Fördermaßnahme

Multilaterale Zusammenarbeit D – USA – ISR – F

Veröffentlichung der Bekanntmachung: Jährlich eine Bekanntmachung, insgesamt neun Bekanntmachungen seit 2009. Die bilaterale Zusammenarbeit mit den USA (2009-2014) wurde mit der 7. Bekanntmachung (2015) zu einer multilateralen Zusammenarbeit mit den USA, Israel und Frankreich erweitert.
Förderzeitraum: 2010 - 2022
Gesamte Fördersumme: bis zu 14,6 Mio. Euro
Anzahl der Projekte: 45 bilaterale Verbünde mit deutscher Beteiligung, insgesamt 51 Zuwendungen

1. Ziele des Förderschwerpunktes

In den USA, Israel, Frankreich und Deutschland wurden in den letzten Jahren erhebliche Anstrengungen unternommen, um den Bereich Computational Neuroscience zu stärken. Zwischen den Forschenden dieser Länder haben sich vielfältige wissenschaftliche Beziehungen entwickelt. Notwendig ist jedoch ein stärker strukturiertes Verfahren zur Förderung internationaler Forschungskooperationen,  um eine Zusammenarbeit der besten Forschungsgruppen im Forschungsbereich Computational Neuroscience zu ermöglichen sowie um bereits bestehende Zusammenarbeit zwischen Forschern der  beteiligten Länder zu vertiefen.

2. Stand der Fördermaßnahme

Die Fördermaßnahme wurde im Jahr 2010 etabliert. Im Jahr 2015 wurde die zunächst bilaterale Kooperation zwischen Deutschland und den USA zu einer multilateralen Kooperation erweitert. Die Verbünde bestehen aus einer Kooperation zwischen einer deutschen Arbeitsgruppe und einem US-Partner, und es können zusätzlich israelische und/oder französische Kooperationspartner beteiligt sein. Das BMBF kooperiert dabei mit den Förderorganisationen der beteiligten Länder (National Science Foundation, United States; Israel – Binational Science Foundation; Agence Nationale de la Recherche).

Derzeit werden insgesamt 24 internationale Verbünde mit deutscher Beteiligung gefördert. Einundzwanzig Verbundprojekte wurden bereits abgeschlossen.

Einzelprojekte

Computationale und experimentelle Untersuchungen zustandsabhängiger Kodierung im olfaktorischen System

Förderkennzeichen: 01GQ1708
Gesamte Fördersumme: 403.362 EUR
Förderzeitraum: 2018 - 2021
Projektleitung: Dr. Wolfgang Kelsch
Adresse: Zentralinstitut für Seelische Gesundheit, Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie
J 5
68159 Mannheim

Computationale und experimentelle Untersuchungen zustandsabhängiger Kodierung im olfaktorischen System

Der Kontext, in dem sich ein Tier gerade befindet, beeinflusst die zustandsabhängige neuronale Kodierung durch Neuromodulatoren und –hormone. In diesem Projekt wird die Beziehung zwischen zustandsabhängiger neuronal Kodierung und Plastizität untersucht, und zwar unter Zuhilfenahme gut etablierter Modellsysteme. Im Vordergrund steht hierbei ein Neurohormon. Das untersuchte Neurohormon Oxytozin wird in bestimmten Verhaltenssituationen ausgeschüttet und beeinflusst neuronale Plastizität und Lernen. Andere Modulatoren wie Azetylcholin, Noradrenalin oder Serotonin werden in verschiedensten Kontexten wie Aufmerksamkeit, Stress oder Hunger freigesetzt und beeinflussen darüber neuronale Computationen, um die Verhaltensantwort in dem Kontext zu optimieren. Somit ist die Ausschüttung jedes dieser Modulatoren eher unspezifisch in verschiedenen Kontexten zu finden. Hier bietet die Modulation des olfaktorischen Systems durch Oxytozin eine einzigartige Gelegenheit, um zu untersuchen 1) wie ein für ein Verhalten relativ spezifischer Modulator die neuronale Kodierung verändert und so Erinnerungen im Netzwerk stabilisiert, und 2) inwiefern kortikales Feedback und dessen zustandsabhängige Rekrutierung kritisch für die Ausbildung und Aufrechterhaltung von neuronaler Repräsentation von Erinnerungen sind. Im Rahmen dieses Vorhabens wird untersucht, wie und durch welche 1) Netzwerk- und 2) synaptischen Mechanismen Oxytozin das Signal-zu-Rauschen-Verhalten der neuronalen Geruchrepräsentation im Riechkolben beeinflusst, und (3) schließlich wie die Feedbackschleife zwischen Riechkolben und Kortex stabile Netzwerkpräsentationen generiert.

