Deutschland - USA Zusammenarbeit in Computational Neuroscience

 

Öffentliche Bekanntmachung:   2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014
Förderzeitraum:  2010 - 2018
Gesamtvolumen:  10,6 Mio. EUR
Anzahl an Vorhaben:  40

 

 

1. Ziele des Förderschwerpunktes

Die "Deutschland - USA Zusammenarbeit in Computational Neuroscience" ist eine transnationale Initiative zur Forschungsförderung zwischen Deutschland und den Vereinigten Staaten von Amerika. Sie wird von den Partnern Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gemeinsam mit den amerikanischen Förderorganisationen National Science Foundation (NSF) und National Institute of Health (NIH) getragen. Ziel der Fördermaßnahme ist die Etablierung transnationaler Forschungsprojekte, um eine Zusammenarbeit der besten Forschungsgruppen im Forschungsbereich Computational Neuroscience in Deutschland und den USA zu ermöglichen sowie um bereits bestehende Zusammenarbeit zwischen Forschern dieser beiden Länder zu vertiefen.

2. Stand der Fördermaßnahme

Die Fördermaßnahme wurde im Jahr 2010 etabliert. Es werden bisher insgesamt 35 internationale Verbünde gefördert: Die US-Partner der deutschen Vorhaben werden vom US-Partner NSF bzw. NIH gefördert. In den kommenden Jahren sollen weitere D - USA Projekte gefördert werden.

3. Geförderte Vorhaben

a) Kurzbeschreibung der laufenden Vorhaben

Neuronale Grundlagen aktiver Navigation

Technische Universität Berlin
Fakultät V
Verkehrs- und Maschinensysteme
Institut für Psychologie und Arbeitswissenschaft
Fachgebiet Mensch-Maschine Systeme

Marchstr. 23, Sekr. MAR 3-1
10587 Berlin

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Dr. Klaus Gramann
030 31425292
01GQ1511
360.103 EUR
01.12.2015 - 30.11.2018

Das Projekt "Menschliche Hirnaktivität während egozentrischer und allozentrischer Navigation mit Ganzkörperbewegung” untersucht in Kollaboration mit dem Swartz Center for Computational Neuroscience der University of California in San Diego die Hirndynamik in aktiv navigierenden Menschen. Hierbei wird zum ersten Mal die menschliche Hirnaktivität gemessen während sich die Probanden aktiv im Raum bewegen und unterschiedliche Sinne für die räumliche Orientierung nutzen. Die Untersuchungen basieren auf einer neu entwickelten Methode, dem „Mobile Brain/Body Imaging" (MoBI; mobile Bildgebung menschlicher Hirn- und Körperaktivität). MoBI synchronisiert hochkanalige Elektroenzephalographie (EEG)-Ableitungen mit der Messung von Körperbewegung und virtueller Realität. Die erhobenen komplexen Daten werden mit neuen Analyseansätzen ausgewertet, die eine Bildgebung menschlicher Hirndynamik im Frequenz- und Zeitbereich auf Ebene der kortikalen Quellen ermöglicht. In einer Reihe von Experimenten navigieren Teilnehmer durch den physikalischen Raum und orientieren sich dabei anhand dynamisch konfigurierbarer visueller oder akustischer Informationen. Diese Informationen werden über tragbare Virtual-Reality-Brillen und augmentierter akustischer Realität entweder punktuell oder aber kontinuierlich dargeboten. Auf diese Weise ist eine Analyse diskreter sensorischer Informationsverarbeitung und der damit einhergehenden evozierten Hirnaktivität bis hin zur Integration andauernder räumlicher Informationen möglich. Die Antragsteller bringen komplementäre Expertise aus den Bereichen menschlicher Raumkognition und computationaler Neurowissenschaft und kollaborieren seit mehr als sieben Jahren erfolgreich.

 

Optimierung von kortikaler Stimulation

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Neurochirurgische Klinik

Breisacher Str. 64
79106 Freiburg

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

PD Dr. Tonio Ball
0761 270-93160
01GQ1510
247.751 EUR
01.12.2015 - 30.11.2018

Die Synergie von experimenteller Zielsetzung und computergestützter Simulation wird genutzt, um elektrische Stimulation auf der Oberfläche des Hirns besser zu verstehen und eine zielgerichtete therapeutische Anwendung möglich zu machen. Die bereits seit langem für Kartierungen des zerebralen Kortex genutzte elektrische Stimulation gewinnt zunehmend an Bedeutung, insb. in der Weiterentwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen und Rehabilitationsansätzen. Die Mechanismen, wie Stimulation Veränderungen der Hirnaktivität und -funktion bewirkt sind jedoch kaum verstanden. Dies gilt in besonderem Maße für die Stimulation an der Oberfläche des zerebralen Kortex, im Gegensatz zu der bereits besser untersuchten Stimulation innerhalb des Kortex oder tieferer Hirnstrukturen. Mit der Entwicklung von hochauflösenden Oberflächenelektroden für die klinische Anwendung wird die Beantwortung der Frage, wie eine möglichst zielgerichtete Verteilung von elektrischen Strömen im Kortex erzielt werden kann, immer dringender. Die durch das Projekt zu erzielenden Erkentnisse bilden eine wichtige Grundlage um zukünftige Elektroden für den Einsatz im klinischen Kontext optimal zu designen und haben direkte Implikationen für den Einsatz von elektrischer Stimulation in klinischen Anwendungen von Neurotechnologie. Das Ziel dieses deutsch-amerikanischen Forschungsprojekts ist es, grundlegende Zusammenhänge zwischen der Art und Weise der Stimulation und der resultierenden Stromverteilung bzw. physiologischen Aktivitätsänderungen im zerebralen Kortex zu erforschen. Dabei kommen neuartige hochauflösende Mikroelektroden sowie neueste Simulationsmethoden zum Einsatz, die bereits zur Optimierung von nicht-invasiver Stimulation angewendet werden.

