Frühere Forschungsgruppen

Forschungsgruppe Schaltkreise für Gedächtnis und Navigation - Hiroshi Ito

Am MPI für Hirnforschung: 2016 - 2025

Hiroshi Itos Forschung am Max-Planck-Institut für Hirnforschung konzentrierte sich auf neuronale Schaltkreise, die zielgerichtete Navigation und Planung auf Basis interner kognitiver Karten unterstützen. Sein Team untersuchte, wie Tiere – wie beispielsweise Ratten – räumliche Ziele auswählen und mögliche Wege dorthin simulieren, selbst ohne direkten sensorischen Input. Mithilfe speziell entwickelter Navigationsexperimente zeichnete die Gruppe die Aktivität hunderter Neuronen in verschiedenen Hirnregionen auf – unter anderem mit Neuropixels-Sonden, Optogenetik und Faserphotometrie. Ihr Fokus lag nicht nur auf dem Hippocampus und kortikalen Arealen, sondern auch auf subkortikalen Strukturen wie Thalamus und Hypothalamus, um deren Rolle in der langreichweitigen neuronalen Kommunikation zu verstehen. Die Arbeit verband modernste experimentelle Methoden mit maschinellen Lernverfahren, um zu entschlüsseln, wie komplexe neuronale Dynamiken Planung und Verhalten ermöglichen.

Berechnung Neuronaler Schaltkreise - Julijana Gjorgjieva

Am MPI für Hirnforschung: 2016 - 2022

Das Gjorgijeva Lab untersucht, wie sich die Organisation neuronaler Schaltkreise und Berechnungen aus dem Zusammenspiel von Eigenschaften einzelner Neuronen und synaptischer Plastizität während des Lernens und der Entwicklung sowie aus effizienten Kodierungsprinzipien während der Evolution ergeben.

Die effiziente Übertragung von Informationen über neuronale Schaltkreise erfordert ein kompliziertes Gleichgewicht zwischen den intrinsischen Eigenschaften einzelner Neuronen und den synaptischen Verbindungen zwischen ihnen. Wie werden Neuronen und Netzwerke abgestimmt, um dieses Gleichgewicht zu erreichen und die Entstehung zuverlässiger Berechnungen zu ermöglichen? Wir sind an zwei Aspekten der Schaltkreisorganisation interessiert: wie sie durch die Interaktion von Eigenschaften einzelner Neuronen und synaptischer Plastizität (wie beim Lernen und der Schaltkreisentwicklung) zustande kommt; und an den Organisationsprinzipien, die sie über die längere Zeitskala der Evolution erreichen.

Unsere Arbeit basiert auf rechnerischen und mathematischen Ansätzen, um zu verstehen, wie Aktivität, die spontan im Schaltkreis oder durch die externe Umgebung erzeugt wird, die Netzwerkorganisation und -dynamik formt. Wir untersuchen die Interaktion und den Einfluss einer Vielzahl von Mechanismen, darunter synaptische Plastizität, intrinsische zelluläre Eigenschaften, sensorisches Rauschen und biophysikalische Beschränkungen auf die Erzeugung von erwachsenen Funktionen und Berechnungen.

Theorie der Neuronalen Dynamik - Tatjana Tchumatchenko

Am MPI für Hirnforschung: 2013 - 2021

Unsere Forschung konzentriert sich auf die computergestützte Modellierung und mathematische Analyse von einzelnen Neuronen, neuronalen Populationen und rekurrenten Netzwerken. Wir setzen analytische Werkzeuge und Computersimulationen ein, um zu untersuchen, wie einzelne Neuronen und Populationen auf ihre synaptischen Eingänge reagieren und wie sie interagieren, um funktionierende neuronale Schaltkreise entstehen zu lassen. Von besonderem Interesse sind die Rolle der synaptischen Plastizität, der Informationsrepräsentation, der Reaktionszeitskalen und der zeitlichen und interneuronalen Korrelationen.

Wir verwenden eine Kombination von analytischen Techniken, lineare und nichtlineare Differentialgleichungen und deren Lösungen über lineare Störungstheorie, stochastische Integrale, Fokker-Planck-Formalismus und interagierende stochastische Prozesse umfassen. Im computergestützten Bereich verwenden wir numerische Simulationen und moderne Programmiersprachen.

Aktuelle Affiliation und Kontakt:

Co-affiliation:
Group leader at the Institute of Experimental Epileptology and Cognition Research
University of Bonn Medical Center
Venusberg-Campus 1
53127 Bonn

Co-Affiliation:

Neokortikale Schaltkreise - Johannes Letzkus

Am MPI für Hirnforschung: 2013 - 2020

Gehirnfunktionen wie Wahrnehmung, Lernen und Emotionen werden durch die Aktivitätsmuster von Neuronen erzeugt, die innerhalb ihrer Schaltkreise dynamisch interagieren. Heute haben wir ein detailliertes Verständnis von der Rechenkapazität einzelner Neuronen. Im Gegensatz dazu sind die Prinzipien, die die Informationsverarbeitung steuern, sobald Neuronen zu Schaltkreisen verbunden sind, immer noch schlecht verstanden. Die Forschung zu dieser Frage hat in letzter Zeit durch die Entwicklung mehrerer neuer experimenteller Ansätze, die eine hochauflösende Sektion der Schaltkreisfunktion ermöglichen (in vivo 2-Photonen-Mikroskopie, transgene Mauslinien, virale Vektoren und Optogenetik), einen starken Schub erhalten. Wir wenden diese Techniken an, um die Informationsverarbeitung in sensorischen Arealen des Neokortex während der Wahrnehmung und des Lernens zu untersuchen. Unsere Forschung wird von einigen Schlüsselprinzipien geleitet:

1. Schaltkreise werden am besten in ihrer natürlichen Umgebung untersucht, mit intakten Ein- und Ausgängen - d.h. wir führen die meisten Experimente in vivo durch.
2. Schaltkreise bestehen aus einer großen Vielfalt von Neuronentypen mit hochspezialisierten Funktionen. Wir führen zelltypspezifische Experimente durch, um den Beitrag jedes Neuronentyps zur Schaltkreisfunktion zu bestimmen.
3. Schaltkreise sind komplexe Systeme, was es schwierig macht, ihre Funktion zwischen verschiedenen Bedingungen zu extrapolieren oder zu verallgemeinern. Daher zielen unsere Experimente darauf ab, die untersuchte Hirnfunktion so genau wie möglich zu modellieren - hauptsächlich untersuchen wir die Schaltkreisaktivität während des Verhaltens.

Aktuelle Affiliation und Kontakt: