Evolutionäre Optimierung neuronaler Netzwerkdynamik auf eine empfängerspezifische interareale Kommunikation

• Antragsteller: Professor Dr. Moritz Helias; Professor Dr. Simon Musall
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533396241

Die Evolution optimiert ständig die neuronale Informationsverarbeitung, um das Überleben des Orgasmus zu fördern. Die Optimierung neuronaler Netze steht jedoch vor großen Herausforderungen: Einzelne Zellen haben begrenzte Verarbeitungskapazitäten, die Ausführung höherer Funktionen erfordert daher eine enge Interaktion verschiedener Areale. Darüber hinaus muss die evolutionäre Optimierung die Integration neuer Areale in ein bestehendes System von bereits funktionalen und zuvor optimierten Arealen unterstützen. Eine grundlegende Frage ist daher, wie die Evolution die Kommunikation zwischen den Arealen geformt hat und ob sich die Kommunikationsmuster zwischen Arealen mit unterschiedlichem evolutionärem Alter (subkortikal versus neokortikal) stark unterscheiden. Dies würde darauf hindeuten, dass jedes Areal eine separate evolutionäre Optimierung durchlaufen hat, wohingegen ähnliche Kommunikationsmuster, die durch funktionelle Anforderungen geformt wurden, auf eine Optimierung des gemeinsamen Systems als Ganzes hindeuten würden. Unser Forschungsvorhaben folgt der letzteren Hypothese und untersucht, ob die Evolution die Kommunikationsmuster zwischen Arealen so optimiert hat, dass die Signale des sendenden Areals das empfangende Areal optimal anregen. Diese Hypothese leitet sich aus zwei bisher unabhängigen Arbeitssträngen ab: Der Erste hat gezeigt, dass die Dynamik neuronaler Netze in der Nähe eines kritischen Punktes vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf Speicherkapazität und Signalverarbeitung bietet, da eine Vielzahl neuronaler Modi vorhanden ist, die sich über eine Reihe von Zeitskalen erstrecken. Zweitens wurde gezeigt, dass die Kommunikation zwischen Arealen in niedrigdimensionalen Kommunikationsunterräumen stattfindet, die vermutlich durch spezialisierte Population von Projektionsneuronen implementiert werden. Wir planen eine Kombination aus Netzwerktheorie und Simulation mit der Analyse von neuronalen Daten verschiedener kortikaler Regionen von Primaten sowie kortikaler und subkortikaler Ableitungen bei Mäusen zu verwenden. Zunächst werden wir die neuronalen Modi und damit verbundenen Zeitskalen in verschiedenen Arealen des Neokortex von Makaken und Mäusen sowie des Thalamus der Maus charakterisieren. Dies wird unterschiedliche Funktionsweisen neuronaler Netzwerke bei unterschiedlichen Spezies und in Arealen unterschiedlichen evolutionären Alters aufzeigen. Zweitens werden wir theoretisch untersuchen ob miteinander verbundene Areale optimierte Kommunikationsmuster zeigen, die bevorzugt Modi mit ähnlichen Zeitskalen koppeln, um die Informationsübertragung zu verbessern. Zuletzt werden wir unsere theoretischen Vorhersagen experimentell testen, indem wir Aufzeichnungen kortikaler und subkortikaler Regionen bei Mäusen durchführen und dabei mithilfe von retrograder Markierung und optogenetischer Stimulation die Aktivität einzelner Projektionsneurone isolieren.

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