 

Datenaustausch: Integration verteilter Datenressourcen für neue Forschungsansätze in der Neurowissenschaft

Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Biologie
Department Biologie II

Großhaderner Str. 2
82152 Planegg

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

PD Dr. Thomas Wachtler-Kulla
089 2180 74810
01GQ1509
330.635 EUR
01.12.2015 - 30.11.2018

In den letzten Jahren hat sich die Kultur des Datenaustauschs in den Neurowissenschaften rapide entwickelt. Inzwischen existieren eine Zahl von Web-Ressourcen mit neurophysiologischen Daten, und es ist zu erwarten, dass die Menge an verfügbaren Daten in naher Zukunft noch stark ansteigen wird. Diese erfreuliche Entwicklung wird überschattet von dem Problem, dass die verschiedenen Datenbanken keine gemeinsamen Beschreibungen und Formate verwenden und daher eine einheitliche Suche nach Daten nicht möglich ist. Ziel dieses Projektes ist es, das Potenzial, das im Austausch von Forschungsdaten in der Neurophysiologie steckt, besser zu erschließen, indem eine Infrastruktur etabliert wird um Daten über Webdienste suchbar und mit verwandten Daten verknüpfbar zu machen. Das Projekt zielt auf die Interoperabilität disparater Datenrepositorien als Grundlage einer integrierten virtuellen Arbeitsumgebung für Wissenschaftler, die an der Nutzung neurophysiologischer Forschungsdaten interessiert sind. Arbeitsziele des Projekts sind 1) die Entwicklung eines ausbaufähigen Systems zur konsistenten Annotation neurophysiologischer Daten; 2) die Definition standardisierter Methoden für die Repräsentation neurophysiologischer Daten durch Semantic Web Technologien, und 3) die Implementierung von Softwarewerkzeugen zur Integration und Annotation von über verschiedene Repositorien verteilten Daten. Aufbauend auf den vom deutschen Projektpartner entwickelten Methoden werden die Datenbeschreibungen auf den Datenrepositorien der Projektpartner vereinheitlicht und Konvertierungen in Formate des Semantic Web implementiert. Mit diesen Methoden werden Webapplikationen für eine vereinheitliche Suche, Annotation und Verknüpfung verteilter Daten entwickelt. Diese Werkzeuge werden eine wesentlich effizientere Nutzung neurowissenschaftlicher Daten erlauben und neue Möglichkeiten für Analysen und Meta-Analysen erschließen.

 

Die Rolle von Spontanaktivität in der Entwicklung des Cortex

Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Ruth-Moufang-Str.
1
60438 Frankfurt am Main

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Dr. Matthias Kaschube
069 79847521
01GQ1507
330.050 EUR
01.12.2015 - 30.11.2018

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Rolle der spontanen Aktivität in der kortikalen Entwicklung besser zu verstehen. Die neuronalen Netzwerke in den sensorischen Teilen der Hirnrinde, wie z. B. im visuellen Cortex, sind häufig selbst dann aktiv, wenn kein äußerer Stimulus vorliegt. Diese sogenannte Spontanaktivität tritt bereits zu einem Zeitpunkt in der frühen Entwicklung der Hirnrinde auf, an dem sich die ersten Verschaltungen zwischen den Neuronen zu bilden beginnen. Allerdings weiß man bislang nur sehr wenig über die Muster der Spontanaktivität im frühen Cortex. Hier soll untersucht werden, ob bereits im frühen visuellen Cortex spontane Aktivitätsmuster geordnete Strukturen aufzeigen, die das Gerüst für den Aufbau sensorischer Repräsentationen im erwachsenen Gehirn liefern. Konkret wird das Forscherteam hierfür die Rolle der Spontanaktivität bei der Entstehung der Orientierungskarte im visuellen Cortex des Frettchens untersuchen, welches ein wichtiges Modellsystem für kortikale Entwicklung darstellt. Das Forscherteam wird neuartige Techniken für die Expression von hochempfindlichen Nervenaktivitätsmarkern verwenden, um spontane und visuell evozierte Aktivitätsmuster von großen Populationen von Neuronen im frühen visuellen Cortex des Frettchens über mehrere Wochen hinweg zu verfolgen. Mit Hilfe von quantitativer Musteranalyse wird das Team die Struktur der Spontanaktivität im frühen visuellen Cortex charakterisieren und ihre Beziehung zu der Orientierungskarte im reifen Cortex beschreiben. Basierend auf den empirischen Ergebnisse wird das Team ein mathematisches Modell erstellen um prüfbare Implikationen der zentralen Hypothese abzuleiten. Die beiden Forscher erhoffen sich von diesem Projekt ein quantitatives Verständnis davon, wie die Interaktion von spontaner und sensorisch getriebener neuronaler Aktivität die Entwicklung kortikaler Schaltkreise beeinflusst.

 

Neuronale Netzwerkmechanismen der Sequenzgenerierung im Hippokampus

Ruhr-Universität Bochum
Fakultät für Psychologie
AG Neurobiologie des Gedächtnisses

Universitätsstr. 150
44801 Bochum

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Dr. Sen Cheng
0234 32-27136
01GQ1506
283.720 EUR
01.12.2015 - 30.11.2018

Der Hippokampus spielt eine zentrale Rolle für das Gedächtnis. Um die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen im Hippokampus zu verstehen, sollen in diesem Projekt die Aktivitätsmuster einzelner Neuronen untersucht werden. Im Hippokampus von Nagetieren werden Neuronen in zeitlichen Abfolgen auf unterschiedlichen Zeitskalen aktiviert, und zwar 1) auf der Zeitskala von mehreren Sekunden: Während die Tiere ihre Umgebung erkunden, produzieren sogenannte Ortszellen Aktionspotenziale, wenn das Tier einen bestimmten Ort, das Ortsfeld, durchquert. Passiert ein Tier gradlinig die Ortsfelder mehrerer Zellen, werden diese sequentiell aktiviert; 2) auf der Skala der Theta-Oszillationen (5-12 Hz): Am Anfang eines Ortsfeldes wird eine Ortszelle spät im Theta-Zyklus aktiv. Während das Tier das Ortsfeld durchläuft, wird die Zelle früher und früher aktiv. Diese sogenannte Theta-Phasenpräzesion führt dazu, dass Ortszellen mit überlappenden Feldern innerhalb eines Theta-Zyklus sequentiell aktiviert werden;  3) auf der Zeitskala von kurzlebigen "Sharp-Wave/Ripple” Komplexen im lokalen Feldpotenzial: Diese Komplexe treten auf, wenn das Tier ruht oder schläft. Innerhalb eines Komplexes von 100-400ms wird ein Großteil der hippokampalen Neuronen in einer zeitlichen Abfolge aktiviert. Diese drei Arten von Sequenzen sind signifikant miteinander korrelliert und spielen eine wichtige Rolle bei der Gedächtnisbildung. In diesem Vorhaben werden experimentelle Ansätze und Modellierung miteinander kombiniert, um die neuronalen Netzwerkmechanismen der Sequenzgenerierung im Hippokampus zu verstehen. Die Kernhypothese ist, dass Theta-Sequenzen und Ruhe-Sequenzen durch denselben Mechanismus erzeugt werden. Diese Hypothese wird durch neuronale Netzwerkmodelle, Einzelzellableitungen und optogenetische Inaktivierung der CA3 Region getestet.

