Modelle der funktionellen Entwicklung von kortikalen Mikronetzwerken des Menschen

• Antragstellerin: Dr. Lisa Schmors
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579955061

Das menschliche Gehirn durchläuft eine erhebliche Entwicklung von der Kindheit bis zum Erwachsenenalter, doch die zugrunde liegenden biophysikalischen Mechanismen und ihre Auswirkungen auf die kognitive Entwicklung sind noch nicht vollkommen untersucht und verstanden. Dieses Projekt hat es zum Ziel dies zu untersuchen mittels eines weltweit einzigartigen multimodalen Datensatz von über 1100 Patch-Clamp-Ableitungen von menschlichen supragranulären Pyramidenneuronen. Dieser Datensatz deckt eine große Altersspanne ab von Patient*innen unter einem Jahr und bis zu 55 Jahren. Das Hauptziel des Projektes besteht darin zu verstehen, wie entwicklungsbedingte Veränderungen in den biophysikalischen Eigenschaften von Neuronen die Informationsverarbeitung und das Lernen neuer Konzepte beeinflussen. Der Ansatz verfolgt die Anwendung einer neuen Python-Toolbox, die eine gradientenbasierte Optimierung biophysikalisch detaillierter neuronaler Modelle ermöglicht. Mein Projekt besteht aus drei Phasen: (1) die Entwicklung altersspezifischer biophysikalischer Modelle einzelner kortikaler Neurone; (2) die Konstruktion von Schaltkreismodellen durch die Verbindung der detaillierten Neuronen-Modelle über biologisch realistische Synapsen-Modelle, die auf Daten von "Multi-Patch-Ableitungen" basieren; und (3) die Integration all dieser Komponenten in größere Netzwerk-Modelle, die darauf trainiert werden kognitive Aufgaben zu lösen, um die unterschiedlichen Lerndynamiken zwischen Kindern und Erwachsenen zu verstehen. Dieses Projekt stellt die erste Anwendung gradientenbasierter Optimierung auf elektrophysiologische Daten aus dem menschlichen Kortex dar. Vor allem liegt der Fokus hierbei auf den unterschiedlichen Alters- und Entwicklungsstufen der Neurone und der Netzwerke. Dieses Projekt verbindet computergestützte Modellierung mit menschlicher Entwicklungsneurobiologie und wird Einblicke in kritische Phasen der Gehirnentwicklung liefern. Zusätzlich kann dieses Projekt auch helfen zu verstehen, wie Entwicklungsstörungen des Nervensystems während der frühkindlichen Entwicklung auftreten und daraus resultierende Erkrankungen wie zum Beispiel Epilepsie entstehen.

• DFG-Verfahren: Stipendium
• Internationaler Bezug: Südafrika
• Gastgeber: Professor Joseph Raimondo, Ph.D.