Forschungsgruppe Schaltkreise für Gedächtnis und Navigation

Hiroshi Ito

Das Gehirn ist nicht nur eine Maschine, die die Reaktion auf einen gegebenen Stimulus optimiert, sondern es kann sein eigenes internes Modell konstruieren, das Planung, Simulation und Entscheidung auch ohne direkten Zugang zur Außenwelt ermöglicht. In Einklang mit dieser Idee können mehrere Tierarten, darunter Ratten und Menschen, zu einem gewünschten Ort im Raum navigieren, indem sie sich auf das interne Modell des Gehirns von der Umgebung verlassen, die sogenannte kognitive Karte. Es wird angenommen, dass Neurone im Hippocampus und in para-hippocampalen Regionen, wie z. B. Ortszellen („place cells“) oder Gitterzellen („grid cells“, Teil einer kognitiven Karte sind und die Position des Tieres im Raum während des Verhaltens genau abbilden. Trotz erheblicher Fortschritte in unserem Verständnis der Bildung einer solchen Karte, ist es nach wie vor weitgehend unklar, wie diese Karte im Gehirn genutzt werden kann.

In unserer Forschungsgruppe untersuchen wir neuronale Schaltkreise für Verhaltensplanung und Entscheidungen auf der Basis einer kognitiven Karte. Insbesondere interessieren wir uns dafür, wie das Gehirn das nächste räumliche Ziel auswählen und mögliche Pfade oder Routen simulieren kann, um dorthin zu gelangen. Um diese Frage zu beantworten, entwerfen wir neue Arten von Navigationsaufgaben und implementieren chronische Ableitungen (mit Tetroden oder Neuropixels-Sonden) von navigierenden Ratten, um Hunderte von Neuronen gleichzeitig in mehreren Hirnregionen zu überwachen. Darüber hinaus kombinieren wir diese Aufzeichnungstechnik mit Optogenetik, Faserphotometrie und Miniskop-Bildgebungsverfahren, um den Informationsfluss zwischen den Regionen und seine Verhaltenskausalität zu verstehen.

Aufgrund der Komplexität der Daten stützen sich unsere Analysen verstärkt auf statistische und „machine-learning“-basierte Ansätze, um neuronale Codes zu entschlüsseln. Wir arbeiten auch an neuen Analysemethoden, um die in hochdimensionalen neuronalen Daten repräsentierten Informationen und deren kausale Zusammenhänge zu verstehen.

Unser Forschungsschwerpunkt ist nicht auf kortikale Regionen beschränkt. Seit langem wird davon ausgegangen, dass der Hippocampus umfangreiche anatomische Interaktionen mit subkortikalen Strukturen im Thalamus und Hypothalamus hat. Wir untersuchen den funktionellen Beitrag dieser subkortikalen Areale, insbesondere als anatomischen Knotenpunkt, der die Kommunikation zwischen Hirnregionen koordiniert.