Multi-Level Computermodelle der Fehlfunktion von Basalganglien beim Tourette Syndrome

Förderkennzeichen: 01GQ1707
Gesamte Fördersumme: 292.273 EUR
Förderzeitraum: 2018 - 2021
Projektleitung: Prof. Dr. Fred Hamker
Adresse: Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Informatik
Straße der Nationen 62
09111 Chemnitz

Multi-Level Computermodelle der Fehlfunktion von Basalganglien beim Tourette Syndrome

Das Tourette Syndrom ist eine neuropsychiatrische Krankheit. Charakteristisch für das Tourette-Syndrom (TS) ist das Auftreten von Tics – plötzlichen, schnellen und wiederkehrenden nicht-rhythmischen Bewegungen oder Lautäußerungen. Die Entstehung von Tics wird mit abnormer Aktivität in Kortex-Basalganglien-Schleifen (KBG) in Verbindung gebracht, insbesondere im Kerngebiet an deren Eingang, dem Striatum. Jedoch sind die genauen zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen weitgehend unerforscht. Bisherige Erkenntnisse lassen darauf schließen, dass die lokale Injektion von GABAA-Antagonisten repetitive Tics und veränderte neuronale Aktivität im gesamten KBG-Schaltkreis hervorruft. Dieses Vorhaben untersucht hierzu - die intrastriatalen Mechanismen, die zu koordinierter Verstärkung und Unterdrückung der Aktivität von Fast Spiking-Interneuronen (FSI) und Medium Spiny-Neuronen (MSN) beitragen. - die Rolle striataler cholinerger Interneurone (CIN) bei der Entstehung von Tics - das zeitliche Verhalten und die unterliegenden Mechanismen der Aktivitätsmuster in verschiedenen neuronalen Populationen der Basalganglien während der Entstehung von Tics. - die Dynamik in den Basalganglien, die dem An- und Abschwellen von Tics unterliegt. - die Rolle von Dopamin bei der Entstehung und bei der Behandlung von Tics. Die Ergebnisse dieser grundlegenden Forschung können mittelfristig Ideen für neue therapeutische Ansätze für die Behandlung von Tourette-Patienten liefern.

Beeinflussung von Hirnrhythmen zur Förderung des Gedächtnisses

Förderkennzeichen: 01GQ1706
Gesamte Fördersumme: 641.610 EUR
Förderzeitraum: 2018 - 2022
Projektleitung: Prof. Thomas Martinetz
Adresse: Universität zu Lübeck, Sektion Informatik/Technik, Institut für Neuro- und Bioinformatik
Ratzeburger Allee 160
23562 Lübeck

Beeinflussung von Hirnrhythmen zur Förderung des Gedächtnisses

Ziel dieses Projekts ist es, ein besseres Verständnis dafür zu entwickeln, wie exogene Stimulationen die Reaktivierung des Gedächtnisses fördern. Das Ziel des Projekts wird durch vergleichbare und zugleich komplementäre Human- und Tierversuche verwirklicht. Dabei werden sensorische (auditorisch) und schwach elektrische exogene Stimulationsverfahren (transkranielle elektrische Stimulation) angewandt, um schlaf-abhängige deklarative Gedächtnisfunktionen zu modulieren. Speziell im Tierversuch wird der Beitrag von spezifischen neuronalen Bahnen im thalamo-cortico-hippocampalen Netzwerk ermittelt. Es werden makroskopische Neural mass-Modelle der kortikalen langsamen Oszillation, thalamische Spindle-Oszillationen und hippocampale Sharp-wave-ripple-Ereignisse entwickelt und/oder mit Hilfe der experimentellen Ergebnisse verfeinert.