 

Mechanistische Zusammenhänge zwischen Struktur und funktioneller Dynamik im menschlichen Gehirn

Charité - Universitätsmedizin Berlin
Campus Charité Mitte
Klinik und Poliklinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie

Charitéplatz 1
10117 Berlin

Leiterin:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

PD Dr. Petra Ritter
030 450-560005
01GQ1504A
270.901 EUR
01.12.2015 - 30.11.2018

Forschungszentrum Jülich GmbH
Jülich Supercomputing Centre (JSC)

Wilhelm-Johnen-Str.
52428 Jülich

Leiterin:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Dr. Abigail Morrison
02461 61-9473
01GQ1504B
209.160 EUR
01.12.2015 - 30.11.2018

Das Projekt untersucht Faktoren für die Entstehung von large-scale Dynamik im menschlichen Gehirn. Dabei wird die Rolle von Eigenschaften der strukturellen Netzwerke sowie von biophysikalischen Eigenschaften lokaler neuronaler Schaltkreise systematisch untersucht. Zu diesem Zweck werden Methoden entwickelt, die realistische und neurobiologisch fundierte Simulationen funktioneller Gehirndynamik ermöglichen und die Benutzung des High-Performance-Computings erfordern. Komplexe raumzeitliche Muster neuronaler Aktivität, die sich innerhalb des Netzwerkes von Hirnregionen und interregionalen Bahnen entfalten, sind die Grundlage für Verhalten und Kognition. Das Verständnis dessen, wie strukturelle Netzwerke die Gehirnnetzwerke bilden und einschränken, stellt eine wesentliche Herausforderung an Computational-Cognitive-Neuroscience. Die Ziele des Projektes sind  a) die Beschreibung des Repertoires an strukturellen und dynamischen funktionellen Netzwerken, gemessen mit nicht-invasiven Neuroimaging-Methoden, b) die Erstellung eines Katalogs von Berechnungsmodellen anhand der Anatomie struktureller Netzwerke und biophysikalischer Modelle der neuronalen Populationen, die realistische großskalige Dynamiken generieren können, und c) die Anwendung von Kriterien des Modellvergleiches und Inferenz, um Einblick darin zu gewinnen, welche Modellkomponenten entscheidend  für die Erzeugung von Mustern der Hirndynamiken sind, die den empirischen Daten gut angenähert sind. Das Ausmaß dieser Simulation in Bezug auf den gesuchten Parameterraum, der Größe des Rechenmodells und die biologischen Skalen, erfordern erhebliches rechnerisches Engineering für effiziente Parallelisierung der numerischen Methoden und Adaptation zu Hochleistungsrechnerarchitekturen. Ein weiteres Ziel ist die Erstellung von Modellen anhand von Netzwerkdaten auf Einzelsubjektebene, um damit den Weg für den Einsatz von Modellierungswerkzeugen zur Kennzeichnung individueller Unterschiede der Gehirndynamik zu ebnen.


Quantifizierung der Balance zwischen robusten Rhythmen und flexibler Synchronisation in circadianen Neuronen

Humboldt-Universität zu Berlin
CCM - Centrum 4 - Institut für Theoretische Biologie (ITB)

Philippstr. 13, Haus 4
10115 Berlin

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Dr. Hans-Peter Herzel
030 209398402
01GQ1503
274.087 EUR
01.03.2016 - 28.02.2019

Der suprachiasmatische Nukleus (SCN) ist der zentrale Taktgeber der inneren Uhr und generiert robuste Tagesrhythmen von Feuerraten und Genexpression. Der SCN ist ein heterogenes Netzwerk verrauschter individueller Neurone, die durch Kopplung synchronisiert werden. Der SCN ist in der Lage, sich an äußere Lichtsignale anzupassen (Entrainment). Die Kopplung innerhalb des SCN wird durch verschiedene Mechanismen realisiert, die teilweise antagonistisch wirken können. In diesem Verbundprojekt wird die Hypothese getestet, dass eine geeignete Balance der Kopplungen einerseits robuste Rhythmen erzeugt, aber andererseits auch flexible Anpassungen an den Jahresrhythmus, den Jetlag und die Schichtarbeit erlaubt. An der Charité in Berlin werden die experimentellen Daten des Partnerlabors zur Netzwerktopologie und Kopplungsstärke analysiert. Die Modellstudien basieren auf Netzwerken von Oszillatoren, die durch Delay-Differentialgleichungen beschrieben werden. Die theoretischen Vorhersagen zur Minimierung der Folgen der Schichtarbeit werden beim Projektpartner an der University of Washington in den USA getestet. Das Vorhaben beinhaltet fünf Arbeitspakete: 1) Analyse von Feuerraten von SCN Neuronen als Basis der Simulationen. 2) Entwicklung des Software-Pakets „Entrainometer", um Bioluminiszenz-Daten, Feuerraten und Aktivitätsmuster studieren zu können. 3) Das etablierte Phasenmodell wird erweitert durch Einbeziehung  zweier unabhängiger Kopplungsmechanismen, welche GABA und VIP repräsentieren. 4) Basierend auf den experimentellen Daten des Partnerlabors wird ein detaillierteres Modell von gekoppelten Delay-Differentialgleichungen entwickelt. 5) Netzwerksimulationen werden angewandt, um die Gabe von Schlafmitteln zu optimieren.

