Evolutinäre Konvergenz hierarchischer Informationsverarbeitung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Viola Priesemann; Professor Dr. Michael Wibral
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430157073

Im SPP2205 wollen wir, gemäß dem zentralen Fokus, die Konvergenz der Arbeitsweise neuronaler Schaltkreise zwischen verschiedenen Tierstämmen untersuchen. Wir fokussieren uns dabei auf die aktuelle Debatte, wie Vögel ihre erstaunlichen kognitiven Fähigkeiten erreichen. Diese Fähigkeiten sind denen von Säugetieren ebenbürtig und können das Niveau von nicht-menschlichen Primaten erreichen (z. B. bei Aras) - dennoch haben Vögel eine grundlegend andere Gehirnarchitektur ohne einen Neokortex, von welchem man wiederum annimmt, dass er für die Kognition von Säugetieren zentral ist. Dies wirft die Frage auf, wie die offensichtliche Konvergenz auf der Ebene der kognitiven Funktion durch das Vogelgehirn umgesetzt wird -- und ob eine versteckte funktionelle Konvergenz auf der Ebene der neuronalen Schaltkreise zwischen den kortikalen Bereichen oder kortikalen Schichten von Säugetieren und den Modulen des Palliums von Vögeln gefunden werden kann. Wir wollen sowohl Fragen zur Konvergenz auf funktioneller Ebene angehen, als auch einen Beitrag zur gegenseitigen Zuordnung von Schaltkreisen der Säugetiere und der Vögeln liefern. Um das zu erreichen, haben wir in der ersten Förderphase dieses SPP ein Framework entwickelt, welches es uns ermöglicht, Informationsverarbeitungs-Hierarchien zwischen Arten mit sehr unterschiedlichen Gehirnarchitekturen quantitativ zu charakterisieren. Diese Analysen quantifizieren korrelations-basiert und informationstheoretisch die Zeitskalen neuronaler Aktivitaet, sowie die Vorhersagbarkeit bzw. Redundanz basierend auf "mutual information". Wir fanden z.B., daß Areale an höheren Positionen der kortikalen Hierachie längere Zeitskalen aufweisen. In der zweiten Förderphase werden wir dieses Framework mit Hilfe der Partialinformationszerlegung (PIZ) einer Entwicklung aus der Informationstheorie, erweitern. PIZ kann tatsächliche Informations-Verabeitung, statt reiner Informationsweiterleitung, charakterisieren. Obwohl es sich um eine junge Entwicklung handelt, hat sich PIZ bereits als nützlich für das Verständnis von Berechnungen z.B. in tiefen neuronalen Netzen erwiesen. Unter Verwendung unseres durch PIZ erweiterten Frameworks werden wir sowohl kortikale Areale und als auch kortikale Schichten bei Mäusen sowie palliale Module bei Tauben durch ihre Korrelations- und Informationszeitskalen und ihre Partialinformationszerlegung charakterisieren - und so Fingerabdrücke ihrer Funktion auf Schaltkreisebene erhalten. Daten für Tauben erhalten wir von unseren SPP-Kollaboratoren aus Bochum. Anschließend werden wir die kortikalen Areale oder Schichten und die pallialen Module im Raum dieser Zeitskalen- und Informationsmaße einander zuordnen. Dies hilft Analogien auf der Ebene der Schaltkreisoperationen zwischen diesen Strukturen aufzudecken - Analogien, die der funktionellen Konvergenz von Säugetieren und Vögeln in Bezug auf ihre kognitiven Fähigkeiten zugrunde liegen könnten.

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