Hierarchische Koordination komplexer Bewegungen

Förderkennzeichen: 01GQ1704
Gesamte Fördersumme: 195.637 EUR
Förderzeitraum: 2018 - 2021
Projektleitung: Prof. Dr. Martin Giese
Adresse: Eberhard Karls Universität Tübingen, Werner Reichhardt Zentrum für Integrative Neurowissenschaften
Otfried-Müller-Str. 25
72076 Tübingen

Hierarchische Koordination komplexer Bewegungen

Das Gesamtziel des Projektes ist die experimentelle Untersuchung und die Entwicklung mathematischer Modelle für die hierarchische Organisation komplexer koordinierter motorischer Bewegungen. Dazu sollen Komplexe Bewegungen, insbesondere Lokomotion unter schwierigen Bedingungen, experimentell untersucht werden und die gewonnenen Daten durch hierarchische Modelle, die durch Kombination mehrerer theoretischer Ansätze entwickelt werden, approximiert werden. Die Modelle sollen mechanische Impedanzkontrolle, Bewegungsprimitive, und neuronale Netzmodelle auf der Basis tiefer Architekturen kombinieren. In diesem Rahmen soll auch eine neuartige Datenbasis mit komplexen Bewegungen und verschiedenen assoziierten Messdaten generiert werden, die allgemein zugänglich gemacht werden soll.

Funktionale Computer-unterstützte Anatomie der Rolle von Erfahrung auf primäre und höhere auditorische kortikale Areale

Förderkennzeichen: 01GQ1703
Gesamte Fördersumme: 210.383 EUR
Förderzeitraum: 2018 - 2021
Projektleitung: Prof. Dr. Andrej Kral
Adresse: Medizinische Hochschule Hannover, Abt. für experimentelle Otologie OE 8891
Stadtfelddamm 34
30625 Hannover

Funktionale Computer-unterstützte Anatomie der Rolle von Erfahrung auf primäre und höhere auditorische kortikale Areale

Die Verbindung von funktionalen, mikroskopischen und makroskopischen Charakteristiken des Gehirns ist eine der wichtigsten Herausforderungen und offenen Fragen der Neurowissenschaft. Die Untersuchung der Übereinstimmung von Form und Funktion ist nur mithilfe eines Modellsystems möglich, mit dem man vollen Zugang zu Datengruppen auf der mikro-, meso- und makroskopischen Ebene hat. In diesem Projekt werden bei gehörlosen Tieren, die Cochlea-Implantate tragen, Stimulationen durchgeführt. Mithilfe von Mikorelektrodensystemen werden funktionale Daten gesammelt. Außerdem werden die Gehirne histologisch analysiert.Somit können funktionelle Eigenschaften und morphologische Daten aufeinander bezogen werden. Die entwickelten Methoden können dann auf den Bereich der nicht-invasiven Hirndarstellung des Menschen übertragen werden. Die neuartigen Berechnungsmethoden werden ein morphometrisches Modell der kortikalen Mikrokolumnen und der interarealen Kopplung in den primären und höheren Kortizes aufbauen. Biologisch sinnvolle Merkmale wie Form, Breite und Schichtung des Kortex werden beschrieben und deren Zusammenhang mit funktioneller Aktivität und effektiven Konnektivität der entsprechenden neuronalen Strukturen analysiert. Letztendlich könnten diese Studien gehörlosen Menschen, die Cochlea-Implantaten tragen, helfen. Die komplexe Form der primären und höheren kortikalen Areale bei diesen Patienten könnte mit nichtinvasiven bildgebenden Methoden untersucht werden, um ihre Fortschritte nach der Implantation zu beurteilen und Rehabilitationsverfahren zu optimieren.

Entschlüsselung der Laminar-spezifischen Verbindungen und ihrer vaskulären und neuronalen Korrelate

Förderkennzeichen: 01GQ1702
Gesamte Fördersumme: 488.503 EUR
Förderzeitraum: 2018 - 2021
Projektleitung: Dr. Xin Yu
Adresse: Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik
Max-Planck-Ring 8
72076 Tübingen

Entschlüsselung der Laminar-spezifischen Verbindungen und ihrer vaskulären und neuronalen Korrelate

