Jahrbuchbeiträge

Jahrbuchbeiträge

2020

  • Spuren des Lernens in den Netzwerken des Gehirns

    2020 Helmstaedter, Moritz

    Die Gehirne von Säugetieren, mit ihrer unvergleichbar großen Zahl von Nervenzellen und einer extremen Dichte an Kommunikation, sind die komplexesten bekannten Netzwerke. Seit mehr als hundert Jahren gibt es Methoden zur teilweisen Analyse dieser Netzwerke. Lokal komplette Verschaltungskarten neuronaler Netzwerke im Säugetierhirn zu erlangen, ist jedoch erst seit wenigen Jahren möglich. Unserem Forscherteam ist es nun gelungen, Hirngewebe aus dem Säugetiergehirn zu kartieren und auf Spuren von vorangegangenen Lernvorgängen zu analysieren.

2019

  • Molekulare Spuren von Lernen und Gedächtnis

    2019 tom Dieck, Susanne; Hafner, Anne-Sophie; Donlin-Asp, Paul; Rangaraju, Vidhya; Schuman, Erin
    Lernen und Gedächtnis laufen im Gehirn auf verschiedenen Ebenen ab, beruhen letztendlich aber auf Molekülveränderungen. Diese winzigen Spuren versuchen wir sichtbar zu machen, um die molekularen Schritte des Lernens zu verstehen. Eine fundamentale Rolle spielt offensichtlich die Produktion neuer Proteine direkt vor Ort, an Kommunikationsstellen zwischen Nervenzellen. Vor kurzem konnten wir einen Code hinter der Kopplung von Proteinbildung und zellulärem Lernen entschlüsseln und zudem Fragen zur Energieversorgung klären.

2018

  • Können die vielfältigen Funktionen des menschlichen Gehirns durch ein einheitliches Modell beschrieben werden?

    2018 Kraynyukova, Nataliya; Tchumatchenko, Tatjana

    Das Gehirn ist mit seinen neuronalen Netzwerken in der Lage, Berechnungen wie Normalisierung, Informationsspeicherung und Rhythmusgenerierung durchzuführen. Bisher wurden unterschiedliche mathematische Modelle entwickelt, um diese Berechnungen nachzuahmen. Ausgehend vom stabilisierten supralinearen Netzwerk (SSN) als Grundmodell konnten wir zeigen, dass dieses Netzwerk mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführen kann. Dies deutet auf die Möglichkeit hin, eine einheitliche Theorie der kortikalen Funktion zu formulieren.

  • Flexible Informationsverarbeitung im Gehirn durch dendritische Mechanismen

    2018 Letzkus, Johannes Jakob

    Die Hirnrinde (Neocortex) ist die größte und leistungsfähigste Region des menschlichen Gehirns. Sie hat sich in der Evolution stärker als alle anderen Hirnbereiche ausgedehnt und vermittelt viele Funktionen, die uns von unseren nächsten Verwandten unterscheiden. Auch bei vielen psychischen Störungen spielt der Neocortex eine zentrale Rolle. Im Jahr 2018 gelang es uns, neue Mechanismen aufzudecken, die es der Hirnrinde ermöglichen, ihre Informationsverarbeitung mit erstaunlicher Flexibilität und Schnelligkeit an die Erfordernisse tierischen Verhaltens anzupassen.

2017

  • Informationscodierung mit neuronalen Spikes

    2017 Tchumatchenko,Tatjana

    Neurale Kommunikation geschieht hauptsächlich über kurze elektrische Impulse, auch Aktionspotentiale oder Spikes genannt. Doch wie genau? Für das Verständnis kognitiver Funktionen ist es wichtig, die Art der Informationskodierung durch Spikes zu verstehen. Die Max-Plank-Forscher konnten nachweisen, dass paarweise Spike-Korrelationen und deren linearer Beitrag die Informationskodierung prägen. Lineare Antwortfunktionen haben sich als vielseitiges Konzept auch für andere Fragestellungen der Neurowissenschaften bewährt, jedoch ist ihr Anwendungsgebiet nicht unbegrenzt.

2016

  • Computerbasierte Analyse und Modellierung von umfangreichen aus dem Gehirn gewonnenen Daten

    2016 Gjorgjieva, Julijana; Ito, Hiroshi

    Neue technologische Fortschritte haben eine neue Ära der neurowissenschaftlichen Forschung eröffnet.Sie ermöglichen es, umfangreiche Datensätze aus dem Gehirn zu erlangen und diese mit neuartigen analytischen Techniken und Algorithmen zu modellieren und interpretieren. Computergestützte und mathematische Ansätze werden genutzt, um zu erforschen, wie neurale Aktivität die Organisation von Schaltkreisen und Dynamiken formt. Dabei dienen Mehrkanal-Ableitungen dazu, den neuralen Kode für räumliche Navigation zu dechiffrieren.

