Mission / Vision

Mission / Vision

Das Max-Planck-Institut für Hirnforschung widmet sich als Einrichtung der Grundlagenforschung und der wissenschaftlichen Ausbildung der Erforschung des Gehirns. Das menschliche Gehirn ist eine beeindruckend komplexe Maschine, bestehend aus etwa hundert Milliarden Neuronen und Billionen von Schnittstellen bzw. Synapsen zwischen ihnen. Aus einem solchen System entstehen wie von Zauberhand Wahrnehmung, Verhalten und Denken. Das Gehirn wird oft als die "komplexeste Maschine im bekannten Universum" bezeichnet.

Gehirne sind Produkte der Evolution, eine Reaktion biologischer Organismen auf Selektionsdruck. Folglich lösen Gehirne viele komplexe, aber dennoch spezialisierte Probleme: Nahrung finden, Gefahren identifizieren und vermeiden, Verwandte erkennen, aus vergangenen Assoziationen lernen, die nahe Zukunft vorhersagen, kommunizieren und - bei einigen wenigen Spezies - Wissen weitergeben. Das alles scheint einfach zu sein. Doch wir wissen, dass diese Probleme komplex sind, denn unsere Versuche, sie mit künstlichen Maschinen zu lösen, waren bisher enttäuschend. Heutige Computer werden immer besser im Lösen von rein rechnerischen Problemen (Schach zum Beispiel). Aber sie sind noch immer schlecht darin, Objekt-, Schrift- oder Gesichtserkennungsaufgaben zu lösen, Operationen, die unser Gehirn mühelos ausführt. Und Gehirne arbeiten mit sehr wenig Energie (etwa 30 W beim Menschen). Sie sind ein Triumph der Effizienz.

Das Gehirn zu studieren und zu verstehen ist aus vielen Gründen wichtig. Erstens ist es eine faszinierende wissenschaftliche Herausforderung. Aufgrund der Vielfalt und Komplexität der grundlegenden Probleme, mit denen wir konfrontiert sind, ist die moderne Neurowissenschaft eine interdisziplinäre Wissenschaft par excellence, an der (unter anderem) Wissenschaftler*innen aus den Bereichen Molekularbiologie, Biochemie, Genetik, Elektrophysiologie, Verhaltensforschung, Psychologie, Physik, Informatik, Ingenieurwesen und Mathematik beteiligt sind. Das Verständnis des Gehirns erfordert sowohl reduktionistische als auch synthetische Ansätze. Einfach gesagt ist Hirnforschung eine gewaltige und interessante Herausforderung für Wissenschaftler, die mit Leidenschaft Grundlagenforschung betreiben.

Zweitens ist das Verständnis des Gehirns von überragender Bedeutung für die Medizin. Daten der Weltgesundheitsorganisation zeigen, dass psychiatrische und neurologische Erkrankungen zu den Hauptursachen für Behinderungen und Krankheiten gehören. Tatsächlich machten im Jahr 2005 Erkrankungen des Gehirns 35 % der wirtschaftlichen Belastung durch Krankheiten auf dem europäischen Kontinent aus. Obwohl unser Institut keine medizinische Einrichtung ist, ist die Erkenntnis, die wir gewinnen (z. B. über Mechanismen der neuronalen Entwicklung, synaptische Plastizität oder Hirndynamik), von grundlegender Bedeutung für die angewandte neurologische Forschung (z. B. für neurodegenerative Erkrankungen oder psychiatrische Störungen).

Unser Ziel ist es, eine Institution zu sein, in der einige der besten Wissenschaftler der Welt zusammenarbeiten, um die Vorgänge und die Funktion von Nervensystemen zu verstehen. Unser wissenschaftlicher Schwerpunkt liegt auf Schaltkreisen oder Netzwerken von interagierenden Komponenten - Molekülen in einem Neuron, Neuronen in einem lokalen Schaltkreis, Kommunikation zwischen Schaltkreisen. Die experimentellen Arbeiten am Institut werden an nicht-Primaten-Spezies (z.B. Ratten und Mäusen, Fischen) durchgeführt, in einer interdisziplinären, interaktiven Umgebung, die im Herzen des naturwissenschaftlichen Campus der Goethe-Universität in Frankfurt am Main liegt. Unsere unmittelbaren Nachbarn und wissenschaftlichen Partner sind die Fachbereiche für Biologie, Chemie und Physik der Goethe-Universität, das Frankfurt Institute of Advanced Studies (FIAS) und das Max-Planck-Institut für Biophysik. Darüber hinaus bestehen enge Beziehungen zu den Fachbereichen Medizin, Informatik (Goethe Center for Scientific Computing) und Mathematik der Goethe-Universität, sowie zum Ernst Strüngmann Institut, dessen Schwerpunkt auf den kognitiven Neurowissenschaften liegt.