Die dynamischen Signale des Gehirns liefern Schlüsselinformationen, die für ein besseres Verständnis der Gehirnfunktion genutzt werden können. Mithilfe der funktionellen Magnetresonanz-tomographie (fMRI) können solche dynamischen Signale detektiert werden. Auf diese Weise können Aktivitätsmuster und funktionelle Verbindungen des gesamten Gehirns kartiert werden. In dem vorliegenden Projekt werden neuartige fMRI-Methoden mit hochmodernen Methoden der molekularen Bildgebung, wie der GCaMP-basierten Kalzium faseroptischen Aufzeichnung, kombiniert werden, um die Gehirndynamiken in verschiedenen Schichten des Großhirns zu untersuchen. Durch die Verwendung von zeilenabtastendem Gradienten-Echo mit Kleinwinkelanregung (Fast Low-Angle Shot, FLASH) und stationärer freier Präzession (steady-state free precession, bSSFP) soll das ruhende und stimulierte Rattenhirn bildlich erfasst werden, um bisher einzigartige und hoch raum-zeilich fMRI Daten aus den spezifischen Gehirn-Schichten zu erhalten. Diese multidimensionalen Signale der Gehirndynamik zusammen mit der 3D-Rekonstruktion der Blutgefäße im Gehirn werden neuartige Daten liefern, die verwendet werden können, um Computermodelle von den Zellen zum Netzwerk zu erstellen. Dadurch können die physiologischen Grundlagen der Gehirnverschaltung wesentlich genauer ermittelt werden als dies bisher möglich war. Insbesondere sollen die vaskulären und neuronalen Korrelate von weitreichenden Verbindungsmustern des globalen Netzwerkes entschlüsselt werden, welche repräsentativ für bestimmte kognitive Gehirnzustände (Grundzustand, Aufmerksamkeit, Erkenntnisvermögen) sind.

Hierarchische neuronale Berechnung der Bedeutung von Kommunikationslauten

Förderkennzeichen: 01GQ1701
Gesamte Fördersumme: 425.072 EUR
Förderzeitraum: 2018 - 2021
Projektleitung: Prof. Dr. Manfred Gahr
Adresse: Max-Planck-Institut für Ornithologie (MPIO), Standort Seewiesen
Eberhard-Gwinner-Str.
82319 Seewiesen

Hierarchische neuronale Berechnung der Bedeutung von Kommunikationslauten

Ziel des Projekts ist es, ein ultraleichtes (unter 2 Gramm) Elektroden-Array zu entwickeln, das Messungen der Nervenzellen-Aktivität parallel an verschiedenen (bis 16) Punkten im Gehirn frei-beweglicher Kleintiere, insbesondere kleinen Vögeln, ermöglicht. Damit lassen sich detailliert Gehirn-Verhaltenskorrelationen erfassen, die bei kleinen Vögeln (Zebrafinken) und Säugern (Mäusen) derzeit nicht möglich sind.

Weiterentwicklung eines neuromechanischen Ratten Models zum Test von Muskelsynergien bei normaler und gestörter Lokomotion

Förderkennzeichen: 01GQ1605
Gesamte Fördersumme: 548.128 EUR
Förderzeitraum: 2017 - 2019
Projektleitung: Prof. Dr. Martin Fischer
Adresse: Friedrich-Schiller-Universität Jena, Biologisch-Pharmazeutische Fakultät, Institut für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie mit Phyletischem Museum
Erbertstr. 1
07743 Jena

Weiterentwicklung eines neuromechanischen Ratten Models zum Test von Muskelsynergien bei normaler und gestörter Lokomotion

Der Bewegungsapparat von Tieren muss in der Lage sein auf Störungen, wie unerwartete Unebenheiten im Substrat, in einem gewissen Maß schnell zu reagieren, um einen Sturz zu verhindern. Dazu müssen die Bewegungsmuster der normalen, ungestörten Lokomotion adaptiert werden. Es stellt sich die Frage, inwieweit sich Störungen einer Extremität auf das restliche System übertragen. Sind die Reaktionen immer dieselben, egal welche Extremität gestört wird und zu welchem Zeitpunkt im Schritt oder hängt die Reaktion von diesen Faktoren ab? Ratten sind in der Lage die mechanischen Vorteile der multi-gelenken Extremitäten zu nutzen, um ihren Körper durch kleine Anpassungen der Muskelaktivitäten in Aktivitätsstärke und -timing auf unebenen Substraten zu stabilisieren. In dieser Studie wird untersucht, wie der Bewegungsapparat der Säugetiere die vielfältigen sensorischen Rückkopplungen des Nervensystems nutzt, um die mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden ausgestatteten Extremitäten dynamisch zu kontrollieren.