2015

  • Von der Evolution lernen: Kortikale Funktion, Dynamik von Hirnverschaltungen und Schlaf bei Reptilien

    2015 Laurent, Gilles

    Wissenschaftler am MPI für Hirnforschung arbeiten daran, die Regeln der Informationsverarbeitung im Gehirn mit Hilfe einfacherer Systeme und Modellorganismen experimentell zu entschlüsseln. Dabei konzentrieren sie sich hauptsächlich auf die Informationsverarbeitung in der Hirnrinde (Kortex). Neben Säugetieren besitzen nur Reptilien einen geschichteten Kortex, der bei ihnen allerdings deutlich einfacher aufgebaut ist. Die Gruppe von Gilles Laurent untersucht den visuellen Kortex, die kortikale Dynamik – Aktivitätswellen und Oszillationen – sowie den Schlaf von Schildkröten und Bartagamen.

2014

  • Connectomics: Netzwerkkarten des Säugetiergehirns

    2014 Helmstaedter, Moritz

    Das komplexe Kommunikationsnetzwerk der Nervenzellen im Gehirn, das Connectom, ist notwendige Grundlage der beeindruckenden Gehirnleistungen. In den letzten Jahren ist es gelungen, Teile des Connectoms im Säugetiergehirn zu vermessen: Die MPG-Forscher Winfried Denk und Moritz Helmstaedter kartierten das lokale Connectom der Mausnetzhaut. In der 2014 installierten Abteilung "Connectomics" arbeitet Helmstaedter an der Netzwerkvermessung in der Hirnrinde, um herauszufinden, wie durch Kombination von Erfahrung und neuen sensorischen Reizen Objekte in der Umwelt erkannt und benannt werden.

2013

  • Theoretische und experimentelle Analyse neuronaler Schaltkreise

    2013 Tchumatchenko, Tatjana; Letzkus, Johannes

    Das Gehirn ist das mit Abstand komplexeste System, das wir kennen. Am MPI für Hirnforschung verwenden zwei neue Forschergruppen komplementäre Ansätze, um die Funktion neuronaler Schaltkreise besser zu verstehen: Tatjana Tchumatchenko’s Gruppe nutzt theoretische Ansätze zur Erforschung neuronaler Informationskodierung. Johannes Letzkus‘ Team verwendet experimentelle Ansätze wie 2-Photonen-Mikroskopie und Optogenetik, um aufzuklären, welche Aktivitätsmuster in neokortikalen Schaltkreisen bei verschiedenen Verhaltensmustern auftreten und wie diese Aktivität das Verhalten des Tiers beeinflusst.

     

2012

  • Dem Gedächtnis auf der molekularen Spur – wie man Lernen sichtbar macht

    2012 tom Dieck, Susanne; Schuman, Erin

    Als ein Grundmechanismus von Lernen und Gedächtnis gilt, dass einzelne Kommunikationsstellen einer Nervenzelle unabhängig von den benachbarten Stellen verändert werden können. Eine einleuchtende Erklärung, wie ein Neuron das bewerkstelligt, fand man mit dem Nachweis, dass manche Proteine direkt in der Nähe dieser Kontaktstellen erzeugt werden können. Wissenschaftler am MPI für Hirnforschung konnten zeigen, dass die Vielfalt der in Neuronen-Ausläufern lokalisierten Proteinbaupläne wesentlich höher ist als bisher angenommen – ein dramatischer Wandel des Bildes von der neuronalen Welt.

2011

  • Neuroblastom: Entstehung eines Tumors im Kindesalter

    2011 Rohrer, Hermann
    Neuroblastoma-Tumore (NB) entstehen im Kindesalter aus unreifen Zellen des sympathischen Nervensystems. Die Vermehrung sympathischer Nervenzellen während der Entwicklung unterscheidet sich stark von der Neurogenese in anderen Teilen des Nervensystems. Die Proliferation in sympathischen Ganglien wird von Phox2b und Alk kontrolliert, die bei NB in mutierter Form vorliegen.  Die Expression dieser mutierten Proteine in embryonalen sympathischen Ganglien führte zur Identifizierung von Signalwegen, welche die normale Proliferationskontrolle außer Kraft setzen und zur Entstehung von NB beitragen.

