Neuronal interactions between the hippocampus (HIP) and prefrontal cortex (PFC) mediate essential
cognitive brain functions including spatial learning and fear extinction. This project will study how performancedeficits due to pathophysiological or ageing-dependent malfunction in one of the two brain
areas can be ameliorated by BDNF release-dependent compensatory re-shaping of HIP-PFC synaptic
circuits. We hypothesise that the HIP-PFC synaptic circuit provides a platform to serve as a neural
resource that can be tuned by BDNF-dependent mechanisms and exploited as a neural reserve during
age- or disease-related malfunctioning. To test this, we will employ optogenetically controlled BDNF
release in separate experiments in HIP and PFC neurons, respectively, and investigate in a combined
in vivo and ex vivo approach (1) the mechanisms of HIP-PFC neuronal interactions that provide the
compensatory neural reserve/resource and (2) how unlocking this resource can improve cognitive
functions in adult, healthy, aged, and diseased mice.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Die hier beantragte ESF-geförderte internationale OVGU-Graduiertenschule (ESF-GS) Analyse, Bildgebung und Modellierung neuronaler und entzündungsbedingter Prozesse (ABINEP) soll die Ausbildung internationaler Promovierender in den besonders forschungsstarken Profillinien der Medizinischen Fakultät der Otto-von-Guericke-Universität (OVGU) unterstützen und ausbauen. Die durch diese ESF-GS geförderten OVGU-Profillinien sind die Zentren für Neurowissenschaften (CBBS) und für die Dynamischen Systeme (CDS, einschließlich Immunologie/Molekulare Medizin der Entzündung). Die ESF-GS umfasst 4 thematische Module mit insgesamt 21 Stipendiaten, die den o.g. Schwerpunkten z.T. parallel zugeordnet sind und die organisatorisch unter dem zentralen Dach der ABINEP ESF-GS zusammengefasst werden sollen. Jedes der 4 thematischen Module wird mit 5-6 Stipendiaten ausgestattet.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Intentionale, antizipatorische, interaktive Systeme (IAIS) stellen eine neue Klasse nutzerzentrierter Assistenzsysteme dar und sind ein Nukleus für die Entwicklung der Informationstechnik mit entsprechenden KMUs in Sachsen-Anhalt. IAIS nutzt aus Signaldaten abgeleitete Handlungs- und Systemintentionen sowie den affektiven Zustand des Nutzers. Mittels einer Antizipation des weiteren Handelns des Nutzers werden Lösungen interaktiv ausgehandelt. Die aktiven Rollen des Menschen und des Systems wechseln strategisch, wozu neuro- und verhaltensbiologische Modelle benötigt werden. Die im vorhandenen Systemlabor, auf Grundlage des SFB-TRR 62, applizierten Mensch-Maschine-Systeme haben dann das Ziel des Verständnisses der situierten Interaktion. Dies stärkt die regionale Wirtschaft bei der Integration von Assistenzsystemen für die Industrie 4.0 im demographischen Wandel wesentlich.

Projekt im Forschungsportal ansehen

• Qualifizierung der im SFB 779 beschäftigten und assoziierten Doktorandinnen und Doktoranden
• einheitliche Qualitätsstandards für die Promovierenden
• Einhaltung kurzer Promotionszeiten 
• Vereinbarkeit beruflicher Herausforderungen in der Promotionsphase mit Familie und Kindern
• Bereicherung des wissenschaftlichen Lebens am Standort
• Geschlechtergerechtigkeit 

Das Graduiertenkolleg will ein breites neurowissenschaftliches Methodenspektrum vermitteln und legt Wert auf Interdisziplinarität. Es wird inhaltlich mit dem PhD Studiengang Integrative Neuroscience harmonisiert.

Im Rahmen des Graduiertenkollegs werden fünf verschiedene Formen kollegspezifischer Veranstaltungen mit unterschiedlicher Frequenz angeboten, die inhaltlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind:

• Kolloquium (eingeladene Gastrednerinnen und Gastredner, 14-tägig; Auswahl und Vorort-Betreuung der Gäste durch die Kollegiaten
• Kollegiaten-Seminar (Präsentation eigener Ergebnisse, 14-tägig im Wechsel mit dem Kolloquium)
• Vermittlung von Schlüsselqualifikationen in einer Ringvorlesung (1 x monatlich)
• Zusatzmodule zur Verbreiterung des Methodenspektrums und Vertiefung der im Haupt- bzw. Masterstudium erlangten praktischen Fähigkeiten und technologischen Expertise
• Kolleg-Retreat (einmal jährlich; wird von Kollegiaten mitorganisiert)