Neurocomputationale Operationen in der Peripherie des Visuellen Systems - Experimente und Modelle

Förderkennzeichen: 01GQ1604
Gesamte Fördersumme: 330.722 EUR
Förderzeitraum: 2017 - 2020
Projektleitung: Dr. Christoph Zetzsche
Adresse: Universität Bremen, Fachbereich 03 Mathematik/Informatik, Arbeitsgruppe Kognitive Neuroinformatik
Enrique-Schmidt-Str. 5
28359 Bremen

Neurocomputationale Operationen in der Peripherie des Visuellen Systems - Experimente und Modelle

Das Projektziel ist es, die Informationskodierung im visuellen Kortex anhand von Computer-Modellen des peripheren Sehens und korrespondierenden psychophysischen Experimenten zu erforschen. Dazu werden 1) verschiedene computationale Modellvarianten des peripheren Sehens entwickelt, um so Hypothesen über die codierten Features im visuellen Kortex zu prüfen; 2) werden in Verhaltensexperimenten Daten gesammelt, die bei visuellen Stimuli und Aufgaben über die typische Bandbreite von Experimenten in der visuellen Peripherie hinaus gehen, wodurch eine bessere Baseline und eine bessere Vergleichbarkeit zwischen den einzelnen Modellen etabliert werden soll; und wird 3) die Realitätsnähe und die Leistungsfähigkeit der Modelle auf Basis von klassischen Crowding-Experimenten und mit Hilfe von neu entwickelten Natural-Scene-Experimenten geprüft.

Mathematische Modellierung von kooperativem Erfolg in neuronalen Signalen und Netzwerken

Förderkennzeichen: 01GQ1603
Gesamte Fördersumme: 434.178 EUR
Förderzeitraum: 2016 - 2019
Projektleitung: Dr. Jan Gläscher
Adresse: Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Neurozentrum - Institut für Systemische Neurowissenschaften
Martinistr. 52
20251 Hamburg

Mathematische Modellierung von kooperativem Erfolg in neuronalen Signalen und Netzwerken

In diesem Vorhaben wird die erfolgreiche Zusammenarbeit in sich verändernden Situationen erforscht. Diese Veränderungen in den Situationen kann dazu führen, dass sich die Rollenverteilung zwischen Experte und Anfänger in einer Dyade verschiebt. Dies wiederum hat Konsequenzen für die mentalen Modelle, die von dem anderen Partner erstellt werden. In diesem Projekt werden die neuronalen Grundlagen von erfolgreicher Zusammenarbeit erforscht. Dafür wird eine neue Entscheidungsaufgabe entwickelt, die das Wissen für die beste Entscheidung dynamisch verschiebt, so dass beide Probanden sowohl die Rolle des "Experten” als auch die des "Schülers” spielen. Zur Analyse werden mathematische Modelle verwendet, die diese dynamische Veränderungen in der Bewertung von Handlungsoptionen und in den mentalen Modelle des anderen Partners abbilden können. Neuronale Daten werden durch gleichzeitige EEG-Ableitungen von beiden Teilnehmern gewonnen ("EEG Hyperscanning”). Diese ermöglichen es, Synchronisationen aufgrund von sozialen Denkprozessen sowohl in einem Gehirn, als auch zwischen den Gehirnen zu detektieren. Das Ziel ist es, die neuronalen Grundlagen von sozialen Denkprozessen, wie der Konstruktion von mentalen Modellen und der Simulation von Entscheidungen des anderen Teilnehmers zu erforschen und dabei auch neue Analysentechniken und Modelle zu entwickeln.

Untersuchung von spontanen Sprachprozessen durch Elektrokortikographie

Förderkennzeichen: 01GQ1602
Gesamte Fördersumme: 392.495 EUR
Förderzeitraum: 2017 - 2019
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Tanja Schultz
Adresse: Universität Bremen, Fachbereich 03 Mathematik/Informatik, Arbeitsgruppe Cognitive Systems Lab
Enrique-Schmidt-Str. 5
28359 Bremen

Untersuchung von spontanen Sprachprozessen durch Elektrokortikographie

Die Fähigkeit, Sprache zu produzieren, erlaubt uns Menschen schnelle Kommunikation von großen, abstrakten Informationsmengen. Etwa zwei Millionen Menschen in den USA - und weltweit viel mehr - leiden unter schweren neuromuskulären Beeinträchtigungen, die ihre Sprachproduktion erschweren oder unmöglich machen. Diese Menschen würden stark von einem Gerät profitieren, das Sprachdefizite verschwinden lässt und das ihnen ermöglicht, natürlich und effizient zu kommunizieren. In diesem Projekt wird untersucht, wie geplante Sprache direkt aus der neuronalen Aktivität eines Nutzers dekodiert und in synthetisierte Sprache verwandelt werden kann, die zum Beispiel auf einem Lautsprecher in Echtzeit abgespielt werden könnte. Auf diese Weise könnte natürliche Sprache aus Gedanken emuliert werden. Das Dekodieren von kontinuierlichen, spontanen Sprachprozessen ist eine wichtige Grundlage, um ein natürlicheres und praktischeres Kommunikationsgerät für Menschen mit Schwerstbehinderungen zu entwickeln.

