Neuronal control of 6-legged locomotion

• Antragstellerin: Professorin Dr. Silvia Daun
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 100760332

Zur Zeit ist sehr wenig über die neuronale Koordination zwischen den einzelnen Beinen während der Fortbewegung von Insekten bekannt. Neueste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Koordination der einzelnen Beine nicht hauptsächlich durch direkten Informationsaustausch zwischen den Gelenkwinkeln der zugehörigen Beine resultiert, wie es aus Arbeiten auf der Verhaltensebene geschlossen wird. Auf der neuronalen Ebene gibt es dagegen neue Anhaltspunkte, die darauf hinweisen, dass schwache Einflüsse zwischen den Beinen die lokale sensorische Rückkopplung beeinträchtigen und darüber die motorische Mustergeneration in einem gegebenen Bein beeinflussen können.Ich habe es mir mit diesem Projekt zum Ziel gesetzt, ein mathematisches Modell des Laufsystems der Stabheuschrecke aufzustellen, um die neuronalen Mechanismen, die dem koordinierenden Informationstransfer zwischen den Beinen zu Grunde liegen zu verstehen. Dafür schlage ich vor, das System der zentralen Mustergeneratoren (CPG System), das in der Stabheuschrecke existiert, auf folgende Weise zu modellieren: 1) die einzelnen CPGs werden als ein System zweier gekoppelter und gegenseitig inhibitorischer Hodgkin-Huxley Neurone beschrieben, welche einen sog. „half-center“ Oszillator bilden; 2) die drei CPGs eines Beines werden mit Hilfe von sensorischen Signalen gekoppelt; 3) die dem Körper am nächsten gelegenen Gelenk-CPGs der drei Beine auf einer Seite des Tieres werden zuerst durch ein System von synaptisch gekoppelten „half-center“-Oszillatoren beschrieben, welches die synchronisierte, rhythmische Aktivität zwischen diesen CPGs repräsentiert (die Kopplung zwischen den gegenüberliegenden Beinen ist dabei vernachlässigbar); 4) zusätzliche Kopplung dieser Oszillatoren durch gewichtete sensorische Signale wird in einem nächsten Schritt betrachtet. Die Gewichtung repräsentiert dabei die Einflüsse verschiedener sensorischer Signale.Um die neuronale Interaktion zwischen den funktionalen Elementen des Laufsystems der Stabheuschrecke zu verstehen, werde ich die Oszillatoren in die externe Welt einbetten, und analysieren, wie Gelenkbewegungen, die Bewegung des Einzelbeins und die Bewegung der Beine untereinander von den CPGs kontrolliert werden. Dies werde ich erst mit Hilfe eines sehr einfachen Gelenkmotormodells und später unter Berücksichtigung der Muskeleigenschaften und mechanischer Einflüsse gegenüberliegender Beine untersuchen.Mit dieser Modellierungsarbeit möchte ich die Verhaltensregeln von Cruse (Cruse, 1990) neuronal nachbilden. Diese Regeln beschreiben die Koordination zwischen den laufenden Beinen der Stabheuschrecke auf der Verhaltensebene. Darüber hinaus plane ich genetische Algorithmen zu benutzen, um verschiedene optimale CPG Kopplungsmöglichkeiten vorzuschlagen, die für koordiniertes Laufen in verschiedenen Laufsituationen verantwortlich sein könnten. Falls sich herausstellen sollte, dass die biologisch bekannten CPG Kopplungen, die ich bis dahin in die mathematische Beschreibung mit einbezogen habe, für eine Reproduktion dieser Regeln nicht ausreichend sind, müssen weitere CPG Kopplungsmöglichkeiten betrachtet und in das Modell eingebaut werden.Die Resultate und Vorhersagen der Simulationen können dann genutzt werden, um neue neurophysiologische Experimente zu planen und durchzuführen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen