Gerät zur Funktionellen Ultraschall Bildgebung in der Hirnforschung

• Fachliche Zuordnung: Grundlagen der Biologie und Medizin ; Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung in 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465073597

Die Frage, wie das Gehirn die außergewöhnlichen kognitiven Fähigkeiten des Menschen hervorbringt, gehört zu den großen Rätseln der Biologie. Wir nähern uns dieser Frage, indem wir die kognitiven Fähigkeiten und deren zugrundeliegenden neuralen Mechanismen an zwei intelligenten, aber nur entfernt verwandten Tierarten untersuchen: einerseits Rhesusaffen als nichthumane Primaten, andererseits Aaskrähen als Sing- und Rabenvögel. Durch akribische Einzelzellphysiologie in ausgewählten Hirnregionen in Verbindung mit komplexen Verhaltensaufgaben konnten wir neuronale Kodierungsprinzipien höheren Hirnleistungen erforschen. Dazu gehören der Zahlensinn, das Arbeitsgedächtnis, die willkürliche Vokalkontrolle und die bewusste Wahrnehmung. Diese Funktionen werden allerdings nicht nur in isolierter Hirnbereichen verarbeitet, sondern hängen vielmehr vom Zusammenspiel größerer neuronaler Netzwerke ab. Mit diesem Antrag wollen wir die funktionelle Ultraschall-Bildgebung (functional ultrasound imaging), eine vielversprechende und innovative Technik, zur Visualisierung neuraler Aktivität im gesamten Gehirn wacher und sich verhaltender Tiere implementieren. Im Vergleich zu traditionellen Bildgebungsverfahren bietet die funktionelle Ultraschall-Bildgebung eine Reihe von Vorteilen. Zu diesen Vorteilen gehören ein großes Messfeld, eine verbesserte räumlich-zeitliche Auflösung und insbesondere eine nur minimale Beschränkungen der Tiere. Im Unterschied zur funktionellen Ultraschall-Bildgebung ist beispielsweise die funktionelle Magnetresonanztomographie kaum an beweglichen Tieren anzuwenden und besitzt derzeit keine hinreichende Auflösung, um rückgekoppelte Aktivität in kleinen Kernen in der Hirntiefe zu messen. Die funktionelle Ultraschall-Bildgebung, die auf der Messung neurovaskulärer Aktivität beruht, erlaubt hingegen die Bestimmung der Dynamik von Hirnaktivität in Echtzeit und in großen Segmenten des Gehirns während die Tiere kognitiv anspruchsvolle Aufgaben lösen. Diese Methode wird uns einen neuartigen Einblick in die Verarbeitung komplexer kognitiver Vorgänge auf der Grundlage verschiedener Hirnareale und ihrer jeweiligen Beiträge und Interaktion erlauben. Jenseits der Einblicke in die Netzwerkdynamik selbst wird und dieser Ansatz auch erlauben, Hirngebiete zu identifizieren, die wiederum mit detailgenauen elektrophysiologischen Methoden untersucht werden können. Zusammenfassend sind wir optimistisch, dass uns die neuartigen Experimente mittels funktioneller Ultraschall-Bildgebung erlauben werden, eine neue Phase bei der Erforschung der neuralen Mechanismen intelligenten Verhaltens einzuläuten.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Gerät zur Funktionellen Ultraschall Bildgebung in der Hirnforschung
• Gerätegruppe: 3900 Ultraschall-Diagnostikgeräte
• Antragstellende Institution: Eberhard Karls Universität Tübingen
• Leiter: Professor Dr. Andreas Nieder