Ein neuer Informationskanal im Gehirn: Korrelationen in der Aktivität von medullären Neuronen kodieren verhaltensrelevante sensorische Reize in einem schwach elektrischen Fisch

• Antragsteller: Dr. Volker Hofmann
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328981503

In unserem Alltag sind wir in vielerlei Hinsicht abhängig von unseren Sinnen und trotzdem verstehen wir nur sehr begrenzt die Mechanismen mit denen unser Gehirn sensorische Reize verarbeitet und verlässliches Verhalten generiert. Die Aktivität einzelner Neurone unterliegt großer Variabilität und es wird allgemein angenommen, dass Verhalten durch das parallele Auslesen der Signale von vielen Neuronen robust wird (Populations-Code). Um Populations-Codes zu untersuchen, zeichnen Wissenschaftler die simultane Aktivität von vielen Neuronen auf, wodurch entdeckt wurde, dass neuronale Aktivität häufig korreliert ist, sowohl in Hinsicht auf die mittlere Antwortstärke (Signal-Korrelationen) als auch in Hinsicht auf die Variabilität der Antworten (Noise-Korrelationen). Es ist klar, dass solch korrelierte Aktivität einen starken Einfluss auf den neuronalen Code hat. Ob dieser Einfluss positiv oder negativ ist, ist immer noch Zentrum einer kontroversen Debatte. Unser Verständnis dieses Phänomens wird dadurch erschwert, dass die Stärke von neuronalen Korrelationen plastisch ist und sich abhängig vom Verhaltenskontext, dem sensorischen Umfeld oder dem internen Status des Gehirns (z.B. abhängig von Aufmerksamkeit) ändern kann. Diese Plastizität motiviert jedoch zumindest die interessante Theorie, dass Noise-Korrelationen selber sensorische Informationen kodieren können und so einen zusätzlichen und unabhängigen Informationskanal im Gehirn bilden. Diese Theorie wurde bis heute nie experimentell untersucht oder bestätigt. In meinem Forschungsstipendium möchte ich diese Hypothese im elektrosensorischen System des schwach elektrischen Fisches Apteronotus leptorhynchus, ein Südamerikanischer Gymnotide der mittels eines selbst generierten elektrischen Feldes das seinen Körper ständig umgibt navigiert und kommuniziert, untersuchen. Elektrosensorische Neurone in der Medulla zeigen starke Korrelationen und ausgehend von meinen vorläufigen Daten möchte ich zeigen, dass Noise-Korrelationen verhaltensrelevante elektrosensorische Reize graduell kodieren und so einen zusätzlichen und unabhängigen Kanal für die Kodierung von Informationen im Gehirn darstellen. Darauf aufbauend möchte ich danach die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen dieses Kodes untersuchen und offenlegen. Viele wissenschaftliche Erkenntnisse konnten durch die Arbeit mit Modellorganismen gewonnen werden, die ein verhältnismäßig einfaches Gehirn haben, deren Neuroanatomie gut beschrieben ist und deren natürliche verhaltensrelevante Reize gut charakterisiert sind, was alles auf Apteronotus leptorhynchus zutrifft. Darüber hinaus sind sowohl die funktionalen Prinzipien wie auch die molekulare Maschinerie dieses Nervensystems sehr ähnlich zu denen die in höheren Wirbeltieren und Menschen zu finden sind. Daher erwarte ich, dass die in diesem Projekt gewonnen Erkenntnisse von allgemeiner Bedeutung sind und zum allgemeinen Verständnis der Mechanismen mit denen Populations-Codes arbeiten beitragen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeber: Professor Dr. Maurice Chacron