Projekt im Forschungsportal ansehen

Das Projekt untersucht die Rolle und Funktion sensorischer Systeme und Verstärker-evaluierender Systeme, sowie deren Interaktion, bei unterschiedlich motiviertem Verhalten und während des Erlernens dieses Verhaltens. Im Berichtszeitraum wurde ein experimentelles Paradigma für die Spezies der Mongolischen Wüstenrennmaus entwickelt, welches erlaubt, die Rolle appetitiver Motivation, aversiver Motivation und der Kombination beider Motivationsformen beim Erlernen ein und desselben Verhaltens quantitativ zu untersuchen. Neben Verhaltensuntersuchungen wurden vor allem elektrophysiologische Untersuchungen, Läsionsstudien und Untersuchungen nach intracranialer Mikrostimulation in einem sensorischen System (auditorischer Cortex) und mehreren Verstärker-evaluierenden Systemen (Corpus striatum, Area tegmentalis ventralis, laterale Habenula) durchgeführt. Zusätzlich wurde in diesem Teilprojekt ein vergleichbares Experimentalparadigma für die Spezies Hausmaus entwickelt (Integratives Paradigma), welches die Zusammenarbeit mehrerer neurowissenschaftlicher Arbeitsgruppen in Magdeburg (an der Universität und am Leibniz-Institut) mit unterschiedlicher Expertise (Verhaltenskunde, systemische Elektrophysiologie, Molekularbiologie) an einem gemeinsamen Experiment erlaubt. Im vorliegenden Projekt wurden auch die Tiere für die Proteomuntersuchungen im Zentralprojekt des SFB bereit gestellt. Zusätzlich wurden mit Hilfe von Läsionen und intracranialer Elektrostimulation wesentliche Aspekte des Zusammenspiels von sensorischen und Verstärker-evaluierenden Systemen beim auditorischen Lernen aufgeklärt und publiziert.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Das Teilprojekt Z02 ist das zentrale Verwaltungsprojekt des SFB 779. Hier werden das Rechnungs- und Personalwesen aller Teilprojekte, sowie die Koordination der Interaktionen zwischen den wissenschaftlichen Teilprojekten organisiert. Neben der Sicherstellung der notwendigen Infrastruktur für die Durchführung des wissenschaftlichen Programms des SFBs werden im Zentralprojekt ebenfalls die Teilprojekt-übergreifenden Aktivitäten koordiniert.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Der Ausgangspunkt des Schwerpunktprogramms SPP1665 "Reolving and manipulating neuronal networks in the mammalian brain "from correlative to causal analysis" ist die Feststellung, dass ein Großteil der Forschung über die neuronalen Grundlagen von Wahrnehmung und kognitiven Fähigkeiten korrelativer Natur ist. Um von der korrelativen zu einer kausalen Analyse zu gelangen, muss überprüft werden, ob neuronale Korrelate sowohl notwendig als auch hinreiched für die untersuchten Phänomene der Wahrnehmung und Kognition sind. Hierfür ist es notwendig, neuronale Prozesse gezielt verändern zu können. Im Teilprojekt "Causative Mechanisms of Mesoscopic Activity Patterns in Auditory Category Discrimination", welches in Zusammenarbeit mit Prof. Bertram Schmidt (Institut für Mikrosystemtechnik, OVGU) und Prof. Sonja Grün (Forschungszentrum Jülich) bearbeitet wird, verwenden wir elektrische und optogenetische  Stimulationen im Hörcortex, gezielt neuronale Prozesse, die der Diskrimination von akustischen Signalen, sowie der auditorischen Kategorienbildung zu Grunde liegen. Kategorienbildung und Konzeptlernen sind dabei elementare Prozesse der Kognition.

Projekt im Forschungsportal ansehen

It is well established that variance of stimulus-related neuronal activity in auditory cortex (as well as in other sensory cortices) can in part be explained by the physical characteristics of the auditory stimuli (bottom-up processes), and not-stimulus-related factors, like attention, expectation, learning, or task in which the perceiving subject is engaged. This project aims at identifying physiological correlates of bottom-up and top-down processes and their interaction in the auditory cortex of Mongolian gerbils during the processing of frequency-modulated sounds, a stimulus class that is of importance for environmental sounds, communication sounds in gerbils and humans (speech), and for which relevance of cortical processing has previously been demonstrated. The project combines several approaches, including behavioral analysis, electrophysiological techniques and pharmacological manipulation, as well as experimental paradigms that have been developed in the first two funding periods. Three major aims are (1) the accomplishment of the newly developed residual CSD analysis, that allows dissociation of the recruitments of thalamocortical and intracortical circuits, while the animal develops its target-discrimination performance in a learning experiment, (2) the validation of the inferred dissociations of thalamocortical and intracortical circuit contributions to neuronal activity patterns across cortical laminae, and (3) the investigation of the modulatory effects of the neurotransmitter dopamine, the relevance of which for the investigated learned has previously been demonstrated, on the neuronal cortical circuits recruited during learning.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Neurophysiologie der Reizbewertung und des Strategiewechsels

Inhalt
Im interaktiven Dialog zwischen Nutzer und Companion ist die Fähigkeit zum Strategiewechsel auf beiden Seiten Grundlage einer erfolgreichen Kommunikation. Hierbei wird unter Strategiewechsel eine Änderung in Handlungsplanung und/oder -ausführung bei Beibehaltung der übergeordneten Zielstellung verstanden. Die physiologischen (in biologischen Systemen) bzw. algorithmischen Grundlagen (in technischen Systemen) des Strategiewechsels sind weitgehend ungeklärt. Grundlage für Strategiewechsel ist die Fähigkeit, sensorische Information im Lichte gemachter Erfahrungen bewerten zu können. Die Fähigkeit der Reizbewertung ist für biologische kognitive Systeme typisch, doch auch hier sind die ihr zu Grunde liegenden Mechanismen kaum verstanden. Ziel dieses Teilprojektes ist es, die physiologischen Grundlagen der Reizbewertung und des Strategiewechsels aufzuklären und sie für technische Systeme nutzbar zu machen.