Forschung im Überblick

Die Forschung am Max-Planck-Institut für Hirnforschung konzentriert sich auf die Funktionsweise von Schaltkreisen im Gehirn. Sie wird derzeit in drei wissenschaftlichen Abteilungen (Helmstaedter, Schuman und Laurent), vier Max-Planck-Forschungsgruppen (Tchumatchenko, Ito, Gjorgjieva und Stempel) und einer Max-Planck-Fellow-Gruppe (Acker-Palmer) in unserem neuen Institutsgebäude (Riedberg), sowie in der Emeritus-Abteilung von Wolf Singer am alten Institutsgebäude (Niederrad) durchgeführt.

Funktion der Schaltkreise

Schaltkreise im Gehirn können auf vielen verschiedenen Ebenen betrachtet werden. Diese Ebenen umfassen die Interessen des MPI für Hirnforschung.

Beispielsweise beinhaltet das intrazelluläre Proteinnetzwerk in den Synapsen alle wesentlichen Merkmale von Schaltkreisen, einschließlich verbundener Elemente, Kommunikation, Regulation und Rückkopplung. Als Reaktion auf Signale von anderen Neuronen in einem Schaltkreis interpretieren Synapsen ihre Eingangsreize und wandeln sie in neue Ausgangsreize um.  Einige Eingangsinformationen modifizieren das intrazelluläre Netzwerk, indem sie die lokale Ionen- und Proteinumgebung verändern, was zu einer Veränderung der synaptischen Reaktion führt.

Neuronale Netzwerke sind eine weitere grundlegende Einheit der Gehirnfunktion: Das Gehirn berechnet (transformiert) Eingangsreize (von außen über die Sinne, oder von innen über Gedanken, Erinnerungen usw.) in adaptive Ausgangssignale (motorisches Verhalten, Wahrnehmung etc.), und zwar nach einigen Regeln oder Gruppen von Regeln, die sich meist aus den einzelnen Komponenten und deren Interaktionen ergeben; interessanterweise können sich diese Regeln mit der Zeit, der Erfahrung oder dem Kontext ändern.

Unser gemeinsames Ziel ist ein mechanistisches Verständnis der Komponenten dieser Netzwerke, der zugrundeliegenden strukturellen und funktionellen Schaltkreise, der Berechnungsregeln, die ihre Operationen beschreiben, und schließlich ihrer Rolle bei der Steuerung von Wahrnehmung und Verhalten. Unser experimenteller Fokus liegt auf allen Skalen (in Raum und Zeit), die zum Erreichen dieses Verständnisses erforderlich sind. Das heißt, ein Teil unserer Arbeit konzentriert sich auf Netzwerke von Molekülen in dendritischen Kompartimenten, während ein anderer Teil sich auf Netzwerke von interagierenden Hirnarealen konzentriert. Dies erfordert Analysen auf molekularer, zellulärer, multizellulärer, Netzwerk- und Verhaltensebene, mit dem vollen Verständnis, dass makroskopische Phänomene (räumliche Muster, Dynamik) skalenabhängig sein können; daher sind reduktionistische Ansätze zwar unerlässlich, aber nicht immer ausreichend, was auch die Notwendigkeit der Theorie unterstreicht.

Interdisziplinarität

Die Neurowissenschaft ist ein Archetyp der interdisziplinären Wissenschaft: Ein typisches Projekt kann ein gutes Verständnis von Elektronik, Molekularbiologie, Optik, Informatik und Informationstechnologie, Fachwissen über Matrixalgebra oder Bildverarbeitung erfordern. Die Neurowissenschaft ist in der Tat eine Wissenschaft der Systeme und definiert sich zunehmend nicht durch ihre Werkzeuge, sondern über ihre Fragen. Schon heute kann eine typische Studie zur Neurowissenschaft der Schaltkreise Ansätze wie Optik und Molekularbiologie, elektrophysiologische Ableitungen, Analyse von Terabyte-großen Datensätzen und große numerische Simulationen kombinieren.

Unser Institut bietet daher ein interdisziplinäres Umfeld für die Graduierten- und Postgraduiertenausbildung, so dass jeder Studierende Expertise in einigen Bereichen erlangen sollte und dabei die meisten anderen Bereiche immerhin grundlegend zu beherrschen lernt. Unser Institut bietet eine Ausbildung sowohl im Breiten- als auch Tiefenwissen, in einer Umgebung, in der Interaktionen zwischen Laboren, Fakultäten und Wissenschaftlern die Norm sind und in der die Wissenschaft generell multidisziplinär ist. In dieser Hinsicht bringt uns die Lage unseres neuen Institutsgebäudes an der Schnittstelle der Naturwissenschaften der Goethe-Universität, durch die Anwesenheit des Frankfurt Institute for Advanced Studies und des Max-Planck-Institut für Biophysik nebenan, und die bereits etablierten Forschungsverbindungen zwischen einigen unserer Labors mit dem Fachbereich Mathematik und dem Goethe Center for Scientific Computing, sowie die neurowissenschaftliche Fakultät an der medizinischen Fakultät, in die seltene Lage, diese Art von interdisziplinärer Ausbildung zu bieten.

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