 

Entwicklung und Testung einer benutzerfreundlichen Toolbox für die Analyse und Visualisierung von neuronalen Oszillationen in elektrokortikografischen Signalen

Charité - Universitätsmedizin Berlin
Campus Charité-Mitte
Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie - Forschung

Charitéplatz 1
10117 Berlin

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Dr. Daniel Senkowski
030 2311-2738
01GQ1416
29.358 EUR
01.12.2014 - 31.05.2016

Das wichtigste Ziel des Projekts ist es eine benutzerfreundliche FieldTrip-kompatible Toolbox für die Analyse und Visualisierung von neuronalen Oszillationen in elektrokortikografischen Daten zu programmieren. Die Toolbox wird neurowissenschaftlichen Forschern kostenneutral und Open-Source zur Verfügung gestellt. Die Toolbox wird anhand eines bereits erhobenen intrakraniellen Datensatzes aus einer intersensorischen Aufmerksamkeitsstudie getestet. Die intrakraniellen Daten werden anschließend mit einem Elektroenzephalographie Datensatz, der von dem gleichen Paradigma erhoben wird, verglichen. Das Projekt wird in enger Kooperation zwischen den Arbeitsgruppen des New York University Medical Center und der Charité, Universitätsmedizin Berlin durchgeführt. Das Projekt wird in einem Zeitraum von 18 Monaten durchgeführt und abgeschlossen. In den ersten sechs Projektmonaten wird ein Doktorand der Charité im Labor der New York University arbeiten. In dieser Zeit wird der Doktorand gemeinsam mit den Us-Kolleginnen und Kollegen die intrakraniellen Daten vorverarbeiten, auswerten und erste Skripte für die Toolbox zusammentragen. In den ersten sechs Monaten werden zudem bereits initiale Vorbereitungen für die Durchführung der geplanten EEG-Studie getroffen werden. Im siebten Projektmonat wird parallel in beiden Laboren an dem Projekt weitergearbeitet. In den Projektmonaten 8 bis 11 wird ein Mitarbeiter aus den USA zu Forschungszwecken nach Deutschland kommen und gemeinsam mit dem Doktoranden das EEG-Experiment durchführen. In einem gemeinsamen Treffen nach ca. einem Jahr werden dann letzte Schritte, die zur Fertigstellung der Toolbox und der Auswertung der empirischen Daten notwendig sind, besprochen und anschließend realisiert. Nach ungefähr 18 Monaten sollen das Projekt und die Toolbox schließlich auf einer internationalen Konferenz präsentiert werden und ein Manuskript über die Ergebnisse des Projekts bei einer internationalen Fachzeitschrift eingereicht werden.

Neurophysiologische Basis der Gehirnkonnektivität: Studien unter Verwendung multimodaler Bildgebung in Kombination mit computergestützter Modellierung und Analyse

Eberhard-Karls-Universität Tübingen
Universitätsklinikum und Medizinische Fakultät
Klinik für Radiologie
Labor für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie

Röntgenweg 13
72076 Tübingen

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Dr. Hans Wehrl
07071 29-82974
01GQ1415
338.501 EUR
01.12.2014 - 30.11.2017

Computergestützte Verfahren in den Neurowissenschaften sind fundamental für ein besseres Verständnis der Gehirnfunktion. Hierfür sind funktionelle und metabolische Messungen notwendig, die mit Hilfe von nicht invasiven Bildgebungsverfahren wie der Magnetresonanztomographie (MRT) und der Positronen-Emissions-Tomograhie (PET) durchgeführt werden. Im Rahmen dieses Projekts sollen bisher weitgehend unerforschte metabolische Netzwerke im Gehirn untersucht werden, die selbst im Ruhezustand vorhanden sind. Hierfür werden mit Hilfe einer neuen Bildgebungstechnik, der kombinierten PET/MR Messungen des Gehirnmetabolismus und gleichzeitig Messungen der Gehirnfunktion durchgeführt. Diese multimodalen Bildgebungsdaten sollen für verschiedene metabolische Marker und unter verschiedenen funktionellen Stimuli aufgenommen werden. Die Daten werden dann mit Hilfe komplexer Netzwerkanalysetechniken ausgewertet. Hierbei soll z. B. untersucht werden, ob zwischen bestimmten Gehirnarealen metabolische und funktionelle Verbindungen vorhanden sind. Diese Information über die metabolischen Grundlagen der Gehirnkonnektivität dient einerseits der Grundlagenforschung, ist aber auch für eine spätere klinische Anwendung von hoher Bedeutung. Es ist zu erwarten, dass sich z. B. während neurologischer Erkrankung nicht nur die Gehirnfunktion ändert sondern auch metabolische Netzwerke im Gehirn beeinflusst werden.  Mit Hilfe kombinierter PET/MR Bildgebung werden für vier verschiedene metabolische Marker (Glucose, Perfusion, Serotonin Transporter und D2 Rezeptoren) Daten des Gehirns aufgenommen. Diese Daten werden dann mit Hilfe von Korrelations-Matrizen, Independent Component Analyse und Seed-Based-Verfahren ausgewertet, um Rückschlüsse auf die Gehirnkonnektivität zu ziehen. Datenaufnahme und Auswertung erfolgen über einen Zeitraum von drei Jahren.

 

CPG - Analyse eines spezienübergreifenden Netzwerkmodells zur neuronalen Kontrolle mehrbeinigen Laufens

Universität zu Köln
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Zoologisches Institut - Abt. für Tierphysiologie

Zülpicher Str. 47 b
50674 Köln

Leiterin:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Dr. Silvia Gruhn
0221 470-3829
01GQ1412
351.755 EUR
01.01.2015 - 31.12.2017

Das Verständnis der neuronalen Kontrolle der Beinbewegung und der Koordination der Beine ist für das Verständnis von terrestrischer Fortbewegung von grundsätzlicher Bedeutung und lässt sich besonders gut an sechsbeinigen Insekten erforschen. In Insekten gibt es erste Ergebnisse darüber, dass es schwache Verbindungen zwischen den 'Motoren' gibt, die die einzelnen Beine antreiben. Diese Verbindungen werden durch lokale Sensorik, die z.B. die Belastung des Beins meldet, verstärkt, wodurch die Bewegungen der Einzelbeine koordiniert werden können. Zur weiteren Untersuchung der neuronalen Prozesse, die der Koordination von sechs Beinen im Allgemeinen zugrunde liegen, wird ein multidisziplinärer Ansatz aus Theorie, Experimenten und Modellierung benutzt. Mit Hilfe der experimentellen Daten werden Modelle erweitert und analysiert sowie untersucht, ob sich daraus allgemeine Kontrollstrukturen 6-beinigen Laufens extrahieren lassen. Im Rahmen des Projektes werden im deutschen Projektteil (Tiermodell: Stabheuschrecke) folgende Arbeitspakete bearbeitet: A) Funktionelle Organisation koordinierten Laufens: Wie sind die neuronalen Netzwerke der Thorakalganglien organisiert, um Koordination zwischen den Einzelbeinen zu ermöglichen? B) Rolle der sensorischen Einflüsse zur Koordination der Einzelbeine: Wie beeinflusst propriorezeptives Feedback die Aktivität der neuronalen Motoren und wie werden hereinkommende sensorische Signale zur Lokomotion moduliert? C) Wie verändert sich die Aktivität der neuronalen Oszillatoren und der Einfluss der Sensorik in Abhängigkeit von der Laufgeschwindigkeit, dem Untergrund und von unerwarteten Störungen? D) Allgemeine Kontrollstrukturen 6-beinigen Laufens: Das Arbeitspaket D des Projektes befasst sich mit dem Vergleich der im Zuge der Arbeitspaketen A-C verbesserten mathematischen Computermodelle des Tiermodells Stabheuschrecke und Schabe.