Neuronale Grundlagen aktiver Navigation

Förderkennzeichen: 01GQ1511
Gesamte Fördersumme: 360.103 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2019
Projektleitung: Dr. Klaus Gramann
Adresse: 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

Neuronale Grundlagen aktiver Navigation

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

Förderkennzeichen: 01GQ1510
Gesamte Fördersumme: 247.751 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2019
Projektleitung: PD Dr. Tonio Ball
Adresse: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Neurochirurgische Klinik
Breisacher Str. 64
79106 Freiburg

Optimierung von kortikaler Stimulation

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

Förderkennzeichen: 01GQ1509
Gesamte Fördersumme: 330.635 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2020
Projektleitung: PD Dr. Thomas Wachtler-Kulla
Adresse: Ludwig-Maximilians-Universität München, Fakultät für Biologie, Department Biologie II
Großhaderner Str. 2
82152 Planegg

Datenaustausch: Integration verteilter Datenressourcen für neue Forschungsansätze in der Neurowissenschaft

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.

Informationsverarbeitung im Großhirn für visuell-okulomotorisches Verhalten

Förderkennzeichen: 01GQ1508
Gesamte Fördersumme: 324.293 EUR
Förderzeitraum: 2016 - 2020
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Stefan Glasauer
Adresse: Klinikum der Universität München, Campus Großhadern, Neurologische Klinik und Poliklinik mit Friedrich-Baur-Institut
Marchioninistr. 15
81377 München

Informationsverarbeitung im Großhirn für visuell-okulomotorisches Verhalten

Das Ziel des Projektes ist es, die Informationsverarbeitung und den Informationstransfer während des sensomotorischen Verhaltens innerhalb des Großhirns zu untersuchen und damit die Rolle der reziproken intrakortikalen Verbindungen für das Verhalten aufzuklären. Die funktionelle Bedeutung dieser Verbindungen ist immer noch unverstanden. In diesem Projekt werden neu entwickelte Ansätze der Computational Neuroscience und der experimentellen Neurowissenschaften genutzt, um die Rolle neuronaler Verbindungen innerhalb des Kortex für motorisches Verhalten aufzuklären. Der Kooperationspartner in den USA untersucht die langsame Augenfolgebewegung und den optokinetischen Reflex neurophysiologisch am wachen Primaten, während in dem vorliegenden Projekt die theoretischen Arbeiten mittels mathematischer Modellierung durchgeführt werden. Beide Arten von Augenbewegungen erfordern komplexe Verarbeitung der visuellen Eingänge, um daraus motorische Kommandos für die Augenbewegungen zu generieren. Das Projekt ermöglicht die Erforschung kortikaler Mechanismen, die nicht nur für sensomotorische Informationsverarbeitung, sondern auch für Wahrnehmung und kognitive Prozesse von Bedeutung sind. Durch den Projektpartner in Seattle am WANPRC wird das okulomotorische Verhalten simultan mit den neuronalen Daten gemessen (M 1-18: frontale Augenfelder zu Parietalkortex; M13-24: reziproke Verbindungen). Die Resultate werden in München mit neu entwickelten informationstheoretischen Methoden analysiert (M 1-36) und als Basis zur mathematischen Modellbildung benutzt (M 7-36: Systemmodelle der Augenbewegungen; M 13-36: neuronale Modellierung). Die dabei entstandenen Modelle werden getestet, indem Vorhersagen zur Interaktion der kortikalen Regionen mittels elektrischer Stimulation und optogenetischer Methoden experimentell überprüft werden (M 19-36). Im letzten Jahr ist ein internationaler Workshop geplant.