Hierzu soll ein Tiermodell verwendet werden, in welchem neuronale Mechanismen von Reizbewertung und Strategiewechsel in hinreichend komplexen, aber der präzisen physiologischen Analyse zugänglichen, Dialog-ähnlichen Verhaltenssituationen erforscht werden können: Das Diskriminationslernen in einem etablierten Go/NoGo-Paradigma erlaubt die Abbildung zweier klassischer Szenarien zum Strategiewechsel, nämlich veränderte Merkmals-Selektion und veränderte Handlungs-Zusweisung in ein solches Tiermodell. Im Szenario der veränderten Merkmals-Selektion ist ein Dialogpartner gezwungen, andere als die bisher dienlichen Merkmale von Reizen des eingehenden Informationsstroms zu verwenden, um Handlungsentscheidungen zu treffen. Im Szenario der veränderten Handlungs-Zuweisung müssen unveränderten Merkmalen eintreffender Reize nunmehr andere als die bisherigen Handlungen zugeordnet werden. Ein prototypisches Beispiel für veränderte Handlungs-Zuweisung ist die Kontingenz-Umkehr, bei der zwei Reizen, die bisher mit zwei verschiedenen Bedeutungen assoziiert waren, die gleichen Bedeutungen aber in umgekehrter Zuordnung zugewiesen werden. In beiden Szenarien erhält das handelnde Subjekt über die Rückkopplung aus der Umwelt (inklusive etwaiger Dialogpartner) Information über die Konsequenzen der aktuell eingeschlagenen Handlungsstrategie. Die zeitliche Struktur dieser Rückkopplung und ihre Bedeutung für erfolgreiche Strategiewechsel sind weitere Schwerpunkte dieses Teilprojektes.

Projekt im Forschungsportal ansehen

In diesem Projekt kooperieren wir mit einer Gruppe Mathematikern (Prof. Robert Kozma, University of Memphis, TN) über abrupte (im Gegensatz zu kontinuierlichen) Veränderungen in Lernprozessen. Das Projekt untersucht verhaltensrelevante Aspekte derartiger abrupter Prozesse (z.B. Lernen durch plötzliche Einsicht, "Aha-Moment", Strategiewechsel, etc.) und deren neuronale Grundlagen (Phasenübergangsverhalten in dynamischen Systemen) in einem Nager-Lernmodell. Ziel dieses Projektes ist es, die zu Grunde liegenden neuronalen Prozesse algorithmisch zu fassen, um damit ihre Implementierung in künstlichen kognitiven Systemen zu ermöglichen. Das Testszenario ist hierbei die Verwendung dieser Algorithmen für die Steuerung autonomer Fahrroboter.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Der Ausgangspunkt des Schwerpunktprogramms SPP1665 "Reolving and manipulating neuronal networks in the mammalian brain from correlative to causal analysis" ist die Feststellung, dass ein Großteil der Forschung über die neuronalen Grundlagen von Wahrnehmung und kognitiven Fähigkeiten korrelativer Natur ist. Um von der korrelativen zu einer kausalen Analyse zu gelangen, muss überprüft werden, ob neuronale Korrelate sowohl notwendig als auch hinreiched für die untersuchten Phänomene der Wahrnehmung und Kognition sind. Hierfür ist es notwendig, neuronale Prozesse gezielt verändern zu können. Im Teilprojekt "Causative Mechanisms of Mesoscopic Activity Patterns in Auditory Category Discrimination", welches in Zusammenarbeit mit Prof. Bertram Schmidt (Institut für Mikrosystemtechnik, OVGU) und Prof. Sonja Grün (Forschungszentrum Jülich) bearbeitet wird, verwenden wir elektrische und optogenetische  Stimulationen im Hörcortex, gezielt neuronale Prozesse, die der Diskrimination von akustischen Signalen, sowie der auditorischen Kategorienbildung zu Grunde liegen. Kategorienbildung und Konzeptlernen sind dabei elementare Prozesse der Kognition.

Projekt im Forschungsportal ansehen

• Qualifizierung der im SFB 779 beschäftigten und assoziierten Doktorandinnen und Doktoranden
• einheitliche Qualitätsstandards für die Promovierenden
• Einhaltung kurzer Promotionszeiten 
• Vereinbarkeit beruflicher Herausforderungen in der Promotionsphase mit Familie und Kindern
• Bereicherung des wissenschaftlichen Lebens am Standort
• Geschlechtergerechtigkeit 

Das Graduiertenkolleg will ein breites neurowissenschaftliches Methodenspektrum vermitteln und legt Wert auf Interdisziplinarität. Es wird inhaltlich mit dem PhD Studiengang Integrative Neuroscience harmonisiert.

