Neuronale Mechanismen von operantem Lernen in Zebrafischlarven

• Antragstellerin: Dr. Hanna Zwaka
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 386685839

Unter operantem Lernen versteht man eine Form des assoziativen Lernens. Während dieses Prozesses lernt ein Tier oder ein Mensch sein Verhalten mit der daraus folgenden Konsequenz zu verknüpfen. Ein Beispiel: Ein Kind, dass einmal auf eine heiße Herdplatte gefasst hat, wird dies nicht noch einmal zu tun. Anerkannte Lerntheorien gehen davon aus, dass an diesem Lernprozess neuronale Netzwerke beteiligt sind, die während des Lernens das vorausgesagte Ergebnis mit dem tatsächlich eingetretenen vergleichen. Ein daraus errechneter Voraussagefehler informiert das Gehirn, ob eine ausgeführte Handlung das erwünschte Ergebnis erzielt hat bzw. wiederholt werden sollte oder nicht. Dieses Phänomen wurde weitreichend in einer speziellen Form des operanten Lernens, dem sogenannten Verstärkungslernen, erforscht. Trotzdem sind bis heute die neuronalen Mechanismen von operantem Lernen weitgehend unbekannt. Bisher war es aufgrund der Komplexität und Größe unmöglich, ein ganzes Gehirn während des Lernprozesses zu beobachten und daraus zu schlussfolgern, wie neuronale Netzwerke operantes Lernen und die darauffolgende Gedächtnisverstärkung bewerkstelligen. In den hier vorgeschlagenen Experimenten werde ich mich den Potentialen der Zebrafischlarve bedienen: Dieses durchsichtige und genetisch veränderbare Wirbeltier teilt sich mit den Menschen grundlegende Hirnstrukturen und ermöglicht es, die Aktivität im gesamten Gehirn in jeder einzelnen Zelle während des Lernens zu beobachten. Mein Ziel ist es dabei, die neuronalen Mechanismen von operantem Lernen zu erforschen. Dafür werde ich die neuronale Aktivität im Gehirn der Zebrafischlarve während des operanten Lernens beobachten und analysieren. Im Detail werde ich ein operantes Lernparadigma entwickeln, in dem Lernen und Langzeitgedächtnis in freischwimmenden Zebrafischlarven genauer untersucht werden können. Dieses Paradigma werde ich im Anschluss nutzen, um Gehirnbereiche zu identifizieren, die von verschiedenen Verstärkern aktiviert werden. Zur Untersuchung der neuronalen Netzwerke, die operantes Lernen ermöglichen, werde ich diese Hirnregionen in fixierten Zebrafischlarven während des Lernens mithilfe eines Zwei-Photonen Mikroskops beobachten. Weiterhin plane ich, das gesamte Gehirn auf Zellen zu durchsuchen, die in das im Rahmen von Lerntheorien beschriebene Aktivitätsprofil passen. Die dabei zu erwartenden Ergebnisse werden einen wertvollen Einblick in die Mechanismen von operantem Lernen geben, sowohl auf zellulärer Ebene als auch in einem gesamten Netzwerk von Neuronen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Florian Engert