 

Datagit - Kombination von Katalogen, Datenbanken und Verteilungslogistik in eine Daten-Distribution

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät für Naturwissenschaften
Institut für Psychologie II - Neuropsychologie

Universitäts-Campus, Gebäude 24
39106 Magdeburg

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Michael Hanke
0391 61-18481
01GQ1411
215.474 EUR
01.12.2014 - 30.11.2017

Ziel dieses Projektes ist es, die technischen Schwierigkeiten bei der Verbreitung und Nachnutzung von wissenschaftlichen Originaldaten auszuräumen, um so die Zusammenarbeit unabhängiger Arbeitsgruppen im schrittweisen Forschungsprozess zu verbessern. Dazu wird das erfolgreiche Modell einer Software-Distribution zur Anwendung beim "data-sharing" adaptiert. Analog zum Software-Pendant werden alle Komponenten einer "Daten Distribution" entwickelt: Datenpaket-Manager, Paket-Archiv, Schnittstellen für automatisierte und interaktive Nutzung. Die Arbeiten basieren auf zwei Grundprinzipien: 1) Nutzung existierender, unabhängiger Daten-Hosting Dienstleister als Fundament für eine dezentrale data-sharing Plattform. 2) Nutzung einer bereits etablierten Software für Datenverwaltungs- und -transport-Logistik: git-annex, welche wiederum auf dem weit verbreiteten Git Versionskontroll-System aufbaut. Das fertige System "DataGit" wird es erlauben, mit einer einzigen Schnittstelle auf eine große Bandbreite von Daten zugreifen zu können - von einer einzelnen Datei auf dem Webserver einer Arbeitsgruppe bis hin zu großen Datensammlungen auf Portalen wie openfmri.org. DataGit ist kompatibel mit allen Betriebssystemen und präsentiert Nutzern den Datenzugriff nach vertrauten Konzepten wie Dateien und Verzeichnissen, während Nutzerautorisierung und Datentransport transparent abgewickelt werden.  Die Entwicklung der data-sharing middleware und die Integration der unterschiedlichen data-hosting Dienstleister werden vom US-Partner übernommen. Die deutsche Arbeitsgruppe konzentriert sich auf die Entwicklung und Evaluation aller Werkzeuge und Schnittstellen, die direkt von DataGit-Nutzern verwendet werden (Datenpaket-Verwaltung, graphische Oberfläche). Die Arbeiten werden initial unabhängig durchgeführt und beginnend mit dem vierten Projektquartal in enger Zusammenarbeit zu einem einheitlichen System verzahnt, welches zum Projektende vollständig dokumentiert und universell einsetzbar sein wird.

 

Entschlüsselung der Beziehung von dynamischer Mikrostruktur und Funktion dendritischer Spines

Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Biologie - Department Biologie II

Großhaderner Str. 2
82152 Planegg

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Dr. Andreas Herz
089 2180-74801
01GQ1410A
276.529 EUR
01.12.2014 - 30.11.2019

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. Gillian Queisser
069 79825282
01GQ1410B
276.077 EUR
01.12.2014 - 30.11.2019

Unsere Fähigkeit, neue Informationen langfristig zu speichern, beruht auf der enormen Plastizität des Gehirns. Morpho-chemische Modifikationen einzelner dendritischer Spines spielen dabei eine wichtige Rolle, aber es fehlt bisher ein umfassendes mechanistisches Verständnis. Um dieses Defizit zu überwinden, soll im beantragten Projekt untersucht werden, wie sich die ultrastrukturelle 3D-Architektur dendritischer Spines auf deren Signalübertragung auswirkt. 3D-EM Rekonstruktionen sollen mit realistischen Rezeptorkinetiken ausgestattet werden, um in Nanometer-Auflösung biophysikalische Modelle dendritischer Spines zu erzeugen. Um die elektrochemische Dynamik in derart komplexen Multi-Skalen-Umgebungen zu simulieren, sollen moderne numerische Verfahren (u.a. Finite-Elemente und schnelle Multi-Level-Löser) eingesetzt werden. Mit in-silico Experimenten sollen anschließend wichtige Faktoren der Signalausbreitung identifiziert und dazu verwendet werden, ein niedrig-dimensionales und mathematisch behandelbares Spine-Modell abzuleiten. Zusammen werden die Modelle das Konsortium in die Lage versetzen, sub-zelluläre Charakteristika der Informationsverarbeitung einzelner Spines zu studieren und die gewonnen Ergebnisse mit in vivo- und in vitro-Daten zu vergleichen. Damit können neue experimentelle Hypothesen getestet und physiologische Daten interpretiert werden, die in gesunden und durch neurologische Krankheiten veränderten Gewebeproben gewonnen wurden.

 

Model-basierte Untersuchungen neuronaler Schaltkreise im visuellen System

Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Informatik

Straße der Nationen 62
09111 Chemnitz

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Dr. Fred Hamker
0531 37875
01GQ1409
277.746 EUR
01.03.2015 - 28.02.2018

