Dynamik nichtlinearer dendritischer Berechnungen in kortikalen Pyramidalneuronen und Interneuronen

• Antragsteller: Dr. Hermann Cuntz; Albert Gidon, Ph.D.; Professor Dr. Peter Jedlicka
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545518567

Die Rechenleistung biologischer Neuronen im Kortex von Säugetieren übertrifft die ihrer künstlichen Gegenstücke bei weitem, da sie über komplizierte dendritische Strukturen und dynamische, aktive Mechanismen verfügen. Diese Strukturen führen zu einem komplexen Zusammenspiel zwischen Gradienten- und Alles-oder-nichts-Mechanismen, die es den Neuronen ermöglichen, anspruchsvolle Berechnungen durchzuführen, die über eine einfache Integration hinausgehen. Trotz zunehmender Belege für komplexes dendritisches Verhalten werden Neuronen, insbesondere inhibitorische Interneuronen, im Allgemeinen immer noch als einfache Integratoren betrachtet. Wir schlagen eine alternative Sichtweise vor, bei der der dendritische Baum als eine rekurrente netzwerkartige Struktur mit intra-dendritischer Dynamik betrachtet wird, die die Umwandlung tausender synaptischer Eingänge in axonale Ausgänge steuert. Um diese Hypothese zu untersuchen, schlagen wir vor, fortschrittliche optische/optogenetische und elektrophysiologische Techniken in vitro und in vivo einzusetzen, um die Auswirkungen evozierter synaptischer Muster auf die dendritische Dynamik zu untersuchen. Darüber hinaus schlagen wir vor, den Umfang dieser Experimente mit detaillierten synthetischen Modellen zu erweitern, die auf der Grundlage realistischer Neuronenmorphologien und Biophysik rekonstruiert werden, um zu untersuchen, wie Neuronen diese Inputs effizient verarbeiten, um ihren Output zu erzeugen. Wir werden eine mathematische Theorie entwickeln, die dendritische Bäume als dynamische Netzwerkstrukturen betrachtet, um einen Einblick in ihr mögliches räumlich-zeitliches Verhalten und ihre Berechnungen zu geben. Schließlich werden wir untersuchen, wie der Dendrit als rekurrentes Netzwerk mit dem kortikalen Mikroschaltkreis interagiert. Diese Arbeit wird nicht nur unser Verständnis neuronaler Berechnungen grundlegend verbessern, sondern hat auch weitreichende Auswirkungen auf die künstliche Intelligenz, die sich an den Details biologischer Neuronen orientiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Romain Cazé; Dr. Boris S. Gutkin