Abgeschlossen

Die Rolle von Spontanaktivität in der Entwicklung des Cortex

Förderkennzeichen: 01GQ1507
Gesamte Fördersumme: 330.050 EUR
Förderzeitraum: 2012 - 2018
Projektleitung: Dr. Matthias Kaschube
Adresse: Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Ruth-Moufang-Str. 1
60438 Frankfurt am Main

Die Rolle von Spontanaktivität in der Entwicklung des Cortex

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.

Abgeschlossen

Neuronale Netzwerkmechanismen der Sequenzgenerierung im Hippokampus

Förderkennzeichen: 01GQ1506
Gesamte Fördersumme: 283.720 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2018
Projektleitung: Prof. Dr. Sen Cheng
Adresse: Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Psychologie, AG Neurobiologie des Gedächtnisses
Universitätsstr. 150
44801 Bochum

Neuronale Netzwerkmechanismen der Sequenzgenerierung im Hippokampus

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.

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

Förderkennzeichen: 01GQ1503
Gesamte Fördersumme: 274.087 EUR
Förderzeitraum: 2016 - 2019
Projektleitung: Prof. Dr. Hans-Peter Herzel
Adresse: Humboldt-Universität zu Berlin, CCM - Centrum 4, Institut für Theoretische Biologie (ITB)
Philippstr. 13, Haus 4
10115 Berlin

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

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.

Abgeschlossen

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

Förderkennzeichen: 01GQ1415
Gesamte Fördersumme: 338.501 EUR
Förderzeitraum: 2014 - 2018
Projektleitung: Dr. Hans Wehrl
Adresse: Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Universitätsklinikum und Medizinische Fakultät, Klinik für Radiologie, Labor für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie
Röntgenweg 13
72076 Tübingen

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

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.

Abgeschlossen

CPG - Analyse eines spezienübergreifenden Netzwerkmodells zur neuronalen Kontrolle mehrbeinigen Laufens

Förderkennzeichen: 01GQ1412
Gesamte Fördersumme: 338.007 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2017
Projektleitung: Dr. Silvia Gruhn
Adresse: Universität zu Köln, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Zoologisches Institut - Abt. für Tierphysiologie
Zülpicher Str. 47 b
50674 Köln

CPG - Analyse eines spezienübergreifenden Netzwerkmodells zur neuronalen Kontrolle mehrbeinigen Laufens

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.

Abgeschlossen

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

Förderkennzeichen: 01GQ1411
Gesamte Fördersumme: 205.974 EUR
Förderzeitraum: 2014 - 2017
Projektleitung: Prof. Michael Hanke
Adresse: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Psychologie II - Neuropsychologie
Universitäts-Campus, Gebäude 24
39106 Magdeburg

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

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.

Abgeschlossen

Model-basierte Untersuchungen neuronaler Schaltkreise im visuellen System

Förderkennzeichen: 01GQ1409
Gesamte Fördersumme: 277.746 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2018
Projektleitung: Prof. Dr. Fred Hamker
Adresse: Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Informatik
Straße der Nationen 62
09111 Chemnitz

Model-basierte Untersuchungen neuronaler Schaltkreise im visuellen System

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.

Abgeschlossen

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

Förderkennzeichen: 01GQ1408
Gesamte Fördersumme: 279.337 EUR
Förderzeitraum: 2014 - 2017
Projektleitung: Prof. Ingolf Sack
Adresse: Charité - Universitätsmedizin Berlin, Campus Charité Mitte, Institut für Radiologie
Charitéplatz 1
10117 Berlin

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

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.

Abgeschlossen

Probabilistische Dekodierung von Gleichgewichtsinformationen

Förderkennzeichen: 01GQ1407
Gesamte Fördersumme: 183.868 EUR
Förderzeitraum: 2014 - 2018
Projektleitung: Prof. Dr. Hans Straka
Adresse: Ludwig-Maximilians-Universität München, Fakultät für Biologie - Department Biologie II
Großhaderner Str. 2
82152 Planegg

Probabilistische Dekodierung von Gleichgewichtsinformationen

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.

Abgeschlossen

Entwicklung eines quantitativen Verständnisses räumlicher Orientierungsstörungen im Alter

Förderkennzeichen: 01GQ1303
Gesamte Fördersumme: 396.929 EUR
Förderzeitraum: 2013 - 2017
Projektleitung: Prof. Dr. Thomas Wolbers
Adresse: Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e.V., Standort Magdeburg
Leipziger Str. 44, Haus 15
39120 Magdeburg

Entwicklung eines quantitativen Verständnisses räumlicher Orientierungsstörungen im Alter

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.