Bei Menschen und Primaten führen Augenbewegungen, die ca. 3 mal pro Sekunde auftreten, zu teilweise großen Änderungen der retinalen Abbildungen. Erstaunlicherweise ist unsere visuelle Wahrnehmung der Umwelt bemerkenswert stabil. Dieses Projekt verwendet einen model-basierten Ansatz, um die neuronalen Schaltkreise von visueller Aufmerksamkeit und Augenbewegungen hinsichtlich der Erzeugung dieser stabilen visuellen Wahrnehmung zu untersuchen. Dafür werden neurophysiologische Daten an wachen Primaten durch den US Partner erhoben und beim deutschen Partner verwendet, um ein neuro-computationales Modell der visuellen Aufmerksamkeit und der visuellen Wahrnehmung iterativ weiterzuentwickeln. Die experimentellen Daten leiten dabei Modellrevisionen und das Modell wird wiederum zur Generierung von testbaren Vorhersagen verwendet. Die vorgeschlagenen Projektstudien untersuchen sowohl Areale im dorsalen und ventralen Pfad hinsichtlich ihres Beitrags bei der Erzeugung einer stabilen Wahrnehmung. Die erhobenen Daten werden helfen, die Schaltkreise, die bei der Generierung von Aufmerksamkeit und Augenbewegungen beteiligt sind, sowie die Interaktion zwischen ventralem und dorsalem Pfad hinsichtlich einer zielgerichteten Wahrnehmung besser zu verstehen. Die Arbeitsplanung des deutschen Partners gliedert sich in folgende Pakete: AP 1: Simulation des Areals LIP mit räumlicher visueller Aufmerksamkeit; AP 2: Entwicklung eines 2D-Modells zur Simulation von dynamischen rezeptiven Feld-Verschiebungen; AP 3: Entwicklung eines Gesamtmodells durch Integration von ventralen, prefrontalen und parietalen Komponenten und Vergleich der Modellsimulationen mit physiologischen Daten aus den Arealen LIP und V4.

 

Funktionelle Neuro-Poro-Elastographie - ein neuer bildgestützter Ansatz zur Bestimmung der mechano-funktionellen Eigenschaften des gesunden und erkrankten Gehirns

Charité - Universitätsmedizin Berlin
Campus Charité Mitte
Institut für Radiologie

Charitéplatz 1
10117 Berlin

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Ingolf Sack
030 450-539058
01GQ1408
279.337 EUR
01.11.2014 - 30.11.2017

Die Aktivierung des Gehirns lässt sich mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) bildgestützt und regional aufgelöst erfassen. In den Neurowissenschaften stellt die fMRT die experimentelle Grundlage zur Erforschung der funktionellen Aktivierung des menschlichen Gehirns dar. Allerdings ist die Interpretation der bildgestützten funktionellen Parameter auf der Grundlage zellulärer und molekularer Mechanismen umstritten. Zum grundlegenden Verständnis der Hirnfunktion fehlen nach wie vor geeignete bildgebende Modalitäten, welche in der Lage sind, einen direkten Zusammenhang zwischen konstitutiven funktionsabhängigen Eigenschaften des Gehirns und einem hochaufgelösten, nichtinvasiven Bildkontrast herzustellen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Anwendung der funktionellen Neuro-Poroelastographie (fNPE) zur Quantifizierung der mechanischen und hydrodynamischen Gewebeeigenschaften des Gehirns, nichtinvasiv und bildgestützt. Grundlage der fNPE stellt die Magnetresonanz-Elastographie dar, welche anders als in bisherigen Anwendungen am Gehirn die arterielle Pulsation zur intrinsischen Aktivierung ausnutzt. Die fNPE verspricht hohe Sensitivität gegenüber poroelastischen, flussdynamischen und viskoelastischen Eigenschaften über multiple Längenskalen und eröffnet damit erstmalig Einblick in mechano-funktionelle Mechanismen des lebenden Gehirns. Im Projektverlauf sollen die methodischen Grundlagen zur fNPE mittels theoretischer Modellierung, Hardware-Entwicklung und Entwicklung geeigneter Analysemethoden geschaffen werden, sowie an Phantomen und gesunden Freiwilligen getestet werden. Erste Pilotstudien an ausgesuchten Patientenkollektiven sind im weiteren Projektverlauf geplant. Die geplanten Forschungsarbeiten werden zwischen USA und Charité Berlin so aufgeteilt, dass der Schwerpunkt der theoretischen Entwicklungsarbeiten in den USA liegt, während in Deutschland methodisch-technische Entwicklungen sowie klinische Untersuchungen durchgeführt werden.

 

Probabilistische Dekodierung von Gleichgewichtsinformationen

Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Biologie - Department Biologie II

Großhaderner Str. 2
82152 Planegg

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Dr. Hans Straka
089 2180-74307
01GQ1407
183.868 EUR
01.10.2014 - 30.09.2017

In diesem Projekt soll untersucht werden, inwieweit die Bayessche Hypothese für bedingteWahrscheinlichkeiten auf die Verarbeitung von Gleichgewichtsinformationen im Gehirn von Wirbeltieren angewendet werden kann. Dieser Ansatz beruht auf der Annahme, dass das Nervensystem Signale als Wahrscheinlichkeitsverteilungen der neuronalen Aktivität prozessiert. Für die untersten Ebenen der sensorischen Signalverarbeitung gibt es allerdings bisher kaum Hinweise auf die Implementierung dieses Prinzips. Mit diesem Forschungsansatz soll untersucht werden, inwieweit primäre und sekundäre vestibuläre Neurone eine probabilistische Dekodierung von Beschleunigungssignalen aus dem Innenohr verwenden. Dazu wird die senso-motorische Signalverarbeitung innerhalb des vestibulären Netzwerkes als Modellsystem in Krallenfrosch-Kaulquappen untersucht. Die Aktivität vestibulärer Neurone entspricht dabei der Kodierung und der Verarbeitung des kinematischen Status des Körpers/Kopfes.

 

Strategiewechsel in kognitiven biologischen und technischen Systemen

Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN)
Abt. Systemphysiologie des Lernens
Brenneckestr. 6
39118 Magdeburg

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Dr. Frank W. Ohl
0391 6263-331
01GQ1305
240.010 EUR
01.12.2013 - 30.11.2016

Die Fähigkeit zum Strategiewechsel ist eine wichtige, jedoch kaum verstandene Eigenschaft kognitiver Systeme. Plötzliche, abrupte Übergänge wurden sowohl in Verhaltensversuchen als auch in neurophysiologischen Daten beobachtet, aber die zugrunde liegende Theorie der raum-zeitlichen Neurodynamik wurde auf dieses Phänomen noch nicht angewendet. Gegenwärtige Lerntheorien fokussieren auf Lernen durch schrittweise Veränderung (wie z. B. Reinforcement Learning). Das Projekt hat zum Ziel, die Rolle von abrupten Phasenübergängen in komplexen neuronalen Systemen als mögliche Grundlage für schnelle Strategiewechsel zu verstehen. Dazu benutzen wir unsere umfangreiche experimentelle und theoretische Expertise eines Tierlernmodells und simulieren die neuronalen Mechanismen des plötzlichen Strategiewechsels in Modellen von Neuronenensemblen. Gerbils werden Elektroden in mehreren Hirnstrukturen implantiert. Die neuronalen Signale werden während einer Verhaltensaufgabe gemessen. Neuronale Modelle (hier ein sogenanntes Neuroperkolations-Modell) werden trainiert, um das Verhalten der Gerbils nachzubilden. Aus den neuronalen Modellen wird eine Auswahl an Algorithmen zur Mustererzeugung getroffen. Weitere Schritte sind das Erzeugen von Hypothesen der Struktur raum-zeitlicher Muster für Strategiewechsel aus den neuronalen Modellen, Entwicklung des neuronalen Modells für die Anwendung des Strategiewechsels sowie die Untersuchung, ob technische Systeme von der Verbindung von langsamer Dynamik beim Lernen und schneller Dynamik bei Strategiewechsel profitieren.

