Neuronale Mechanismen und funktionale Voraussetzungen komplexer Geruchsidentifikation im olfaktorischen System von Säugetieren

• Antragsteller: Dr. Christoph Metzner
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 272613402

Eine der fundamentalen Aufgaben des Gehirns ist die Analyse und Klassifikation hochdimensionaler sensorischer Daten. Unserer Ansicht nach hat das olfaktorische System, als das phylogenetisch älteste sensorische System des Gehirns, eine kanonische Lösung für dieses Problem entwickelt. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es daher, die kortikale Verarbeitung und Klassifikation sensorischer Daten im Modellsystem Olfaktion zu untersuchen. Dabei sollen nicht nur die neuronalen Mechanismen anhand eines biologisch plausiblen, datengetriebenen Netzwerkmodells untersucht und identifiziert werden, sondern darüber hinaus auch die Klassifikationsleistung des olfaktorischen Systems mittels Algorithmen des maschinellen Lernens quantifiziert werden.In dem vorgeschlagenen Projekt sollen daher zunächst zwei bestehende neuronale Netzwerkmodelle (ein Modell des olfaktorischen Bulbus und eines des olfaktorischen Kortex) fusioniert werden, um die beiden wichtigsten Strukturen olfaktorischer Informationsverarbeitung realistisch abzubilden und die Oszillationen in und zwischen beiden Arealen zu untersuchen. Dies ist insbesondere interessant, da Oszillationen (insbesondere im Theta- und Gamma-Band) eine fundamentale Rolle in der kortikalen Informationsverarbeitung zugeschrieben wird. Simulationen des bisherigen Modells des Kortex verorten einen Ursprung dieser typischen Oszillationen im olfaktorischen Bulbus, während die traditionelle Sichtweise kortikalen Prozessen mehr Gewicht zuschreibt. Darüberhinaus deuten die bisherigen Simulationen auf eine Strukturierung des olfaktorischen Kortex in verschiedene Subnetzwerke hin. Dies steht im Widerspruch zur bisher etablierten Sicht des olfaktorischen Kortex als biologische Implementierung eines Assoziativspeichers. Der Fokus des Projektes liegt daher auf der rigorosen, modell-gestützten Überprüfung dieser beiden Hypothesen zur Struktur-Funktions-Beziehung im olfaktorischen System.Schließlich adressiert das Projekt noch die abstraktere Frage nach der Klassifikationsleistung des olfaktorischen Systems. Hier soll untersucht werden, ob die Informationsrepräsentation und -verarbeitung im olfaktorischen Kortex zu einer besseren Klassifizierbarkeit komplexer Gerüche führt. Dazu werden mittels State-of-the-Art Klassifikationsalgorithmen (hier im Speziellen Support Vector Machines) komplexe Geruchsmuster einmal anhand der simulierten neuronalen Aktivität im olfaktorischen Bulbus und einmal anhand der simulierten neuronalen Aktivität im olfaktorischen Kortex klassifiziert. Es soll überprüft werden, ob und wenn ja, in welchem Maße, die Klassifikation nach der Verarbeitung im Kortex verbessert ist. Auch dies wird für beide Hypothesen zur Struktur-Funktions-Beziehung des olfaktorischen Systems durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Volker Steuber