Im Rahmen des Graduiertenkollegs werden fünf verschiedene Formen kollegspezifischer Veranstaltungen mit unterschiedlicher Frequenz angeboten, die inhaltlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind:

• Kolloquium (eingeladene Gastrednerinnen und Gastredner, 14-tägig; Auswahl und Vorort-Betreuung der Gäste durch die Kollegiaten
• Kollegiaten-Seminar (Präsentation eigener Ergebnisse, 14-tägig im Wechsel mit dem Kolloquium)
• Vermittlung von Schlüsselqualifikationen in einer Ringvorlesung (1 x monatlich)
• Zusatzmodule zur Verbreiterung des Methodenspektrums und Vertiefung der im Haupt- bzw. Masterstudium erlangten praktischen Fähigkeiten und technologischen Expertise
• Kolleg-Retreat (einmal jährlich; wird von Kollegiaten mitorganisiert)

Projekt im Forschungsportal ansehen

Das Projekt untersucht die Rolle und Funktion sensorischer Systeme und Verstärker-evaluierender Systeme, sowie deren Interaktion, bei unterschiedlich motiviertem Verhalten und während des Erlernens dieses Verhaltens. Im Berichtszeitraum wurde ein experimentelles Paradigma für die Spezies der Mongolischen Wüstenrennmaus entwickelt, welches erlaubt, die Rolle appetitiver Motivation, aversiver Motivation und der Kombination beider Motivationsformen beim Erlernen ein und desselben Verhaltens quantitativ zu untersuchen. Neben Verhaltensuntersuchungen wurden vor allem elektrophysiologische Untersuchungen, Läsionsstudien und Untersuchungen nach intracranialer Mikrostimulation in einem sensorischen System (auditorischer Cortex) und mehreren Verstärker-evaluierenden Systemen (Corpus striatum, Area tegmentalis ventralis, laterale Habenula) durchgeführt. Zusätzlich wurde in diesem Teilprojekt ein vergleichbares Experimentalparadigma für die Spezies Hausmaus entwickelt (Integratives Paradigma), welches die Zusammenarbeit mehrerer neurowissenschaftlicher Arbeitsgruppen in Magdeburg (an der Universität und am Leibniz-Institut) mit unterschiedlicher Expertise (Verhaltenskunde, systemische Elektrophysiologie, Molekularbiologie) an einem gemeinsamen Experiment erlaubt. Im vorliegenden Projekt wurden auch die Tiere für die Proteomuntersuchungen im Zentralprojekt des SFB bereit gestellt. Zusätzlich wurden mit Hilfe von Läsionen und intracranialer Elektrostimulation wesentliche Aspekte des Zusammenspiels von sensorischen und Verstärker-evaluierenden Systemen beim auditorischen Lernen aufgeklärt und publiziert.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Das Teilprojekt Z02 ist das zentrale Verwaltungsprojekt des SFB 779. Hier werden das Rechnungs- und Personalwesen aller Teilprojekte, sowie die Koordination der Interaktionen zwischen den wissenschaftlichen Teilprojekten organisiert. Neben der Sicherstellung der notwendigen Infrastruktur für die Durchführung des wissenschaftlichen Programms des SFBs werden im Zentralprojekt ebenfalls die Teilprojekt-übergreifenden Aktivitäten koordiniert.

Projekt im Forschungsportal ansehen

It is well established that variance of stimulus-related neuronal activity in auditory cortex (as well as in other sensory cortices) can in part be explained by the physical characteristics of the auditory stimuli (bottom-up processes), and not-stimulus-related factors, like attention, expectation, learning, or task in which the perceiving subject is engaged. This project aims at identifying physiological correlates of bottom-up and top-down processes and their interaction in the auditory cortex of Mongolian gerbils during the processing of frequency-modulated sounds, a stimulus class that is of importance for environmental sounds, communication sounds in gerbils and humans (speech), and for which relevance of cortical processing has previously been demonstrated. The project combines several approaches, including behavioral analysis, electrophysiological techniques and pharmacological manipulation, as well as experimental paradigms that have been developed in the first two funding periods. Three major aims are (1) the accomplishment of the newly developed residual CSD analysis, that allows dissociation of the recruitments of thalamocortical and intracortical circuits, while the animal develops its target-discrimination performance in a learning experiment, (2) the validation of the inferred dissociations of thalamocortical and intracortical circuit contributions to neuronal activity patterns across cortical laminae, and (3) the investigation of the modulatory effects of the neurotransmitter dopamine, the relevance of which for the investigated learned has previously been demonstrated, on the neuronal cortical circuits recruited during learning.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Neurophysiologie der Reizbewertung und des Strategiewechsels

Inhalt
Im interaktiven Dialog zwischen Nutzer und Companion ist die Fähigkeit zum Strategiewechsel auf beiden Seiten Grundlage einer erfolgreichen Kommunikation. Hierbei wird unter Strategiewechsel eine Änderung in Handlungsplanung und/oder -ausführung bei Beibehaltung der übergeordneten Zielstellung verstanden. Die physiologischen (in biologischen Systemen) bzw. algorithmischen Grundlagen (in technischen Systemen) des Strategiewechsels sind weitgehend ungeklärt. Grundlage für Strategiewechsel ist die Fähigkeit, sensorische Information im Lichte gemachter Erfahrungen bewerten zu können. Die Fähigkeit der Reizbewertung ist für biologische kognitive Systeme typisch, doch auch hier sind die ihr zu Grunde liegenden Mechanismen kaum verstanden. Ziel dieses Teilprojektes ist es, die physiologischen Grundlagen der Reizbewertung und des Strategiewechsels aufzuklären und sie für technische Systeme nutzbar zu machen.

Hierzu soll ein Tiermodell verwendet werden, in welchem neuronale Mechanismen von Reizbewertung und Strategiewechsel in hinreichend komplexen, aber der präzisen physiologischen Analyse zugänglichen, Dialog-ähnlichen Verhaltenssituationen erforscht werden können: Das Diskriminationslernen in einem etablierten Go/NoGo-Paradigma erlaubt die Abbildung zweier klassischer Szenarien zum Strategiewechsel, nämlich veränderte Merkmals-Selektion und veränderte Handlungs-Zusweisung in ein solches Tiermodell. Im Szenario der veränderten Merkmals-Selektion ist ein Dialogpartner gezwungen, andere als die bisher dienlichen Merkmale von Reizen des eingehenden Informationsstroms zu verwenden, um Handlungsentscheidungen zu treffen. Im Szenario der veränderten Handlungs-Zuweisung müssen unveränderten Merkmalen eintreffender Reize nunmehr andere als die bisherigen Handlungen zugeordnet werden. Ein prototypisches Beispiel für veränderte Handlungs-Zuweisung ist die Kontingenz-Umkehr, bei der zwei Reizen, die bisher mit zwei verschiedenen Bedeutungen assoziiert waren, die gleichen Bedeutungen aber in umgekehrter Zuordnung zugewiesen werden. In beiden Szenarien erhält das handelnde Subjekt über die Rückkopplung aus der Umwelt (inklusive etwaiger Dialogpartner) Information über die Konsequenzen der aktuell eingeschlagenen Handlungsstrategie. Die zeitliche Struktur dieser Rückkopplung und ihre Bedeutung für erfolgreiche Strategiewechsel sind weitere Schwerpunkte dieses Teilprojektes.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Neurophysiologische Mechanismen, die motiviertem Verhalten und Lernen (also Änderungen motivierten Verhaltens) zu Grunde liegen werden zur Zeit in zwei historisch getrennten Forschungsdisziplinen untersucht. Das Gebiet der sensorischen Lernplastizität untersucht, wie Verstärker (z.B. Belohnungen oder Bestrafungen) die Repräsentation von Reizen (z.B. von akustischen oder visuellen Signalen) im Gehirn verändern können. Das Gebiet der Physiologie der Verstärkung untersucht die Wirkung und Repräsentation der Verstärker selbst. Während das erstgenannte Forschungsgebiet traditionell auf die sensorischen Systeme, vor allem die sensorischen Cortices, fokussiert, hat das zweite Gebiet eine Reihe corticaler und subcorticaler Systeme als Verstärker-evaluierende Systeme identifizieren können. Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes ist die Integration dieser beiden, bisher noch nicht aufeinander bezogenen, Forschungsdiziplinen in experimenteller und theoretischer Hinsicht. Zentral ist in diesem Projekt die experimentelle Untersuchung des Einflusses klassischer Modellparameter von Verstärkungs-Theorien (Polarität und Intensität des Verstärkers, sowie Abweichung von erwarteten Werten oder Attributen des Verstärkers) im sensorischen System (auditorischer Cortex), sowie die Untersuchung der neuronalen Interaktion zwischen sensorischen und Verstärker-evaluierenden Systemen (insbes. Striatum und orbitofrontaler Cortex). Hierzu werden elektrophysiologische Ableitungen von lokalen Feldpotentialen und Multiunit-Aktivitäten in den genannten Hirnstrukturen bei wachen, sich verhaltenden, Wüstenrennmäusen durchgeführt. Zwei weitere Ziele des Projektes sind die Übertragung der etablierten und hier weiterentwickelten Verhaltensparadigmen (im Gesamtantrag als integratives Paradigma bezeichnet) auf die Spezies Maus und die Zurverfügungstellung der Gewebe für die protemomischen Untersuchungen im Rahmen des Teilprojektes Z1.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Das Projekt untersucht die Rolle und Funktion sensorischer Systeme und Verstärker-evaluierender Systeme, sowie deren Interaktion, bei unterschiedlich motiviertem Verhalten und während des Erlernens dieses Verhaltens. Im Berichtszeitraum wurde ein experimentelles Paradigma für die Spezies der Mongolischen Wüstenrennmaus entwickelt, welches erlaubt, die Rolle appetitiver Motivation, aversiver Motivation und der Kombination beider Motivationsformen beim Erlernen ein und desselben Verhaltens quantitativ zu untersuchen. Neben Verhaltensuntersuchungen wurden vor allem elektrophysiologische Untersuchungen, Läsionsstudien und Untersuchungen nach intracranialer Mikrostimulation in einem sensorischen System (auditorischer Cortex) und mehreren Verstärker-evaluierenden Systemen (Corpus striatum, Area tegmentalis ventralis, laterale Habenula) durchgeführt. Zusätzlich wurde in diesem Teilprojekt ein vergleichbares Experimentalparadigma für die Spezies Hausmaus entwickelt (Integratives Paradigma), welches die Zusammenarbeit mehrerer neurowissenschaftlicher Arbeitsgruppen in Magdeburg (an der Universität und am Leibniz-Institut) mit unterschiedlicher Expertise (Verhaltenskunde, systemische Elektrophysiologie, Molekularbiologie) an einem gemeinsamen Experiment erlaubt. Im vorliegenden Projekt wurden auch die Tiere für die Proteomuntersuchungen im Zentralprojekt des SFB bereit gestellt. Zusätzlich wurden mit Hilfe von Läsionen und intracranialer Elektrostimulation wesentliche Aspekte des Zusammenspiels von sensorischen und Verstärker-evaluierenden Systemen beim auditorischen Lernen aufgeklärt und publiziert.

