Untersuchung der neuronalen Schaltkreise für die Valenzintegration sensorischer Reize und Handlungssteuerung

• Antragstellerin: Dr. Anna-Maria Jürgensen
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552223197

Zielorientiertes, adaptives Verhalten ist essentiell in komplexen und dynamischen Umgebungen um Gefahrenquellen zu meiden und vorteilhafte Situationen aufzusuchen. Tiere können dabei von sensorischen Reizen mit inhärenter Bedeutung, einer angeborenen positiven oder negativen Valenz geleitet werden. Daneben kann die Valenz eines Reizes auch durch Erfahrung erlernt oder angepasst werden. Im Moment der Verhaltensentscheidung müssen angeborene und gelernte Valenz dynamisch integriert werden. Im Insektengehirn findet diese Integration in der Konvergenz zweier neuronaler Bahnen statt, die angeborene und erlernte Valenz kodieren, dem lateralen Horn und dem Pilzkörper. Bisherige Forschung hat sich mit der Erfassung und Kodierung sensorischer Reize und der Abbildung deren angeborener oder erlernter Valenz befasst. Auch der Erwerb einer erlernten Valenz und ihre Auswirkungen auf Verhalten wurden eingehend untersucht, während Erkenntnisse über die Interaktion und Integration mit angeborener Valenz spärlich sind. Über bisherige theoretische und experimentelle Arbeiten hinaus werde ich zum ersten Mal ein Computermodell eines vollständigen Insektengehirns implementieren, um den gesamten Verarbeitungsprozess vom sensorischen Reiz bis zum Verhalten zu untersuchen und den Beitrag von erlernter und angeborener Valenz zu Verhaltensentscheidungen zu verfolgen. Die Drosophila Larve ist hierfür der ideale Modellorganismus, dank geringer Netzwerkgröße, verfügbarem Konnektom und limitierten Verhaltensrepertoire. Ich werde die Netzwerkarchitektur des gesamten Gehirns aus dem Konnektom implementieren. Die freien Modellparameter werden anhand von Kalzium-Bildgebungsdaten optimiert, die die Aktivität von Schlüsselneuronen im Netzwerk für Valenzintegration vor, während und nach dem Lernvorgang abbilden. Auf diese Weise entsteht ein Computermodell, das Vorhersagen über die spezifischen Funktionen der Verbindungen zwischen lateralem Horn und Pilzkörper und deren Konvergenz für die Valenzintegration erlaubt indem einzelne Neurone in Simulationsexperimenten manipuliert werden. Schließlich werden diese spezifischen Vorhersagen in Laborexperimenten überprüft, in denen das Annäherungs- oder Vermeidungsverhalten von Larven als Reaktion auf sensorische Reize vor, während und nach dem Lernvorgang mittels Kameras aufgezeichnet und ausgewertet wird, um angeborene und erlernte Valenz zu ermitteln. Dabei werden entsprechend der Modellvorhersagen einzelne Neurone im Gehirn optogenetisch aktiviert oder inaktiviert. Dieser multidisziplinäre Ansatz nutzt die komplementären Vorteile von Modell- und Tierexperimenten, um die spezifischen Mechanismen der Valenzintegration im Modell zu isolieren und deren Rolle in naturalistischen Tierexperimenten zu verifizieren. Dieses Walter-Benjamin-Stipendium wird zeigen, wie gespeicherte und neue Informationen über sensorische Reize zusammenwirken, um zielorientiertes Verhalten zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeberin: Professorin Marta Zlatic, Ph.D.