2010

  • Bewusste Wahrnehmung als dynamischer und plastischer Prozess

    2010 Melloni, Lucia; Schwiedrzik, Caspar M.
    Welche Faktoren bestimmen, ob ein Reiz bewusst wahrgenommen oder unbewusst verarbeitet wird? Am MPI für Hirnforschung wird untersucht, wie sich bestehendes Wissen auf die Wahrnehmung und auf die der Wahrnehmung zugrunde liegenden neuronalen Prozesse auswirkt. Ferner wird untersucht, ob bewusste Wahrnehmung erlernbar ist. Die Ergebnisse zeigen, dass bewusste Wahrnehmung nicht nur davon abhängt, wie viel Information ein Reiz liefert. Vielmehr ist sie das Ergebnis eines plastischen und integrativen Prozesses, im Zuge dessen aktuell eingehende Information mit zuvor erworbenem Wissen interagiert.

2009

  • Die Lichtsinneszellen der Säugetier-Retina: Anpassungen an Lebensräume und Lebensweisen?

    2009 Peichl, Leo
    Die Lichtsinneszellen (Fotorezeptoren) in der Retina bestimmen, welche Informationen das Sehsystem zur weiteren Verarbeitung bekommt. Alle Säugetiere besitzen Stäbchen-Fotorezeptoren für das Dämmerungs- und Nachtsehen sowie Zapfen-Fotorezeptoren für das Tageslicht- und Farbensehen. Dieser Grundbauplan ist allerdings recht flexibel und zeigt artspezifische Anpassungen an unterschiedliche visuelle Erfordernisse, zum Beispiel Unterschiede im Farbsehvermögen, Ultraviolettsehen oder Farbenblindheit. Die Stäbchenkerne nachtaktiver Säuger wirken als Sammellinsen zur besseren Lichtausbeute.

2008

  • Die duale Rolle des Neurotransmitters Glyzin im zentralen Nervensystem

    2008 Laube, Bodo; Betz, Heinrich
    Die einfachste aller Aminosäuren, das Glyzin, wirkt im zentralen Nervensystem von Säugern sowohl als hemmender Neurotransmitter an Strychnin-sensitiven Glyzinrezeptoren als auch zusammen mit Glutamat erregend an den sogenannten N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptoren. Neuere Untersuchungen zeigen, dass Glyzin auch als alleiniger Agonist an einem bisher wenig untersuchten NMDA-Rezeptorsubtyp wirken kann, der als „exzitatorischer Glyzinrezeptor“ bezeichnet wird. Die Ergebnisse am MPI für Hirnforschung belegen eine zentrale Rolle von Glyzin bei der Regulation neuronaler Aktivität.
  • Fehlfunktionen hemmender Synapsen als Ursache neurologischer Erkrankungen

    2008 Eulenburg, Volker; Betz, Heinrich
    Glyzin und GABA sind die beiden wichtigsten hemmenden Botenstoffe im zentralen Nervensystem. Störungen der hemmenden Erregungsübertragung konnten bereits mit neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie oder Hyperekplexie assoziiert werden. Durch die Analyse gentechnisch veränderter Mäuse wurden nun zwei neue Genorte, das Collybistin- und das Glyzintransporter 2-Gen, als an diesen Krankheiten beteiligt identifiziert. Genetische Untersuchungen an Patienten belegen, dass beide Genorte in der Tat Krankheitsgene beim Menschen darstellen.

2007

  • Kontextuelle Integration in der primären Sehrinde

    2007 Schmidt, Kerstin E.
    Nervenzellen in der primären Sehrinde wurden für Analyseeinheiten winziger Gesichtsfeldausschnitte (rezeptive Felder) gehalten. Heute ist bekannt, dass die neuronale Antwort durch den Kontext, in dem der optimale Reiz präsentiert wird, moduliert wird. Mittels optischer Ableitung wird untersucht, wie komplexe Sehreize in Populationsantworten integriert werden und welche neuronalen Strukturen die unterschwelligen modulierenden Einflüsse vermitteln.
  • Neuronale Synchronisation als Mechanismus für Pathologie und Entwicklung in kortikalen Netzwerken

    2007 Uhlhaas, Peter J.
    Die Synchronisation oszillatorischer Aktivität stellt einen möglichen Mechanismus dar, um die hochgradig verteilten neuronalen Antworten in kortikalen Netzwerken zu koordinieren. Neben der Bedeutung für das Verständnis von kognitiven Prozessen mehren sich die Hinweise, dass neuronale Synchronisationsphänomene auch Aufschlüsse über die Pathophysiologie und Entwicklung von psychiatrischen Störungen, wie z.B. der Schizophrenie, liefern können.