Projekt im Forschungsportal ansehen

The motivation for our project is to better understand the neuronal dynamics in cortical networks. This is a prerequisite for the design of new brain-machine interfaces and the implementation of cortical neuroprostheses. A key issue in this topic is the understanding of how input into cortical networks is processed. The project aims at integrating experimental and theoretical approaches to unravel the mechanisms underlying amplitude and phase modulation in neocortical activity exploiting the complementary expertises from three domains: human scalp electrophysiology (Herrmann), human intracranial electrophysiology (Hinrichs), and animal intracranial electrophysiology (Ohl).Some of the questions to be addressed are:·Is bottom-up modulation of cortical activity after sensory input predominantly reflected in the phase organization and top-down modulation rather in amplitude parameters?·What are intracortical and thalamocortical contributions to cortical oscillations?·How do classical parameters of single unit activity (spike timing, spike probability, correlations, etc.) relate to classical parameters of neuronal mass activity (amplitude and phase structure of LFP and EEG)?·We aim at testing hypotheses on the mechanisms underlying modulation of amplitude and phase structure of EEG by predicting effects of pharmacological manipulations (e.g. selective facilitation or inhibition of transmitter systems) in the animal model. The predictions are arrived at using a biologically plausible model of the cortical network.

Projekt im Forschungsportal ansehen

The neuronal interplay between cortical and striatal systems is believed to play a central role in the organization of learning. However, a number of critical aspects of this hypothesized interplay pertaining to its precise role in learning and the neural mechanisms for its implementation are still unknown. These aspects include the potential differentiation of cortico-striatal interplay between learning situations that include the option for behavioural strategies of improving the present state (operant learning) and those that do not (classical conditioning). Also, the temporal relationships between neural activity and striatum, respectively, with their implications for resolving the processing hierarchy in the cortico-striatal interplay during such learning situations are presently not well understood. A third aspect is the unclear role of cortico-striatal interplay in cortico-cortical information transfer as it appears in crossmodal learning transfer paradigms.The proposed project aims at a more fundamental understanding of the role and mechanisms of the cortico-striatal interplay in learning situations by combining suitable behavioral paradigms with simultaneous registration of brain activity from cortex and striatum. Brain activities will be derived from measuring electrophysiological recording, optical recording of intrinsic signals (ORIS) and voltage-sensitive dyes (VSD) as well as functional magnetic resonance imaging (fMRI) (in collaboration with TP1). While electrophysiological recording will provide access to both cortex and striatum this method is insufficient with respect to spatial sampling. ORIS and VSD, while providing sufficient spatial resolution, are limited to surface brain structures and cannot be used to access striatum. Here, electrophysiology and optical imaging will be complemented by fMRI which allows observation of this deep brain structure. Our theoretical work (in close collaboration with TP2A,B) will include the transformation of 3D electrophysiological data on intracortical current source density distributions to 2D data on the BOLD response observed on the cortical surface with ORIS.

