung.

Mit dem Förderschwerpunkt „Nationales Bernstein Netzwerk Computational Neuroscience“ im Rahmen der Innovationsstrategie „Gesundheitsforschung“ der Hightech-Strategie der Bundesregierung hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die grundlegenden strukturellen Rahmenbedingungen geschaffen, um das Forschungsfeld der Computational Neuroscience in Deutschland – mit hoher internationaler Sichtbarkeit - zu etablieren, die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses in dieser Disziplin zu verstärken und die Forschungsergebnisse der Anwendung zuzuführen.
Die Bernstein Zentren für Computational Neuroscience sind zentrale Elemente des Nationalen Bernstein Netzwerkes. Um die bisherigen Maßnahmen im Bereich Computational Neuroscience weiter zu festigen, wird das Format „Bernstein Zentren für Computational Neuroscience“ weiterentwickelt.

2. Stand der Fördermaßnahme

Das Bernstein Netzwerk wurde 2004 mit der Etablierung von vier "Bernstein Zentren für Computational Neuroscience" begründet. Um die bisherigen Maßnahmen im Forschungsfeld der Computational Neuroscience zu verstärken, zu vertiefen und nachhaltig zu verstetigen, soll das Format „Bernstein Zentren für Computational Neuroscience“ weiterentwickelt werden. Zwei neue Bernstein Zentren werden in Mannheim/Heidelberg und Tübingen eingerichtet. Darüber hinaus werden die bestehenden Zentren in Berlin, Göttingen und München weiter gefördert. 

Weitere Informationen über die Bernstein-Zentren finden Sie hier.

3. Geförderte Vorhaben

a) Kurzbeschreibungen der laufenden Vorhaben

(Sortierung innerhalb der Zentren nach Förderkennzeichen)

 

Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Göttingen - "Kooperative Dynamiken und Adaptivität in neuronalen Systemen"

Koordinator:
Prof. Dr. Fred Wolf
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation
Bunsenstraße 10
37073 Göttingen
Tel: +49 551 5176-400

Teilprojekte A1, A2, A4, A5, B1, B2, B5, D1, D2, Nachwuchsforschergruppe und zentrale Mittel (zM)

Georg-August-Universität Göttingen Fakultät für Physik Institut für Nichtlineare Dynamik Bunsenstr. 10 37073 Göttingen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Theo Geisel 0551 5176-400 01GQ1005A 3.283.502 EUR 01.05.2010 - 28.02.2017

Teilprojekte A3, A4, A5, B2, B3, B4, C1, D3 und zentrale Mittel (zM)

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. (MPG) vertreten durch das Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation Bunsenstr. 10 37073 Göttingen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Fred Wolf 0551 5176-400 01GQ1005B 3.090.458 EUR 01.05.2010 - 31.12.2018

Ziel des Göttinger Bernstein Zentrums ist es, die Rolle kooperativer Dynamik in adaptiven neuronalen Rechenvorgängen zu identifizieren, zu quantifizieren und zu modellieren. Um kooperative neuronale Prozesse auf verschiedenen Ebenen - von subzellulären molekularen Wechselwirkungen über sensorische Systeme bis zu Kognition und Verhaltenssteuerung - zu charakterisieren, wird das BCCN Göttingen wichtige Fragestellungen angehen, wie z. B.: Wie tragen supramolekulare Komplexe und interagierende intrazelluläre Strukturen zu adaptiven Rechenvorgängen einzelner Neurone bei? Wie steuert die Gesamtdynamik biologischer, neuronaler Netzwerke adaptive Kodierungs- und Lernprozesse? Wie vermitteln dynamische Interaktionen innerhalb von Gruppen von Gehirnregionen die flexible Nutzung neuronaler Verarbeitungsressourcen und Strategien? Wie kann die Interaktion zwischen neuronaler motorischer Kontrolle und hochdimensionaler Bewegungs-Kinematik weiche, präzise und effektive Hand- und Gliedmaßenbewegung erzeugen?
Die theoretische Analyse dieser Fragen wird das BCCN Göttingen mithilfe aktueller Methoden angehen, mit denen dynamische und statistische Gesetzmäßigkeiten interagierender Multikomponentensysteme quantitativ bestimmt werden können. Diese Methoden kombinieren hochentwickelte Datenanalyse mit biologisch detaillierten sowie abstrakten mathematischen Modellierungsansätzen. Experimentell wird das Zentrum diese Fragen in verschiedenen biologischen Modellsystemen analysieren – von in vitro-Präparationen neuronaler Zellen und Schaltkreise, über genetisch gut zugängliche sensorische Systeme, wie z. B. das auditorische System der Drosophila und Maus, bis zu experimentellen Assays der neokortikalen Funktion in Menschen und Primaten. Technologische und klinische Anwendungen der Ergebnisse werden in Kooperation mit den Industrie-, Klinik- und Rehabilitationspartnern des Bernstein Zentrums Göttingen verfolgt und mit dem Göttinger Bernstein Fokus: Neurotechnologie koordiniert.

