Effiziente Kodierung schneller dynamischer Stimuli in Population von ON- und OFF- Neuronen

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Benda; Dr. Jan Grewe; Professor Dr. Benjamin Lindner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430157666

Die Aufteilung der Informationsverarbeitung in separate ON/OFF-Pfade ist ein allgemeines Prinzip neuronaler Verarbeitung in sensorischen Systemen. Im Gegensatz zu den hohen Feuerraten mit denen Rezeptorafferenzen Sinnesreize kodieren, erlaubt die Trennung in ON und OFF Kanäle gleiches mit niedrigeren Feuerraten zu erreichen und damit energetisch effizienter Information zu übertragen. Reduzierte Feuerraten stellen jedoch ein Problem für die Kodierung schneller dynamischer Reize dar. Im elektrosensorischen System des schwach elektrischen Fisches wissen wir um die Relevanz schneller Reize für das Balzverhalten. Wie ist eine zuverlässige Kodierung trotz intrinsischer Fluktuationen und beschränkter Anzahl von Neuronen möglich? In diesem Projekt untersuchen wir das Problem des optimalen Designs einer Population von ON/OFF-Neuronen zur Kodierung hochfrequenter Reize. Dazu kombinieren wir elektrophysiologische Experimente am elektrosensorischen System elektrischer Fische mit Modellen sowie analytischen und numerischen Methoden, die uns allgemeine Einsichten in dieses grundlegende Problem ermöglichen. Im theoretischen Teil des Projekts werden wir Modelle von zwei Populationen von Integrate-and-Fire (IF) Neuronen (ON/OFF Neurone) betrachten. Wir beginnen mit ungekoppelten Neuronen, die von einem gemeinsamen Breitbandstimulus getrieben werden, und quantifizieren den Informationstransfer durch die beiden Populationen. Wir fragen nach dem optimalen Verhältnis von ON/OFF-Zellen und der optimalen Verteilung ihrer Feuerraten bezüglich einer effizienten Informationsübertragung. Mit Blick auf das elektrosensorische System erweitern wir das Modell um (i) die Stimulation mit Amplitudenmodulationen eines Trägersignals und (ii) um eine Eingangsschicht aus elektrosensorischen Zellen. Letztere werden ebenfalls als stochastische IF Neurone mit Feuerratenadaptation und einem Burstmechanismus modelliert. Experimentell werden wir extrazelluläre Ableitungen mit "Silicon Probes" von Populationen von ON/OFF-Pyramidenzellen vornehmen und die Kodierung schneller Amplitudenmodulationen analysieren. Wir werden die Modellvorhersagen hinsichtlich der optimalen Verteilung von ON/OFF-Zellen und ihrer Feuerraten testen. In einem zweiten Schritt untersuchen wir die Auswirkungen eines verzögerten Feedbacks der Populationsaktivität auf die Hochfrequenzkodierung; im elektrosensorischen System entspricht der Feedback einer diffusiven Rückkopplung aus dem nucleus praeeminentialis dorsalis der seinerseits von den Pyramidenzellen getrieben wird. Auf der theoretischen Seite berücksichtigen wir die Rückkopplung über Feedbackterme mit Verzögerung, deren Effekt auf den Informationsfluss sich mit vorhandenen analytischen Methoden untersuchen lässt. Experimentell kann die Rückkopplung pharmakologisch blockiert werden. Wir können somit sowohl experimentell als auch theoretisch die Rolle der verzögerten Rückkopplung für die Verarbeitung schneller Signale untersuchen.

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