FOR 5289:  Von Impräzision zu Robustheit in der Assemblierung Neuronaler Schaltkreise

• Fachliche Zuordnung: Medizin ; Biologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453877723

Warum Impräzision und Robustheit? Die Spezifität synaptischer Konnektivität ist von zentraler Bedeutung für die Untersuchung der Entwicklung und Funktion des Gehirns. Dagegen werden Impräzisionen häufiger assoziiert mit fehlerhafter Entwicklung und reduzierter Funktion. In den meisten Studien zur neuronalen Entwicklung spielt Impräzision hauptsächlich eine Rolle in der Form von Fehlerbalken und der Hoffnung auf signifikante Unterschiede zwischen Kontrolle und experimentellen Durchschnitten. Und doch ist die Entwicklung neuronaler Schaltkreise in vielen Aspekten impräzise, und adulte Schaltkreise sind nicht nur präzise, sondern auch flexibel und fehlertolerant, also robust. Die Kern-Hypothese unserer Forschungsgruppe ist, dass Impräzisionen bestimmter Prozesse auf einer niedrigeren Ebene (von Molekülen bis zu Zellen) essentiell sind für die Robustheit der Schaltkreis-Assemblierung auf höheren Ebenen (von Zellen bis zum Verhalten). Während es viele Beispiele gibt die diese Idee unterstützen, ist uns keine dedizierte Intitiative wie RobustCircuit bekannt die sich auf die Bedeutung von impräziser Entwicklung auf die Robustheit neuronaler Schaltkreis-Konnektivität und Funktion fokussiert. In unserer Forschungsgruppe beabsichtigen wir die Erforschung verschiedener Formen von Impräzision bei der Assemblierung von neuronalen Schaltkreisen sowie die Unterscheidung von Impräzision als unvermeidbarem Hintergrundrauschen oder als notwendigem Bestandteil der Entwicklung und Funktion. Neuronale Schaltkreise sind vielen Impräzisionen ausgesetzt: molekulares Rauschen, subzelluläre stochastische Dynamik, variable axonale und dendritische Verzweigungen, zelluläre Heterogenität, ungenaue Kodierung der synaptischen Partnerwahl, um nur einige zu nennen. Um eine vergleichbare und integrative Einsicht basierend auf Messungen solcher verschiedener Impräzisionen zu erreichen, beabsichtigen wir ausgewählte neuronale Schaltkreise in einem einzigen Modellorganismus zu untersuchen, Drosophila melanogaster. Die neuronalen Schaltkreise der Fliege sind gut dokumentiert und erlauben eine quantitative Studie von Impräzisionen und Robustheit auf einer Skala die von Molekülen, über subzelluläre Strukturen, Neurone und Schaltkreise bis zum Verhalten reicht. Das Ziel von RobustCircuit ist die Rolle von Impräzisionen während der Entwicklung für die Robustheit neuronaler Schaltkreise durch den Vergleich und die Integration von Beispielen verschiedener Neuronen-Typen und auf eine Skala von Molekülen bis zum Verhalten zu charakterisieren. Unser integrativer Ansatz is ausgelegt um einen quantitativen Vergleich und eine Analyse durch gemeinsame Computer-Modelle bis zum Ende einer ersten Förderperiode zu ereichen. Unsere Langzeitperspektive ist die Erweiterung auf andere Modellsysteme.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Internationaler Bezug: Frankreich

Projekte

• Geschlechtsspezifische Unterschiede in der Variabilität der Verzweigungen von Dorsal Cluster Neuronen führen zu einer sexuell dimorphen Verdrahtungsasymmetrie und Verhalten (Antragsteller Linneweber, Ph.D., Gerit )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Hiesinger, Peter Robin )
• Robuste Musterbildung Axonaler Verzweigungen durch Stochastische Filopodiale Dynamik (Antragsteller Hiesinger, Peter Robin )
• Robuste Netzwerkzustände durch Variabilität: Erkenntnisse aus der mathematischen Analyse eines motorischen Schaltkreises der Fruchtfliege (Antragstellerin Schreiber, Susanne )
• Ungenaue Konnektivität von olfaktorischen Projektionsneuronen im lateralen Horn liegt robusten angeborenen Verhaltensweisen zugrunde (Antragstellerin Martelli, Ph.D., Carlotta )
• Ungenauigkeiten in Entwicklungsprozesse fördern die Robustheit motorischer Mustergenerierung und motorischen Verhaltens (Antragstellerinnen / Antragsteller Duch, Carsten ;  Ryglewski, Stefanie )
• Variabilität und Robustheit funktioneller neuronaler Eigenschaften in den Schaltkreisen des Bewegungssehens (Antragstellerin Silies, Marion )
• Vergleichende Quantitative Bildgebung, Bildanalyse und Modellierung (Antragsteller Baum, Daniel ;  Hiesinger, Peter Robin ;  Von Kleist, Ph.D., Max )
• Von der probabilistischen Natur der frühen Synapsen-Assemblierung zur funktional robusten Struktur und Funktion der Synapse durch Stabilisierungsmechanismen des frühen molekularen Gerüstes (Antragstellerinnen / Antragsteller Petzoldt, Astrid G. ;  Sigrist, Stephan J. )
• Von der Restriktion impräziser synaptischer Partnerwahl in Raum und Zeit zur robusten Repräsentation von Navigationsinformation im Fliegengehirn (Antragsteller Wernet, Mathias )

• Sprecher: Professor Dr. Peter Robin Hiesinger