Projekt im Forschungsportal ansehen

The aim of the project is the development of an interactive neuroprosthesis for the auditory cortex. Instead of a fixed stimulation protocol an interactive neuroprosthesis dynamically adapts its stimulation strategy based on an evaluation of the ongoing activity in the nervous system. With this novel approach we aim at a realization of a true functional stimulation of the auditory cortex and hence the neuroprosthetic therapy for patients with functional lesions located central to the auditory nerve.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Today's computers can do many amazing things but there are still many trivial but important tasks they cannot do well. In particular, current information extraction techniques perform well when event types are well represented in the training data but often fail when encountering information-rich unexpected rare events. DIRAC project addresses this crucial machine weakness and aims at designing and developing an environment-adaptive autonomous artificial cognitive system that will detect, identify and classify possibly threatening rare events from the information derived by multiple active information-seeking audio-visual sensors.Biological organisms rely for their survival on detecting and identifying new events. DIRAC therefore strives to combine its expertise in physiology of mammalian auditory and visual cortex and in audio/visual recognition engineering with the aim to move the art of audiovisual machine recognition from the classical signal processing/pattern classification paradigm to human-like information extraction. This means, among other things, to move from interpretation of all incoming data to reliable rejection of non-informative inputs, from passive acquisition of a single incoming stream to active search for the most relevant information in multiple streams, and from a system optimized for one static environment to autonomous adaptation to new changing environments, thus forming foundation for a new generation of efficient cognitive information processing technologies.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Das zentrale Problem bei der Entwicklung corticaler sensorischer Neuroprothesen ist die Erzeugung definierter Wahrnehmungen durch direkte elektrische intracorticale Stimulation. Zur Erreichung dieses Ziels muss geklärt werden, welche corticalen Aktivitätszustände Wahrnehmungen zugrunde liegen und wie diese Aktivitätszustände durch intracorticale elektrische Stimulation erzeugt werden können. Aktuelle Forschung fokussiert auf das Problem, dass perzeptuell relevante neuronale Aktivitätsmuster sehr stark durch die endogene Dynamik corticaler Aktivität bestimmt werden, wie die Vorarbeiten unserer Gruppe und konvergente Ergebnisse anderer Gruppen gezeigt haben. Ein weiteres Problem besteht in der schlecht kontrollierbaren räumlichen Ausbreitung elektrisch evozierter corticaler Aktivität. Hieraus resultiert die Notwendigkeit zu verstehen, wie gewünschte Aktivitätsmuster in einem aktiven corticalen Netzwerk durch exogene Stimulation erzeugt werden können, welches derartige Muster aber hauptsächlich durch Selbstorganisation seiner endogenen Dynamik erzeugt. Das vorliegende Projekt fasst diesen Sachverhalt als ein kontroll-theoretisches Problem auf. Zur quantitativen Charakterisierung der durch intracorticale elektrische Stimulation evozierten Aktivität müssen (a) eine für die Bearbeitung des kontroll-theoretischen Problems geeignete Beschreibungs- und Modellebene gefunden werden und (b) die auf dieser Ebene relevanten Parameter messtechnisch bestimmt werden.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Das Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung neurophysiologischer Mechanismen der Reizbewertung. Hierzu ist ein Tiermodell etabliert worden, welches (1) eine Dialog-ähnliche Situation in einer Versuchstiergerechten Weise modelliert, dabei aber (2) gleichzeitig für neurophysiologische Untersuchungen zugänglich ist. Die Dialogsituation wird dabei im Rahmen eines Diskriminationsexperimentes modelliert, welches auf dem aktuellen Forschungsstand zu den neurophysiologischen Grund-lagen der Bewertung von Reizen anhand ihrer Prädiktionsstärke für zu erwartende Belohnungen ("reward prediction") basiert, diese aber um die für die Verhaltenssteuerung äußerst wichtige Unterscheidung zwischen "appetitiven Verstärkungen" (Belohnungen) und "aversiven Verstärkungen" (Bestrafungen) erweitert. Die neurophysiologische Analyse erfolgt auf der Basis elektrophysiologischer Ableitungen in verschiedenen Hirnarealen.

