Wolf Singer

Neuronale Grundlagen höherer, kognitiver Funktionen und ihre Störung im erkrankten Gehirn

Forschungsschwerpunkt

Unsere Arbeitshypothese ist, dass die Verarbeitungsprozesse des Gehirns in einem hochdimensionalen dynamischen System ablaufen, das durch ein Netzwerk von oszillierenden Schaltkreisen entsteht, die miteinander über rekurrente Verbindungen zeitverzögert wechselwirken.

(i) Informationen über die statistischen Besonderheiten natürlicher Signale sind in den Gewichtsverteilungen der rekurrenten Verbindungen gespeichert und drücken sich in zeitlichen Korrelationen der Aktivität von merkmalskodierenden Neuronen aus.


(ii) Informationen, die über synaptische Projektionen von höheren Verarbeitungszentren zurückgespielt werden manifestieren sich gleichfalls in der Korrelationsstruktur der Aktivität räumlich verteilter Neuronenpopulationen. Solche top-down Einflüsse vermitteln gespeichertes Wissen und tragen zur Steuerung von Aufmerksamkeits- und Erwartungsphänomenen bei.


(iii) wenn die sensorischen Informationen mit den Vorhersagen übereinstimmen, die in der funktionalen Architektur der rekurrenten Netze gespeichert sind oder durch top-down Projektionen übermittelt werden, konvergiert die Netzwerkdynamik auf Zustände, welche durch erhöhte Kohärenz (Synchronität) und spezifische Korrelationsmuster charakterisiert sind. Diese Erregungsmuster sind somit das Ergebnis des Abgleichs sensorischer Evidenz mit gespeichertem Vorwissen und bilden das neuronale Korrelat von Wahrnehmungen.

Um die Vorhersagen dieses Konzepts zu testen, untersuchen wir die Populationsdynamiken neuronaler Netze in der Hirnrinde von verhaltenstrainierten Affen. Hierzu verwenden wir chronisch implantierte Mikroelektrodenarrays, die jenen ähneln, die bei Patienten aus diagnostischen und therapeutischen Gründen implantiert werden.

Ausgewählte Publikationen

DOI Bányai M, Lazar A, Klein L, Klon-Lipok J, Stippinger M, Singer W, Orbán G. Stimulus complexity shapes response correlations in primary visual cortex. Proc Natl Acad Sci USA 116 (7), 2723-2732. (2019).
DOI Singer W. Neuronal oscillations: Unavoidable and useful? European Journal of Neuroscience 48(7), 2389-2398. (2018).
DOI Singer W, Lazar A. Does the cerebral cortex exploit high-dimensional, non-linear dynamics for information processing? Front Comput Neurosci 10, 99. (2016).
DOI Singer W. Cortical dynamics revisited. Trends Cogn Sci 17 (12), 616-626. (2013).
DOI Uhlhaas PJ, Singer W. Neural synchrony in brain disorders: Relevance for cognitive dysfunctions and pathophysiology. Neuron 52(1), 155-168. (2006).