Prospektive Kodierung bei kortikalen Pyramidenzellen

• Antragsteller: Professor Matthew Larkum
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267823436

Dieser Lead-Agency Antrag ist eine Fortsetzung des SNF-Grants von W. Senn über die Theorie dendritischer Signalverarbeitung. Die Ergebnisse des bisherigen Projekts suggerieren, dass Lernen auf neuronaler Ebene durch dendritische Signale erfolgt, die somatische Aktivität vorraussagen. Bisherige Ansätze haben komplexe Non-Linearitäten bei der dendritischen Verarbeitung synaptischer Signale gezeigt, jedoch ist diese Betrachtung der dendritischen Signalverarbeitung unzulänglich. Hingegen kann die Hinzunahme eines intrinsischen Voraussage-Elements den Integrationsspielraum einzelner Neurone erweitern. Der vorliegende Antrag erweitert die o.g. Hypothese um die Idee der prospektiven Kodierung. Diese beinhaltet, dass die Aktivität eines Neurons sowohl jetzige als auch zukünftige synaptische Inputs vorraussagt. Wir stellen hierbei die Hypothese auf, dass basale wie auch apikale Dendriten einer Pyramidenzelle unabhängige Vorraussagen über somatische Aktivität machen, basierend darauf dass ihre synaptischen Eingänge auf dem dendritischen Baum von separaten intra- bzw. interkortikalen Quellen stammen. Eine Übereinstimmung der unterschiedlichen Vorraussagen kann ein einzelnes souveränes Signal erzeugen, das einen dendritischen Kalzium Spike mit nachfolgendem Burst somatischer Aktionspotentiale hervorruft. Dies kann dann rückgekoppelt werden auf die präsynaptischen Neurone, welche es ihrerseits als Lernsignal für eigene vorgeschaltete Synapsen nutzen können. Das Projekt wird in 4 Unterprojekte gegliedert: 1. Prospektive Kodierung (Lead: AG Senn). Formulierung des Konzepts der prospektiven Kodierung und Demonstration der Equivalenz einer unabhängigen Voraussage zukünftiger Signale im basalen und apikalen Dendriten mit einem bayesischen Cue-Combination Problem. 2. Rückwärtspropagierung in time (Lead: AG Senn). Demonstration der Nutzbarkeit eines Übereinstimmungssignals zur Voraussage zukünftiger Ereignisse für die Unterweisung von Neuronen die zu diesen Voraussagen beitragen. Anwendung der Theorie auf das non-Markovian learning Problem und auf ein vereinfachtes ball catching Problem. 3. Novelty Kodierung (Lead: AG Larkum). In vivo Test, ob ein dendritischer Kalzium Spike die Übereinstimmung zwischen voraussagenden Signalen oder zwischen Novelty Signalen generiert durch basale und apikale Dendriten repräsentiert. Verifizierung der Voraussage der Cue Combination Hypothese durch Messung der neuronalen Antworten auf ein somatosensorisches oddball Paradigma mit einer Kombination von auditorischen und somatosensorischen Stimuli. 4. Fehler korrigierende Plastizität (Lead: AG Nevian). In vitro Verifizierung der Hypothese über synaptische Plastizität und ob diese sowohl in exzitatorischen als auch in inhibitorischen Synapsen zu Fehler korrektur führt und somit non-Hebbian Plastizität darstellt. Testen ob die Plastizität welche Kalzium Spikes mit einbezieht ein längeres Induktionsfenster hat als von der prospektiven Kodierung vorausgesagt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Thomas Nevian; Professor Dr. Walter Martin Senn, Ph.D.