Evolution von Flexibilität - Optimierung von Task-abhängiger Informationsverarbeitung im visuellen System

• Antragsteller: Dr. Udo A. Ernst; Professor Dr. Andreas K. Kreiter
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429934733

Hochentwickelte Gehirne entwickeln sich typischerweise in komplexen Umgebungen, die ökologische Nischen für Spezies mit einer weiten Spannbreite an kognitiven Fähigkeiten und Verhalten bereitstellen. Die hohe Komplexität Umgebung, sowie die Notwendigkeit durchgängig robust gegenüber der hohen Variabilität der Umwelt funktionieren zu müssen, stellen hierbei eine Vielzahl von Anforderungen an neuronale Verarbeitung. Die Optimierung spezialisierter neuronaler Pfade und Netzwerke für jeden möglichen Task muss hierbei schnell an eine Grenze allein durch die verfügbare Hirnmasse gestoßen sein. Ein evolutionäres Prinzip und Weg aus dem Dilemma wäre die Entwicklung von einer immer größeren Flexibilität in der Rekonfiguration vorhandener Netzwerke zu funktionell variierenden Schaltkreisen. Dies impliziert eine Ko-Evolution von Funktion und Flexibilität. Unser Projektziel ist die Untersuchung der Hypothese, dass neuronale Systeme kontinuierlich ihre Fähigkeit optimieren, flexibel zu arbeiten, während gleichzeitig die aktuelle Verarbeitungsaufgabe robust gegenüber zufälliger Variabilität sensorischer Signale und irrelevanter konkurrierender Reize bearbeitet wird. Da Informationsverarbeitung im Gehirn durch das Zusammenwirken verschiedener Strukturen erbracht wird, muss auch die Koordination von Flexibilität parallel erfolgen und ein Task in geeignete Kontrollsignale für die einzelnen Spieler zerlegt werden. Welche Netzwerkkonfigurationen sind optimal für flexible Verarbeitung, und wie entstehen sie unter gegebenen physiologischen Constraints? Existieren multiple Lösungen für gegebene Flexibilitätsprobleme, und können diese die im Experiment beobachtete Variabilität erklären? Welche funktionelle Bedeutungen kommen Routing-Mechanismen zu, die auf der Synchronisation neuronaler Oszillationen beruhen, im Vergleich zu Mechanismen, die auf neuronalen "Lawinen" spontaner Synchronisation beruhen – und in welcher möglichen evolutionären Beziehung stehen sie zueinander? Um diese fundamentalen Fragen zu beantworten, werden wir Optimierung von Flexibilität in Theorie und Experiment mit Fokus auf dem visuellen System untersuchen. Theoretische Ansätze sollen formal zentrale Verarbeitungsaspekte wie parallele Koordination und die Evolution von flexiblen Schaltkreisen beschreiben, und dabei Ko-Evolution von Flexibilität und Funktion als Optimierungsproblem mit Randbedingungen betrachten. Modellierung und Experiment werden selektive Aufmerksamkeit als zentralen Aspekt von Flexibilität im visuellen System untersuchen, der die taskabhängige Koordination multipler visueller Areale umfasst. Unsere Experimente sollen hierbei potentielle Mechanismen neuronaler Flexibilität und ihrer Robustheit gegenüber sensorischer Variabilität charakterisieren und vergleichen. Biophysikalisch realistische Modellierung soll die Experimente zum kritischen Test formaler Theorien begleiten, und Mechanismen von Flexibilität und Optimierung, sowie deren Kontrolle und Koordination identifizieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2205: Evolutionäre Optimierung neuronaler Systeme