Auswirkungen des assoziativen Lernens auf die neuronale Aktivität im gesamten erwachsenen Wirbeltiergehirn

• Antragsteller: Daniil Markov, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531605337

Erfahrungen beeinflussen, wie unser Gehirn sensorische Informationen verarbeitet. Wenn ein Tier lernt, dass ein Reiz eine Belohnung vorhersagt, ändert sich die neuronale Reaktion auf diesen Reiz in vielen Regionen des Gehirns. Obwohl in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Details über solche Veränderungen bekannt geworden sind, ist unser Verständnis der Auswirkungen des Lernens auf die neuronale Aktivität nach wie vor lückenhaft. Dies ist darauf zurückzuführen, dass unser derzeitiges Wissen meist auf Aufnahmen weniger Zellen oder auf der funktionellen Bildgebung kleiner neuronaler Populationen in Unterregionen des Gehirns beruht. Ein solcher Ansatz ist nicht nur anfällig auf Voreingenommenheit aufgrund der Vorauswahl von Kandidatenregionen, sondern auch unzureichend, um zu verstehen, wie verschiedene Regionen beim Lernen miteinander interagieren. Um diese Lücke zu schließen, soll in diesem Projekt untersucht werden, wie das Lernen die neuronale Aktivität im gesamten Gehirn verändert. Dies kann mit Hilfe der Kalzium-Bildgebung des gesamten Gehirns erreicht werden. Bis vor kurzem war jedoch das einzige Wirbeltier, das sich für diese Methode eignete, die Zebrafischlarve, deren Fähigkeit, durch Konditionierung zu lernen, sehr eingeschränkt ist. Hier werde ich die Vorteile eines neuen Modellorganismus nutzen, des Fisches Danionella cerebrum (DC). Fische dieser Art sind transparent und haben das kleinste bekannte Wirbeltiergehirn, was es ermöglicht, die Aktivität aller Neurone mittels funktioneller Bildgebung zu beobachten. Außerdem können sie trotz ihrer geringen Größe komplexe Verhaltensweisen durch Pawlowsche Konditionierung erlernen. Diese Kombination bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Auswirkungen des Lernens auf die neuronale Aktivität im gesamten Gehirn zu untersuchen. Ich werde die Fische in einem Konditionierungsversuch trainieren und die Aktivität ihrer Neuronen vor und nach dem Lernen mit Hilfe der Ganzhirn-Bildgebung charakterisieren. Anschließend werde ich die Tiere darauf trainieren, denselben Reiz mit verschiedenen Bedeutungen zu assoziieren, und die lernbedingten Veränderungen der Aktivität in diesen beiden Fällen vergleichen. Auf diese Weise kann ich feststellen, welche der Änderungen die erlernte Bedeutung des Reizes widerspiegeln und welche auf unspezifische Phänomene wie die Sensibilisierung des sensorischen Systems für einen relevanten Reiz zurückzuführen sind. Dieses Projekt wird charakterisieren, wie sich die Aktivität jedes einzelnen Neurons im Wirbeltiergehirn beim Lernen verändert. Ich erwarte, dass ein solcher ganzheitlicher und unvoreingenommener Ansatz wichtige Einblicke in die Auswirkungen von Erfahrungen auf die sensorische Verarbeitung in hirn-weit verteilten Schaltkreisen liefern wird. Darüber hinaus wird das Projekt DC als erstes Wirbeltier mit optischem Zugang zu hirnweiten erfahrungsabhängigen Veränderungen der neuronalen Aktivität etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen