Forschungsgruppe für Neuronale Algorithmen und Schaltkreise des Gehirns

Gregor Schuhknecht

Um in ihrer Umwelt zu überleben, haben Tiere ein reiches Verhaltensrepertoire entwickelt, das es ihnen beispielsweise ermöglicht, sich in ihrer Umgebung zu orientieren, relevante Objekte zu erkennen und zu klassifizieren, Artgenossen zu finden, Beute zu verfolgen und Fressfeinden auszuweichen. Die Ausführung dieser Verhaltensweisen erfordert, dass das Gehirn kontinuierlich eine Vielzahl komplexer Rechenoperationen durchführt – etwa das Herausfiltern relevanter Signale aus einem verrauschten sensorischen Input, die Integration von Informationen über verschiedene Sinnesmodalitäten hinweg, die Bewertung von Reizen (z. B. Artgenossen vs. Fressfeinde), die Verfolgung von Veränderungen in einer dynamischen Umgebung sowie die Auswahl der bestmöglichen Handlungen unter Unsicherheit oder variierenden inneren Zuständen.

Das Forschungsinteresse der Brain Algorithms and Circuits Group besteht darin, die Rechenalgorithmen zu untersuchen, die das Gehirn nutzt, um flexibles Verhalten zu ermöglichen, und zu verstehen, wie diese Algorithmen in der synaptischen Verschaltung des Wirbeltiergehirns verankert sind. Wir untersuchen diese Fragen im larvalen Zebrabärbling, einem kleinen Wirbeltier mit transparentem Gehirn und einem breiten Repertoire robuster, angeborener Verhaltensweisen. Um die zugrunde liegenden neuronalen Schaltkreise zu analysieren, nutzen wir ein breites Spektrum an experimentellen Methoden, darunter optische Verfahren (funktionelle Bildgebung und Optogenetik), Elektrophysiologie und Konnektomik. Diese Kombination ermöglicht es uns, neuronale Schaltkreise über viele Skalen hinweg zu untersuchen – von der Synapse bis zum Verhalten.

Fragen, die uns besonders interessieren, sind:

• Wie lassen sich die vom Zebrafischhirn verwendeten Rechenalgorithmen aus dem Verhalten ableiten?
• Wie ermöglicht die synaptische Verschaltung im Zebrafischgehirn diese Rechenalgorithmen?
• Welchen Beitrag leisten die biophysikalischen Eigenschaften von Neuronen und Synapsen zur neuronalen Verarbeitung?

Die experimentellen Methoden, die wir zur Beantwortung dieser Fragen einsetzen, umfassen:

• Verhaltensexperimente an Zebrafischlarven
• Funktionelle Bildgebung und optogenetische Manipulationen während sensorisch-motorischer Verarbeitung
• Whole-Cell Patch-Clamp-Elektrophysiologie
• Konnektomische Schaltkreisanalysen (in Kooperation mit der Abteilung von Moritz Helmstaedter)
• Computergestützte Modellierung von Neuronen und Netzwerken

Ausgewählte Publikationen

DOI Boulanger-Weill J*, Kämpf F*, Schuhknecht GFP*, et al. (2025) Correlative light and electron microscopy reveals the fine circuit structure underlying evidence accumulation in larval zebrafish. bioRxiv.

DOI Barabási DL*, Schuhknecht GFP*, Engert F (2024) Functional neuronal circuits emerge in the absence of developmental activity. Nat. Comm.

DOI Holler S, Köstinger G, Martin KAC, Schuhknecht GFP, Stratford KJ (2021) Structure and function of a neocortical synapse. Nature.

Offene Stellen

Wir sind immer wieder auf der Suche nach qualifizierten und hochmotivierten Kandidat*innen. Interessierte melden Sich bitte bei Gregor Schuhknecht.