2006

  • Glyzin, ein hemmender Neurotransmitter in der Netzhaut

    2006 Wässle, Heinz
    Die Netzhaut (Retina) ist die lichtempfindliche Schicht in unserem Auge. Sie bildet sich während der Embryogenese als Ausstülpung des Zwischenhirns. Durch ihre definierte Funktion, ihren klaren Aufbau und ihre gute Zugänglichkeit bietet sich die Netzhaut als Modellsystem für Untersuchungen des Zentralnervensystems an. Dieser Abeitsbericht beschreibt die Kontaktstellen (Synapsen) zwischen den Nervenzellen der Netzhaut, an denen der hemmende Botenstoff (Neurotransmitter) Glyzin ausgeschüttet wird.
  • Signale aus Zielorganen bestimmen die Differenzierung von Nervenzellen

    2006 Rohrer, Hermann
    Die Entwicklung des Nervensystems erfordert Mechanismen, welche die Differenzierung unterschiedlicher Nervenzellen steuern. Im peripheren Nervensystem bestimmen Signale aus innervierten Zielorganen die funktionelle Spezialisierung von Nervenzellen. Faktoren der gp130-Zytokinfamilie sind in vivo für die zielorganabhängige Differenzierung cholinerger sympathischer Neuronen verantwortlich.

2005

  • Dynamik und Plastizität der Informationsverarbeitung in der Großhirnrinde

    2005 Galuske, Ralf A. W.
    Die Signalverarbeitung in der Großhirnrinde wird maßgeblich von den zugrunde liegenden Verbindungsstrukturen bestimmt. Bisherige Konzepte dazu bauen im Wesentlichen auf der Rolle von feed-forward-Verbindungen auf, die primäre und höhere kortikale Areale verbinden. Dieser Ansatz vernachlässigt jedoch, dass auch in der Gegenrichtung massive Projektionen Signale von höheren Arealen zurück in die primären sensorischen Hirnareale bringen. Wir haben die funktionelle Rolle solcher feed-back-Verbindungen durch Kombination von optischen und elektrophysiologischen Ableitemethoden mit reversiblen Deaktivierungsmethoden untersucht und konnten zeigen, dass feed-back -Verbindungen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von sensorischen Eingangssignalen spielen. Des Weiteren wurde untersucht, wie erfahrungsabhängige Plastizität von kortikalen Repräsentationen gesteuert wird. Diese Studien ergaben, dass die Induktion von plastischen Veränderungen in kortikalen Netzwerken entscheidend vom Kontext und globalen Aktivierungszustand, in dem die entsprechenden Reize präsentiert werden, abhängen.

2004

  • Regulation der Signalübertragung an glutamatergen Synapsen in der Großhirnrinde

    2004 Geiger, Jörg
    Die Großhirnrinde der Säuger ist aus zwei Grundformen von Nervenzellen aufgebaut: aus erregenden Projektionsneuronen und hemmenden Interneuronen. Die erregende bzw. hemmende Wirkung wird maßgebend durch den freigesetzten Transmitter Glutamat bzw. γ-Aminobuttersäure (GABA) bestimmt. Die Transmitterfreisetzung findet an den Synapsen, den Kommunikationstellen zwischen Nervenzellen, statt. Nur das balancierte Zusammenwirken von Erregung und Hemmung in neuronalen Netzwerken ermöglicht die Verarbeitungsleistung der Großhirnrinde. Dabei ist die Regulation der Übertragungsstärke an den Synapsen ein zentrales Element der neuronalen Signalverarbeitung. Die selbstständige Nachwuchsgruppe „Synaptische Regulation und Funktion“ untersucht Regulationsmechanismen an glutamatergen Synapsen mit zwei Schwerpunkten: die Rolle elektrischer Signalprozesse an den präsynaptischen Endigungen für die Transmitterfreisetzung und die Langzeitplastizität der glutamatergen Erregung hemmender Interneurone. Diese Fragestellungen werden unter Einsatz der Patch-Clamp-Technik in Hirnschnittpräparaten von Nagern bearbeitet.

2003

  • Molekulare Analyse der synaptischen Hemmung

    2003 Betz, Heinrich; Müller, Ulrike
    Die Aktivitäten des Nervensystems werden durch das präzise Zusammenspiel von erregenden und hemmenden Impulsen bestimmt. Die Abteilung Neurochemie erforscht die molekularen Mechanismen, welche Hemmung an zentralnervösen Schaltstellen zwischen Nervenzellen vermitteln. Dabei gilt ein besonderes Interesse der Funktion von Membranproteinen, welche Hemmung durch die Aminosäure Glyzin vermitteln oder regulieren. Im Berichtsjahr konnten durch die Herstellung von Mausmutanten für spezifische Subtypen von sog. Glyzintransportern und Glyzinrezeptoren wichtige Funktionen bei der Hemmung motorischer und Schmerzempfindungen übertragender Schaltkreise identifiziert werden. Die erhaltenen Befunde sind für die Entwicklung neuer Neuropharmaka wichtig.
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