Design visueller Systeme basierend auf dynamischen Stimulus-Bedingungen

• Antragstellerinnen: Professorin Julijana Gjorgjieva, Ph.D.; Professorin Dr. Marion Silies
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533395350

In natürlichen Umgebungen sind visuellen Reize dynamisch und werden durch externe Bewegungen und die Eigenbewegung des Tieres beeinflusst. Die Fähigkeit, geeignetes Verhalten aus dynamischen visuellen Umgebungen abzuleiten, ist für Tiere überlebenswichtig. Daher haben visuelle Systeme spezifische Kodierungsstrategien entwickelt. Hier werden mit Hilfe von Theorie und Experimente untersuchen, ob und wie die Verwendung paralleler zeitlicher Kanäle und Konnektivitätsmotive das visuelle System von Drosophila melanogaster dafür ausstattet, dynamische, Verhaltens-relevante visuelle Reize effizient zu kodieren. Wir dehnen diese Analyse auf verschiedene Fliegenarten aus, um evolutionäre Designprinzipien abzuleiten, die durch dynamische Stimuli instruiert werden. Wir analysieren natürliche visuelle Reize aus der Perspektive frei laufender oder fliegender Fliegen, und extrahieren deren statistischen Merkmale. Wir werden die statistische Verteilung der zeitlichen Merkmale charakterisieren, inspiriert von der für statische Szenen beschriebenen Potenzgesetz-Statistik. Wir werden theoretische Schaltkreismodelle entwickeln, beruhend auf effizienter Kodierung. Diese Methode nimmt an, dass sich Eigenschaften sensorischer Systeme so entwickelt haben, dass sie an die Umwelt der Organismen angepasst sind. Wir werden die funktionellen und konnektiven Eigenschaften visueller Schaltkreise ableiten, um die Kodierung dynamischer Stimuli zu maximieren. Hier untersuchen wir erstens innerhalb einer einzelnen Hierarchieebene die Hypothese, dass sich neuronale Populationen in parallele Verarbeitungskanäle diversifiziert haben, die zusammen die Bandbreite der Zeitskalen dynamischer Reize abdecken. Zweitens untersuchen wir über Hierarchieebenen hinweg die Hypothese, dass neuronale Schaltkreise dynamische visuelle Reize durch die Integration zeitlicher Informationen aus früheren Phasen darstellen. Experimentell werden wir die theoretischen Vorhersagen mit gemessenen physiologischen oder Verhaltens-Reaktionen auf naturalistische dynamische Reize vergleichen. Insbesondere werden wir die Rolle mehrerer zeitlicher Kanäle in der Lamina, der ersten Schicht im visuellen System der Fliege, für die effiziente Kodierung der von der Fliege erlebten Reizstatistiken untersuchen. Dann werden wir untersuchen, wie neuronale Eigenschaften oder Konnektivität der nachfolgenden Ebenen der visuellen Hierarchie zur effizienten Kodierung natürlicher dynamischer Reize beitragen. Ergänzende genetische Manipulationen können die funktionelle Rolle bestimmter Schaltkreiselemente und Berechnungsstrategien testen. Schließlich verfolgen wir einen vergleichenden Ansatz, um visuell gesteuertes Verhalten und optimale zeitliche Filter für parallele visuelle Bahnen in verschiedenen Drosophila-Arten zu untersuchen. Unsere Arbeit verspricht Einblicke in evolutionäre Konstruktionsprinzipien, die dynamische zeitliche Stimulusmerkmale mit Schaltkreis-Kodierungsstrategien verbinden.

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