Physics of neural networks with non-additive coupling

• Applicant: Professor Dr. Marc Timme, Ph.D.
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2011 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 192648454

Raum-zeitlich koordinierte Spike-Aktivität wurde experimentell in verschiedenen neuronalen Systemen gefunden. Besonders häufig treten zeitlich gelockte Spikes, überzufällige Synchronisation (unitary event) und komplexere Spike-Muster auf; sie wurden nicht nur in verschiedenen zentralen Mustergeneratoren etabliert, sondern z.B. auch in Sensor-/Motor-Arealen von Vögeln und in kortikalen Arealen wacher Affen. Solche koordinierte Spike-Aktivität korreliert mit sensorischen Stimuli und internen Erwartungszuständen und wird daher als eine Schlüsseleigenschaft neuronaler Verarbeitung diskutiert. Ihr dynamischer Ursprung ist allerdings noch nicht gut verstanden.Eine aktuelle Theorie, welche die Ausbreitung synchroner Aktivität - ein möglicher Mechanismus für raumzeitlich koordinierte Spike-Aktivität - unterstützt, ist die der sogenannten Synfire-Ketten. Hier sind Gruppen von Neuronen simultan aktiv und verschiedene solche Gruppen sind stark unidirektional miteinander verschaltet, so dass synchrone Aktivität sich entlang der Ketten ausbreiten kann.Eine solche stark vernetzte Vorwärtsverschaltung wurde allerdings nicht beobachtet, ist anatomisch fragwürdig und kann zudem funktionelle Probleme wie epileptische Aktivität erzeugen, d.h. Synchronizität, die sich über zu große Teile oder sogar vollständige lokale Schaltkreise ausbreitet. Vor kurzem wurde eine nichtlineare Verstärkung einkommender prä-synaptischer Signale experimentell in neuronalen Dendriten sowohl im Hippocampus als auch in anderen neo-kortikalen Arealen gefunden. Eine solche dendritische Nichtlinearität stellt einen vielverspechenden Kandidaten für die emergente Erzeugung von Synchronie dar. Systematische theoretische oder numerische Studien zum Einfluss nichtlinearer dendritischer Verstärkung auf die kollektive Dynamik spikender neuronaler Netzwerke existieren bisher allerdings nicht.Im vorgeschlagenen Projekt werden wir die Frage untersuchen, wie dendritische Nichtlinearitäten helfen können, neuronale Spike-Aktivität raum-zeitlich zu koordinieren und insbesondere zu synchronisieren. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Beantwortung der Frage, ob und wie lokale nichtlineare Verstärkung die Notwendigkeit stark vernetzter Vorwärtsverschaltung reduzieren kann, einerseits durch dynamische 'feed-forward' Mechanismen, andererseits durch kollektive rekurrente Mechanismen. Eine erfolgreiche Studie kann eine einheitliche Sicht darauf bieten, wie neuronale Schaltkreise mit biologisch beobachteter, anatomisch spärlicher Konnektivität dennoch in robuster Weise neuronale Aktivität raum-zeitlich koordinieren kann.

• DFG Programme: Research Grants