 

Modelle der Verarbeitung von Form und Farbe

Justus-Liebig-Universität Gießen
FB 06 - Psychologie und Sportwissenschaft
Psychologie - Allgemeine Psychologie
Otto-Behagel-Str. 10F
35394 Gießen

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Karl Gegenfurtner
0641 992-6100
01GQ1304
269.137 EUR
01.12.2013 - 30.11.2016

Die menschliche Fähigkeit, Objekte zu erkennen ist grundlegend für unsere Interaktionen mit der Umwelt und miteinander. Leider ist es bislang ungeklärt, wie dieser wichtige Prozess im visuellen Kortex abläuft. Ziel ist es daher, visuelle Objekterkennung auf der Ebene von Schaltkreisen und neuronalen Mechanismen zu verstehen. Dazu soll ein neurobiologisch plausibles Modell entwickelt und am Computer simuliert werden, das die Verarbeitung in den relevanten Formerkennungsarealen des visuellen Kortex abbildet. Der Fokus liegt dabei auf dem Areal V4. Es werden die Aktivität von einzelnen Zellen im Areal V4 abgeleitet (USA) mittels visueller Reize, die anhand einer statistischen Auswertung von Bildern natürlich Szenen entwickelt und ausgiebig psychophysisch untersucht werden (DE), um die Rolle einzelner, kürzlich entdeckter Klassen von Neuronen in V4 zu untersuchen und ihre funktionellen Eigenschaften zu verstehen. Der Beitrag des deutschen Kooperationspartners besteht zum einen in der Analyse von Bildern natürlicher Szenen, durch welche statistische Eigenschaften sich Objekte von ihrem natürlichen Hintergrund unterscheiden. Zum anderen werden psychophysische Experimente durchgeführt, um zu klären, für welche Unterschiede zwischen Objekt und Hintergrund das menschliche visuelle System am empfindlichsten ist.

 

Entwicklung eines quantitativen Verständnisses räumlicher Orientierungsstörungen im Alter

Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e.V.
Standort Magdeburg

Leipziger Str. 44, Haus 15
39120 Magdeburg

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Dr. Thomas Wolbers
0391 67-24511
01GQ1303
396.929 EUR
01.09.2013 - 31.08.2016

Ältere Menschen klagen häufig über räumliche Orientierungsprobleme, z. B. wenn sie sich in einer neuen Umgebung zurechtfinden müssen. Aktuell wissen wir sehr wenig über die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen, obwohl solche Probleme Mobilität, soziale Teilhabe und körperliche Aktivität erheblich einschränken können. Ziel dieses Projekts ist es daher, ausgehend von tierexperimentellen Studien – in denen gezeigt wurde, wie für Navigation wichtige neuronale Systeme durch Alterungsprozesse in ihrer Funktionalität beeinträchtigt werden – ein quantitatives Verständnis altersbedingter räumlicher Orientierungsstörungen beim Menschen zu gewinnen. Dieses Verständnis ist essentiell für die Entwicklung möglicher Interventionen, um räumliche Orientierungsleistungen zu verbessern und damit die Lebensqualität älterer Menschen zu erhöhen. In diesem Projekt werden zunächst mathematische Modelle von für Navigation wichtigen neuronalen Systemen entwickelt, mit denen sich Vorhersagen über die Veränderung räumlicher Signale im Alter treffen lassen. Diese Vorhersagen werden in experimentellen Arbeiten mit älteren Probanden überprüft – sowohl mittels neurowissenschaftlicher Methoden (z. B. funktionelle Kernspintomografie) als auch mittels innovativer Verhaltensexperimente in virtuellen Umwelten. Die Ergebnisse dieser Studien werden dann in die Optimierung der theoretischen Modelle einfließen, wodurch sich langfristig eine genaue Charakterisierung der pathologischen Veränderungen erreichen lässt.

 

Computationale und neuronale Mechanismen von Entscheidungsstrukturen

Universitätsklinikum Jena
Klinik für Neurologie
Erlanger Allee 101
07747 Jena

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Dr. Stefan Kiebel
03641 9323401
01GQ1205
276.865 EUR
01.12.2012 - 31.03.2016

Ziel des Vorhabens ist es, menschliche Entscheidungen besser zu verstehen. Dazu werden mathematische Mechanismen bestimmt, mit denen Menschen eine Entscheidungsstruktur eines gegebenen Entscheidungsproblems lernen und auf dessen Basis Entscheidungen treffen. Diese mathematischen Mechanismen werden in dem Vorhaben verwendet, um menschliches Verhalten und gemessene Gehirnaktivität zu modellieren. Es können so Schlussfolgerungen getroffen werden, welche Mechanismen das menschliche Gehirn verwendet, um die Struktur von Entscheidungsproblemen zu lernen und für effektive Entscheidungen einzusetzen. In diesem Vorhaben wird sehr eng mit dem US-Partner zusammengearbeitet. Die US-Gruppe wird Verhaltensexperimente an Menschen durchführen und die Gehirnaktivität messen, für die die Deutsche Seite die mathematischen Modelle entwickelt und bei der Analyse und Interpretation der Ergebnisse einbringt. Aus den Experimenten ergeben sich für die Deutsche Gruppe Arbeitspakete, für die ein Bayes’sches Inferenzmodell entwickelt wird, das auf den erhobenen Daten gegen andere in der Literatur beschriebene Standardmodelle getestet wird. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, die Funktion des menschlichen Gehirns besser zu verstehen.

 

Auswirkungen von aktivitätsabhängigen Veränderungen der Chlorid-Konzentration auf die Kleinhirnfunktion

Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main
Universitätsklinikum
Institut der Anatomie I
Theodor-Stern-Kai 7
60596 Frankfurt

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Dr. Peter Jedlicka
069 6301-6900
01GQ1203A
177.000 EUR
01.11.2012 - 31.05.2016

Im Laufe der letzten Jahre wurde zunehmend deutlich, dass hemmende Synapsen im Gehirn ein großes funktionelles Veränderungspotenzial (Plastizität) aufweisen. Diese Plastiszität hängt beispielsweise von kurz- und langfristigen Veränderungen in der intrazellulären Chlorid-Konzentration ab. Das Ziel dieses Vorhabens ist ein verbessertes Verständnis der Funktion der dynamischen Chlorid-abhängigen Eigenschaften hemmender Synapsen bei der Signalverarbeitung in Purkinje-Zellen des Kleinhirns. Bei diesem Projekt handelt es sich um eine Kooperation zwischen der University of Texas San Antonio, der Universität Heidelberg und der Goethe-Universität Frankfurt. In den geplanten Simulationen sollen räumliche und zeitliche Veränderungen in der Chlorid-Konzentration und deren Auswirkung auf die synaptische Hemmung modelliert und diese Ergebnisse mit experimentellen Methoden in Kleinhirnzellen nachvollzogen werden. Die Ergebnisse werden das Verständnis für die Gehirnfunktion im Kleinhirn verbessern sowie zusätzliche Erkenntnis erbringen über erregende und hemmende synaptische Aktivität im Gehirn. Da Erkrankungen des Gehirns einhergehen mit Störungen der Gehirnaktivität, sind die Ergebnisse des Vorhabens langfristig von hoher Bedeutung nicht nur für das Verständnis über die Funktionsweise des Gehirns, sondern sie könnten möglicherweise auch zur Verbesserung von Behandlungsverfahren bei Gehirnerkrankungen beitragen. So kommt es z. B. bei einer Epilepsie zu einer unkontrollierten Erregung in den Synapsen des menschlichen Gehirns. Die Ergebnisse des Vorhabens könnten langfristig helfen, neue Therapieansätze für epileptische und andere neurologische Erkrankungen zu verbessern.

 

Wirkungen von schwachen elektrischen Strömen auf Gedächtniskonsolidierung im Schlaf (TP 1, TP 4)

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

Leiterin:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Prof. Dr. Lisa Marshall
0451 500 3644
01GQ1008
447.033 EUR
01.09.2010 - 31.05.2016

Schlaf, insbesondere die langsame oszillatorische Aktivität des Tiefschlafs, spielt eine essentielle Rolle bei der Gedächtniskonsolidierung. Schwache elektrische Ströme können sowohl die endogenen EEG-Rhythmen modulieren als auch die menschliche Gedächtnisleistung verbessern. Offen bleibt die Frage, wie schwache, unterschwellige elektrische Ströme, die unzureichend sind, Erregbarkeits- oder Plastizitätsänderungen in Neuronen zu erzeugen, eine dermaßen starke Wirkung auf EEG-Oszillationen sowie auf das Gedächtnis ausüben können. Dieses Vorhaben wird diese Frage quantitativ angehen, entscheidend unterstützt durch die Entwicklung von Computersimulationen, welche eng gebunden sind an spezialisierte Hirnschnittexperimente und validiert werden durch gezielte Humanexperimente. Die zentrale Hypothese ist, dass schwache elektrische Ströme sich in die spontane langsame oszillatorische Aktivität einklinken und somit eine modulierende Wirkung auf die synaptische Plastizität anstoßen. Gelenkt durch Computersimulationen soll in diesem Gesamtprojekt die kritische Kopplung zwischen applizierten elektrischen Strömen und oszillatorischer EEG-Aktivität erforscht werden. Dazu werden die anhaltenden Änderungen untersucht, die durch schwache elektrische Stimulationen in in vitro hippokampalen und neokortikalen Hirnschnitten, welche langsame oszillatorische Aktivität aufweisen sowie in schlafenden menschlichen Probanden induziert werden.

 

Mechanismen der persistierenden Aktivität im entorhinalen Kortex in vivo

Zentralinstitut für Seelische Gesundheit
Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie
J 5
68159 Mannheim

Leiter:
Tel.:
FKZ:
Betrag:
Laufzeit:

Dr. Thomas Hahn
0621 1703-2341
01GQ1007
470.013 EUR
01.08.2010 - 31.07.2016

Im menschlichen Gehirn kann eine anhaltende (persistierende) Aktivität ermittelt werden, die eine wichtige Rolle bei der Gedächtnisbildung spielt. Während des Schlafs können typische Aktivitäten im menschlichen Gehirn nachgewiesen werden (Gehirnoszillationen). In dem Vorhaben die neue Hypothese untersucht werden, dass persistierende Aktivität spontan während schlaftypischer Gehirnoszillationen vorkommt und eine zentrale Rolle bei der Gedächtnisbildung hat. Dazu wird das Membranpotenzial von einzelnen Neuronen des entorhinalen Kortex bei Versuchstieren in vivo abgeleitet und die zelltypischen Eigenschaften mit der gleichzeitigen Netzwerkaktivität in Kortex und Hippocampus in Beziehung gesetzt. Darüber hinaus wird ein Computermodell erstellt, welches erklären soll,  wie die persistierende Aktivität generiert wird und wie sie die Kortiko-hippocampale Interaktion und somit die Gedächtnisbildung beeinflussen kann. Dazu wird zunächst die persistierende Aktivität im Entorhinalen Kortex und verbundenen Hirnstrukturen in narkotisierten und sedierten Mäusen in vivo gemessen, Analysealgorithmen entwickelt  und potentielle generierende Mechanismen identifiziert. Parallel dazu wird ein Computermodell zur Beschreibung zellulärer, netzwerk- sowie neuromudulatorischer Komponenten persistierender Aktivität entwickelt. Im Verlauf werden entsprechende Computermodell-basierende Hypothesen durch experimentelle Generierung persistierender Aktivität auf Einzelzell- und Systemebene und Ableitungen in Entorhinalem Kortex und Hippocampus getestet und im weiteren der Einfluss von persistierender Aktivität auf Theta-Oszillationen und Spike-timing im Hippocampus sowie die Interaktion hippocampaler Aktivität mit kortikaler Persistenz untersucht.

 

b) Abgeschlossene Vorhaben

 

 

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