Experimentelle Neurobiologie
 
A2
Prof. Dr. Reto Weiler
 
A4
Dr. Ursula Dicke
 
A5
Prof. Dr. Dr. Gerhard Roth
 
A7
Prof. Dr. Andreas Kreiter
 
A8
Prof. Dr. Dieter Leibfritz
Dr. Martin Meier
 
A11
Prof. Dr. Michael Koch
 
Theoretische Neurobiologie
 
B5
Dr. Udo Ernst
Prof. Dr. Klaus Pawelzik
B6
Prof. Dr. Klaus Pawelzik
 
B7
Dr. Christian Eurich
Dr. Winrich Freiwald
 
Psychophysik, kognitive Psychologie, Neuropsychologie
 
C1
Dr. Torsten Dau
Prof. Dr. Volker Mellert
Prof. Dr. Dr. Birger Kollmeier
C2
Prof. Dr. Dr. Birger Kollmeier
 
C7
Prof. Dr. Dr. Manfred Herrmann
Prof. Dr. Canan Basar-Eroglu
 
C8
Dr. Michael Herzog
 
C9
Prof. Dr. Mark W. Greenlee
 
C10
Prof. Dr. Manfred Fahle
 
C11
Prof. Dr. Georg Klump
 
       

 

Titel:

Leiter:

Projekt A2:

Synaptische Integration in den plexiformen Schichten der Retina

Prof. Dr. Reto Weiler
Universität Oldenburg

Zusammenfassung:

In den beiden synaptischen Schichten der Retina werden aus den quantenabhängigen Erregungen der Photorezeptoren die elementaren Komponenten einer visuellen Repräsentation durch eine Vielzahl synaptischer Interaktionen herausgearbeitet. Die Grundzüge dieser Verarbeitung im Hinblick auf Intensität, Kontrast, Farbe und Bewegung sind teilweise bekannt, über die dabei beteiligten synaptischen Mechanismen besteht hingegen weitgehend noch Unklarheit. Im Rahmen dieses Projektes wollen wir die Analyse dieser Interaktionen weiterführen und aufbauend auf den bisherigen Befunden insbesondere folgende Fragenkomplexe bearbeiten.
Zentrales Element der Verarbeitung in der äußeren plexiformen Schicht aller Retinen ist eine adaptative negative Rückkopplung zwischen den Horizontalzellen und den Photorezeptoren, deren Mechanismus nach wie vor ungeklärt ist. Auf der Basis ultrastruktureller und physiologischer Befunde haben wir dafür ein Modell entwickelt, dessen Grundlage ein ephaptischer Mechanismus ist. Mit einer Reihe von immunelektronenmikroskopischen und elektrophysiologischen Experimenten wollen wir die aus dem Modell hergeleiteten Aussagen überprüfen. Dabei geht es vor allem um die Rolle von Hemikanälen und die Lokalisation von Glutamatrezeptoren. Die adaptative Komponente dieser Rückkopplung wird über Calcium geregelt. Dabei entscheidet die Kompartimentalisierung der Calciumänderung, ob es zur Bildung oder Retraktion von dendritischen Spinules kommt. Wir wollen die dabei beteiligten calciumbindenden Proteine identifizieren und den Beitrag der calciuminduzierten Freisetzung von Calcium aus den internen Speichern erfassen.
Die Existenz eines Zapfen- und Stäbchensystems in der Retina bildet eine wichtige Voraussetzung für den großen Intensitätsbereich des visuellen Systems. Die Interaktion und Regulation dieser beiden Systeme erfolgt über AII-Amakrinzellen, und wir wollen mittels Ca2+-imaging und patch-clamp Ableitungen diese Interaktionen in transgenen Tieren analysieren, bei denen entweder Komponenten deletiert sind respektive bestimmte Zellen EGFP-markiert sind. Wir wollen im weiteren versuchen, funktionelle Einheiten von Ganglienzellen in der Mausretina zu identifizieren, welche die Grundlage bestehender Konzepte einer Populationskodierung durch Ganglienzellen bilden, um später die gentechnischen Möglichkeiten zur Generierung von Tieren mit spezifischen visuellen Defekten für eine physiologische Analyse beispielsweise der Richtungsselektivität zu nutzen.