 

Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience München - "Neuronale Repräsentationen von Raum und Zeit"

Koordinator:
Prof. Dr. Andreas Herz
Ludwig-Maximilians-Universität München
Institut für Biologie II
Großhaderner Str. 2
82152 Planegg
Tel.: +49 89 2180-74801

Teilprojekte A2, A3, B1, B2, B3, B5, D1, D3, Zentralprojekt und Professur "Räumliche Kognition und Neurodegeneration"

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

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Andreas Herz 089 2180-74801 01GQ1004A 5.359.583 EUR 01.05.2010 - 31.07.2019

Teilprojekte A2, B4, C1, C3, C4, D3, Professur "Computational Neuroscience" und Professur "Audio-Signal Processing"

Technische Universität München Wissenschaftszentrum Weihenstephan Lehrstuhl für Zoologie Liesel-Beckmann-Str. 4 85354 Freising

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Harald Luksch 081 6171-2800 01GQ1004B 2.419.541 EUR 01.05.2010 - 31.03.2020

 

Teilprojekt C2

Med-El Elektromedizinische Geräte Deutschland GmbH Moosstr. 7 82319 Starnberg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dipl. Phys. Lutz Ressel 08151 7703-19 01GQ1004D 251.040 EUR 01.05.2010 - 31.12.2016

"Wie werden Raum und Zeit in neuronalen Systemen repräsentiert?" Dies ist das Forschungsthema des Bernstein Zentrums München, das auch die zweite Förderperiode prägen wird. Den wissenschaftlichen Fokus wird das Zentrum dabei von neuronaler Informationsverarbeitung in einzelnen sensorischen Systemen auf die Integration und Dynamik multisensorischer Systeme und die zielorientierte Navigation ausdehnen.
Den Hintergrund dafür stellen technische, aber auch demographische Herausforderungen dar, die auf unsere Gesellschaft in den nächsten Jahren und Jahrzehnten zukommen. Mit der zunehmenden Lebenserwartung werden in Deutschland beispielsweise auch altersbedingte Defizite im Bereich der sensorischen Orientierung zunehmen; so führt die Reduktion des Hörvermögens und damit der Raumkognition zu einer massiven Verringerung der Lebensqualität in einer ständig wachsenden Bevölkerungsgruppe, und aktuelle Daten zu Hörschäden bei jüngeren Alterskohorten lassen einen dramatischen Anstieg dieser Einschränkung befürchten. Im technischen Bereich werden intelligente Assistenzsysteme zur Unterstützung älterer Menschen weiter an Bedeutung gewinnen.
Eines der Hauptmerkmale des Zentrums ist die starke Verknüpfung von theoretischer, neurobiologischer und klinischer Forschung. Das Forschungsvorhaben soll zu einem besseren Verständnis kognitiver Prozesse und neurologischer Störungen führen und einen Beitrag zu der Entwicklung von Technologien der medizinischen Diagnostik und neuen Methoden zur Vorbeugung und Therapie leisten. Beispielsweise werden neue experimentelle Techniken zur Messung und Analyse neuronaler Antwortsignale entwickelt. Darüber hinaus werden die Forschungsarbeiten das Design von Neuroprothesen, vor allem von Innenohrimplantaten, voran bringen. Zur Ergänzung der Forschungsaktivitäten am Bernstein Zentrum München wird das bereits etablierte Lehr- und Trainingsprogramm in wichtigen Bereichen erweitert werden.

 

Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Tübingen - "Neuronale Mechanismen der Perzeptuellen Inferenz"

Koordinator:
Prof. Dr. Matthias Bethge
Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik
Spemannstraße 41
72076 Tübingen
Tel.: +49 7071-601535

Teilprojekte A1, A2, A3, B1, B2, C1, C3, C4, C5, D2, D3, Zentralprojekt und Professur Neuronale Informationsverarbeitung

Eberhard-Karls-Universität Tübingen Fakultät für Mathematik und Physik Institut für Theoretische Physik Auf der Morgenstelle 14 72076 Tübingen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Matthias Bethge 07071 601-535 01GQ1002A 5.379.285 EUR 01.05.2010 - 30.04.2017

Teilprojekte A2, A3, B2, B3, B4, C2, C5, D1 und Nachwuchsgruppe Perzeptuelle Inferenz

Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik Abt. Computional Vision and Neuroscience Spermannstr. 41 72076 Tübingen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Matthias Bethge 07071 601-535 01GQ1002B 2.597.974 EUR 01.05.2010 - 30.04.2017

