Positive Auswirkungen von Fluktuationen auf die Übertragung und Verarbeitung von zeitabhängigen Signalen durch Populationen sensorischer Nervenzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Benjamin Lindner
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250455001

Neuronen im Gehirn kodieren Information über sensorische Signal in Sequenzen von stereotypen Aktionspotentialen, die als Pulszüge bezeichnet werden. In der ersten Förderperiode haben wir den Kodierungsprozess in Populationen ungekoppelter Nervenzellen untersucht, die durch einen gemeinsamen Stimulus getrieben werden, aber auch individuellem Rauschen sowie einer gewissen Heterogenität (einer Variabilität ihrer zellulären Eigenschaften) unterworfen sind. Wir haben mathematische Formeln für die Statistiken der Population, insbesondere für die Populationsaktivität und für den synchronen Output hergeleitet und gezeigt, dass Rauschen und Heterogenität in verschiedener Hinsicht vorteilhaft für die Signalübertragung und –verarbeitung sein können. Insbesondere konnten wir in einer erfolgreichen Zusammenarbeit von Experiment und Theorie zeigen, dass sowohl intrinsisches Rauschen als auch der sogenannte Leckstrom im Neuron erforderlich sind, damit ein Synchronizitäts-Kode funktionieren kann. In der zweiten Förderperiode soll die Analyse ausgeweitet werden auf die Informationskodierung in der breiteren Klasse von Populationen mit rekurrenter Rückkopplung und insbesondere auf zwei grundlegende Situationen angewendet werden. Im Problem A wird ein rekurrentes Netzwerk im asynchron-irregulären Zustand betrachtet, das durch einen gemeinsamen Breitband-Stimulus getrieben wird. Im Problem B soll es hingegen um ein dreischichtiges neuronales Netzwerk gehen, in dem die erste Population ungekoppelter Zellen mit einem gemeinsamen Signal getrieben wird, die zweite Population von der ersten Input erhält, aber auch einer verzögerten inhibitorischen Rückkopplung der dritten Population ausgesetzt ist. Problem A beschreibt eine generische Situation, die in vielen kortikalen Signalpfaden anzutreffen ist, während Problem B stärker zugeschnitten ist auf die sensorische Peripherie, insbesondere auf das elektrosensorische System des schwach elektrischen Fischs (eines Modellorganismus, für den wir Zugriff auf experimentelle Daten haben). Für beide Modelle soll untersucht werden (i) ob die rekurrente Rückkopplung möglicherweise zu einer Schärfung des Synchronizitäts-Kodes (also einer Verstärkung der Informations-Hochpassfilterung) führen kann und (ii) welchen Einfluss das Netzwerkrauschen und die neuronale Heterogenität auf die Informationstransmission haben im Falle einer starken rekurrenten Rückkopplung. Neben diesen allgemeinen theoretischen Aspekten ist das Projekt dem Verständnis eines spezifischen Phänomens gewidmet: der Übertragung und Verarbeitung schwacher Signale in elektrischen Fischen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen