Auf der Suche nach den neuronalen Grundlagen des Temporal Binding: Wie sind synaptische Depression und neuronale Adaptation im auditorischen Kortex miteinander verknüpft?

• Antragsteller: Professor Michael Brosch, Ph.D.; Privatdozent Dr. Reinhard König
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430904660

Die Wahrnehmung von Schallereignissen ist in hohem Maße zeit- und kontextabhängig: die meisten Schallereignisse, und insbesondere Sprache, ergeben nur in ihrem zeitlichen Kontext Sinn. Dies erfordert eine Art Gedächtnis, bei dem die Abfolge von Schallereignissen in einer Gedächtnisspur abgebildet wird, die kontinuierlich aktualisiert wird. Das Entstehen dieses als Temporal Binding beschriebenen Prozesses birgt noch zahlreiche offene Fragen; neuere Forschungsarbeiten weisen allerdings darauf hin, dass synaptische Depression ein Schlüsselmechanismus dafür sein könnte. Synaptische Depression kann als eine lokale Gedächtnisform angesehen werden, deren direkte Beobachtung schwierig ist; es wird jedoch angenommen, dass Adaptation eines der experimentell beobachtbaren Phänomene synaptischer Depression ist. Adaptation stellt ebenfalls eine sensorische Gedächtnisform dar, die als Abschwächung neuronaler Antworten auf wiederholte sensorische Stimulation beschreibbar ist. Synaptische Depression und Adaptation können durch Zeitkonstanten charakterisiert werden, die die Geschwindigkeit der Erholung von dieser Abschwächung wiedergeben. In einem konvergenten Ansatz, bei dem wir auf die komplementäre Expertise der Antragsteller zurückgreifen, beabsichtigen wir, den Zusammenhang zwischen synaptischer Depression, Adaptation und Temporal Binding näher zu untersuchen. Hierzu wollen wir Messungen von Einzelzellableitungen im Hörkortex des Affen und mittels Magnetenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG) erzielte Populationsantworten am Menschen mit der Modellierung der Signalverarbeitung im Hörkortex kombinieren. Im ersten Teil des Projekts generieren wir mittels Computational Modelling Vorhersagen, wie sich synaptische Depression in Adaptationsphänomenen des Hörkortex widerspiegeln könnte. Dabei zeigen unsere bisherigen Simulationen, dass diese Zusammenhänge nicht-trivial und komplex sind. Unser Ansatz ist, mit Messungen an Affen und Menschen unter Verwendung mehrerer, aufeinander abgestimmter experimenteller Adaptations-Paradigmen die Zeitkonstante der synaptischen Depression individuell für jeden Probanden zu bestimmen. Im zweiten Teil des Projekts werden wir in weiterführenden Experimenten Vorhersagen des Modells unter Verwendung dieser experimentellen Abschätzungen der Zeitkonstanten der synaptischen Depression testen. Ein Ziel dieser Messungen ist es, ein besseres Verständnis dafür zu erhalten, wie Tonfolgen im auditorischen Kortex repräsentiert sind und wie Tonsequenzen diskriminiert werden, die sich nur in der zeitlichen Abfolge ihrer Elemente unterscheiden. Das Projekt ist innovativ, und seine Durchführung macht die Zusammenführung von Expertise in der Elektrophysiologie an Affen, der MEG/EEG am Menschen und der Computational Neuroscience erforderlich. Das Leibniz-Institut für Neurobiologie ist eines der wenigen Forschungsinstitute weltweit, an dem diese Expertise und die erforderlichen Methoden an einem Ort verfügbar sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Dr. Patrick May