Unsere Wahrnehmung ist nicht einfach nur eine Kopie der eingehenden Sinnesreize, sondern spiegelt vielmehr eine abstrakte Interpretation derselben wider. Diese Interpretation beruht auf komplizierten Verarbeitungsprozessen, bei denen die Information der Sinnesreize mit spezifischem Vorwissen über die physikalische Beschaffenheit der Welt kombiniert wird. Eine eindrucksvolle Demonstration dafür sind Magic Eye Bilder, bei denen das Gehirn aus zweidimensionalen Mustern eine dritte Dimension errechnet, die wir als Tiefenwahrnehmung erleben. Durch solche künstlichen Beispiele können wir uns spezielle Inferenz-Leistungen des Gehirns bewusst machen: Leistungen, die unser Gehirn im Alltag ununterbrochen erbringt, ohne dass wir es merken - wenn wir uns in einer dreidimensionalen Welt bewegen oder Objekte und ihre Beschaffenheit unabhängig von den Lichtverhältnissen oder ihrer Anordnung erkennen. Um solche Inferenz-Leistungen zu erbringen, müssen relevante und beständige Strukturen und Muster aus extrem komplexen Datensätzen extrahiert werden. Die Tatsache, dass unser Gehirn diese Aufgabe scheinbar mühelos bewältigt, ist umso bemerkenswerter, als dass es bis heute keine Computeralgorithmen gibt, die auch nur annähernd an diese Leistung herankämen. 

Im Bernstein-Zentrum Tübingen arbeiten Wissenschaftler aus den Disziplinen der theoretischen und experimentellen Neurobiologie, des Maschinellen Lernens und der Medizin zusammen, um die Grundlagen dieser Inferenz-Prozesse im Gehirn zu erforschen. Insbesondere besteht ein wichtiger Forschungsschwerpunkt darin, das koordinierte Zusammenspiel der Nervenzellen bei der Informationsverarbeitung zu verstehen. Um dieses Ziel zu erreichen, liefert das Zentrum den Rahmen für interdisziplinäre Kooperationen. Zudem leistet es durch medizinische und technologische Anwendungen einen wichtigen gesellschaftlichen Beitrag.

Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Berlin - "Präzision und Variabilität"

Koordinator:
Prof. Dr. Michael Brecht
Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience
Humboldt-Universität Berlin
Philippstr. 13, Haus 6
10115 Berlin
Tel: +49 30 2093-6772

Teilprojekte A2, A3, A4, A8, B6, Zentralprojekt und Professur

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

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Michael Brecht 030 2093-6772 01GQ1001A 3.592.956 EUR 01.06.2010 - 30.06.2017

Teilprojekte B2, B3, B5, Professur und Nachwuchsgruppe

Technische Universität Berlin Optisches Institut Institut für theoretische Physik Straße des 17. Juni 135 10623 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Klaus Obermayer 030 314-73120 01GQ1001B 2.374.498 EUR 01.06.2010 - 30.06.2017

Die Forschung des BCCN Berlin befasst sich mit der Präzision der neuronalen Berechnungen bei gleichzeitiger deutlicher neuronaler Variabilität. Das gemeinsame Ziel der beteiligten Wissenschaftler besteht darin, allgemeine Rechenprinzipien zu ergründen, indem ähnliche Probleme quer durch verschiedene Gebiete und Maßstäbe der Neurowissenschaften identifiziert und auf einen Nenner gebracht werden. Die Arbeit in den Teilprojekten des Forschungszweigs A „Ableitungsmuster und Variabilität in den zellulären Neurowissenschaften“ orientiert sich an den zellulären Vorgängen im Gehirn, die Teilprojekte des Forschungszweigs B „Vorhersagen in den humanen Neurowissenschaften und der Kognition“ beschäftigt sich eher mit Kognition und System-orientierten Abläufen im Gehirn.
Die zu entwickelnden Anwendungen im Bereich der fMRI-Technologie tragen zur Erweiterung der Kompetenz in diesem Bereich bei. Die Kombination von Psychphysik und Maschinellem Lernen zur Entschlüsselung der visuellen Wahrnehmung von menschlichen Beobachtern ist eine wichtige Informationsquelle für Computermodelle im Bereich der visuellen Wahrnehmung. Das Zentrum trägt auch zur Entwicklung neuartiger Experimente im Bereich Miniatur-Technologie für intrazelluläre Ableitungen bei. Von diesen Technologien werden Neurowissenschaftler deutschlandweit profitieren. Auch Maschinelles Lernen und die sogenannten „Support Vektor Machines“ sind Schlüsseltechnologien mit einem breiten Spektrum von technischen Anwendungsbereichen. Weiterhin können die hier verwendeten Algorithmen auch für die komplexe Datenanalyse im Biomedizinischen und neurowissenschaftlichen Bereichen zur Problemlösung verwendet werden. U.a. zur Entwicklung von Prothesen trägt die Forschung im Bereich Brain Computer Interface bei.
Das BCCN Berlin bietet ein stimulierendes Umfeld für die interdisziplinäre Bearbeitung dieser Fragen. Das Zentrum stellt ein Forum für Kooperationen von experimentellen, klinischen und theoretischen Gruppen dar und wird mit Anwendungen in der Biomedizin und Informationstechnologie einen wichtigen Beitrag zum gesellschaftlichen Gemeinwohl leisten. 

 

b) Abgeschlossene Vorhaben