Projekt im Forschungsportal ansehen

In diesem Projekt sollen die neuronalen Grundlagen der Interaktion von bottom-up- und top-down-Prozessen beim aktiven Hören aufgeklärt werden. Hierbei wird ein eingeführtes Tiermodell (Wüstenrennmaus) und eine Reizklasse (frequenzmodulierte Töne) verwendet, für deren Verarbeitung unsere Vorarbeiten die Rekrutierung beider Arten von Prozessen bereits gezeigt haben (Ohl et al., Nature, 2001). Die Aufklärung der neuronalen Grundlagen der Interaktion beider Prozesse soll durch die in geeigneter Weise durchgeführte Zusammenführung verschiedener anatomisch-physiologischer und verhaltenswissenschaftlicher Methoden erreicht werden.Zwei Elementarprozesse des aktiven Hörens sind die Konstitution eines Hörobjektes und dessen Selektion für den Wahrnehmungsprozess. Während der erstgenannte Prozess wahrscheinlich zum großen Teil "automatisch ablaufende" Subprozesse rekrutiert, die - neuronal betrachtet - von den Erregungsmustern des sensorischen Epithels zu neuronalen Repräsentationen in zentraleren Teilen des Hörsystems führen ("bottom-up"), spielen beim zweitgenannten Prozess noch wenig verstandene Subprozesse eine Rolle, die in Abhängigkeit von der momentanen Wahrnehmungssituation (etwa bedingt durch selektive Aufmerksamkeit oder zurückliegende Lernerfahrungen) auf diese Repräsentation rückwirken ("top-down"). Ziel dieses Projektes ist es, anhand einer bestimmten Signalklasse, nämlich linear frequenzmodulierter (FM) Töne, und durch Wahl geeigneter Verhaltensparadigmen (a) neuronale Korrelate dieser beiden Prozesse zu identifizieren und zu differenzieren, sowie (b) die anatomischen und physiologischen neuronalen Grundlagen des Ineinandergreifens dieser beiden Prozesse zu erforschen.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Interaktiven Neuroprothese für den auditorischen Cortex. Anders als klassische Neuroprothesen verwendet eine Interaktive Neuroprothese kein starres Stimulationsprogramm für das Nervensystem sondern, sondern reagiert in definiertem Umfang auf spezifische Aktivitätsmuster desselben. Dieses neue Prinzip soll erstmalig die funktionelle Reizung des auditorischen Cortex ermöglichen und somit auch die neuroprothetische Versorgung von Patienten mit zentralwärts des auditorischen Nerven lokalisierten Schädigungen, die nicht von einer Innenohrprothese (Cochlea-Implantat) profitieren können. Erstes Teilziel des Projektes ist die Identifikation geeigneter neurophysiologischer Observable für den Interaktionsprozess zwischen Prothese und corticaler Aktivität. Hierfür wird ein besseres Verständnis der Integration von durch künstliche Prothesen eingespeister Information in die endogene corticale Aktivität benötigt. Um dieses zu erreichen, werden zunächst die endogene neuronale Dynamik sowie die durch akustische Reize oder elektrische Reize evozierte neuronale Dynamik im auditorischen Cortex an einem geeigneten Tiermodell (Wüstenrennmaus) untersucht. Hierzu wurden Versuchstiere mit einer nicht-interaktiven 2-kanaligen Neuroprothese implantiert und untersucht, welche physiologischen Oberservable die höchste Prädiktions-Stärke für die korrekte und inkorrekte Diskrimination der Reizelektrode durch das lernende Versuchstier besitzen. Es ist bisher gelungen, raumzeitliche Akivitätsmuster in der b- und g-Aktivität des epiduralen Elektrocorticograms zur erfolgreichen Klassifikation der Verhaltensantworten zu verwenden. Diese Muster sind räumlich stärker fokal organisiert als vergleichbare, die bei akustischer Stimulation beschrieben wurden (Ohl et al., Nature, 2001), sind jedoch ähnlich in ihrer zeitlichen Ausdehnung und modalen Dauer. Interessanterweise treten signifikante Klassifikationen zu Post-Stimulus-Zeitpukten auf, von welchen wir gezeigt haben, dass durch den Elektrodenort aufgeprägte Amplitudenunterschiede der evozierten Antwort bereits nicht mehr existieren. Dieser Befund spricht für ein eher holographisches als topographisches Repräsentationsprinzip, mit welchem der Cortex möglicherweise das Problem des "spatial blur" nach Elektrostimulation löst.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Im vorliegenden Teilprojekt sollen neurophysiologische Mechanismen der Reizbewertung und ihre Wirkung auf die Repräsentation und Weiterverarbeitung von Reizen in sensorischen Systemen in einem geeigneten Modellsystem für ein biologisches kognitives System in einer Dialogsituation untersucht werden. Die Dialogsituation wird in Versuchstier-gerechter Weise durch ein Diskriminations-/Kategorisierungsexperiment modelliert. Die geplanten Untersuchungen bauen dabei auf dem aktuellen Forschungsstand zu den neurophysiologischen Grundlagen der Bewertung von Reizen anhand ihrer Prädiktionsstärke für zu erwartende Belohnungen ("reward prediction") auf, erweitern diese allerdings um die für die Verhaltenssteuerung äußerst wichtige Unterscheidung zwischen "positiven Bewertungen" (Belohnungen) und "negativen Bewertungen" (Bestrafungen). Ziel der Untersuchungen ist ein algorithmisches Verständnis der zu Grunde liegenden Prinzipien, die eine Implementierung in künstliche technische Systeme erlaubt.

Projekt im Forschungsportal ansehen

Das zentrale Problem für die Entwicklung corticaler sensorischer Neuroprothesen ist die Erzeugung gewünschter raumzeitlicher Aktivitätsmuster im Cortex (Kontrolle neuronaler Dynamik), in welchem sich derartige Muster aufgrund von endogenen Gesetzen (Selbstorganisation neuronaler Dynamik) entwickeln. Im vorliegenden Projekt werden endogene und elektrisch evozierte Dynamiken in einem in-vivo-Modellsystem untersucht. Ziel des Projektes ist die Aufklärung der Rolle endogener Dynamiken (1) für die Evozierbarkeit definierter raumzeitlicher Aktivitätsmuster und (2) für die perzeptuelle Interpretierbarkeit der elektrisch evozierten Muster, unter Verwendung elektrophysiologischer und pharmakologischer Methoden sowie von Verhaltenstrainings. Unter "Aufklärung" wird hierbei die Konstruktion eines bezüglich der involvierten neuronalen Strukturen, ihren physiologischen Interaktionen und den hierdurch getragenen neuronalen Operationen (im Sinne der "computational neurosciences") expliziten Modells als Grundlage für die Konstruktion von corticalen Neuroprothesen verstanden.

Projekt im Forschungsportal ansehen