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Titel:

Leiter:

Projekt A4:

Visuelle Wahrnehmung und Aufmerksamkeitseffekte bei Amphibien

Dr. Ursula Dicke
Universität Bremen

Zusammenfassung:

Ziel des Vorhabens ist die Untersuchung der Funktion visueller Zentren von Amphibien bei der durch Aufmerksamkeit geleiteten Wahrnehmung und Verhaltenssteuerung. Durch einen kombinierten Einsatz verhaltensbiologischer, neurophysiologischer, pharmakologischer und anatomischer Methoden soll Aufschluss gewonnen werden über die Arbeitsweise und Organisationsstruktur der neuronalen Netzwerke, die bei aufmerksamkeitsrelevanten visuellen Leistungen im Gehirn von Amphibien aktiv sind. Dazu wird das in der letzten Antragsperiode entwickelte visuelle Stimulationsparadigma verwendet, mit dem eine merkmalsbedingte Verlagerung neuronaler Aktivität zwischen Zellpopulationen durch Präsentation konkurrierender Stimuli erreicht werden kann.
In den elektrophysiologischen Versuchen sollen Stimuli verwendet werden, welche im sich verhaltenden Tier in unterschiedlichem Maße mit Orientierungsreaktionen beantwortet werden. Zum anderen sollen die Veränderungen der neuronalen Aktivität durch erlernte visuelle Stimuli an zuvor operant konditionierten Tieren untersucht werden. Pharmakologische Untersuchungen sollen während der Ableitung von Neuronen im Mittelhirndach bei visueller Stimulation durchgeführt werden, um die Beteiligung der auf das Tectum einwirkenden modulatorischen Systeme zu analysieren. In Verhaltensversuchen (Auswahlexperiment durch Orientierungsreaktion) soll ebenfalls eine pharmakologische Beeinflussung an Tieren bei visueller Stimulation erfolgen, um Effekte auf Zellebene und Auswirkungen auf das Verhalten von Tieren in Beziehung zu setzen. Parallel zu den physiologischen Untersuchungen soll die synaptische Verschaltung und Architektur des visuellen Systems mit Hilfe immuncytochemischer Methoden und Traceranfärbungen aufgeklärt werden.
Die geplanten Untersuchungen dienen einem wichtigen Forschungsziel des SFB, nämlich der Aufklärung visueller Verarbeitungsprozesse und ihrer Modifikation durch Aufmerksamkeitseffekte. Ebenso sollen sie Einblick in die Mechanismen zur Steuerung visueller Gedächtnisleistungen vermitteln. Des weiteren lassen sich die visuellen Verarbeitungsprozesse des neuronalen Netzwerkes mit dem beobachteten Verhalten korrelieren.

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Titel:

Leiter:

Projekt A5:

Die Rolle des limbischen Systems bei der visuellen Verhaltenssteuerung und bei der Furchtkonditionierung von Amphibien

Prof. Dr. Dr. Gerhard Roth
Universität Bremen

Zusammenfassung:

Untersucht wird der Einfluss der Furchtkonditionierung auf das visuell gesteuerte Beutefangverhalten von Amphibien als Beispiel für die Interaktion kognitiver und emotional-affektiver Leistungen. Rotbauchunken (Bombina orientalis) werden mithilfe milder Elektroschocks auf den Anblick eines "verfremdeten" Beuteobjektes (weiße Grille o.ä.) furchtkonditioniert; Erfolg und Dauer der Furchtkonditionierung werden über das aversive Verhalten sowie über Veränderungen des Hautwiderstandes gemessen.
Zur Analyse der neuronalen Grundlagen dieser Verhaltensänderungen wird bei Bombina orientalis die Aufklärung der externen und internen Verschaltung limbischer Zentren, besonders der Amygdala, des dorsalen und ventralen Striatum/Nucleus accumbens und des Septum, mithilfe intrazellulärer Ableitungen und Anfärbungen unter in-vitro-Ganzhirn-Bedingungen fortgesetzt. Ergänzt wird dies durch in-vivo Feldpotentialableitungen und extrazelluläre Ableitungen an Neuronen in limbischen telencephalen und thalamischen Zentren bei der Darbietung neutraler und negativ-emotionaler visueller Reize bei naiven und furchtkonditionierten Unken.
Mithilfe von intrazellulären Ableitungen und Patch-Clamp-Ableitungen an Hirnslices werden die Membraneigenschaften limbischer Neurone (vornehmlich der Amygdala und des medialen Pallium/Hippocampus) bei naiven und furchtkonditionierten Unken miteinander verglichen. Die Zellen werden dabei über die visuellen thalamischen Afferenzen und/oder efferente Axone der Amygdala bzw. visuelle thalamische und medial-palliale Afferenzen zur Amygdala gleichzeitig stimuliert, um das Auftreten von Langzeitpotenzierung (LTP) zu untersuchen. Dabei soll elektrophysiologisch-neuropharmakologisch geklärt werden, welche synaptischen Mechanismen (NMDA oder non-MNDA-vermittelt) an der LTP bzw. an der Furchtkonditionierung beteiligt sind.

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Leiter:

Projekt A7:

Der Einfluß selektiver visueller Aufmerksamkeit auf die zeitliche Koordination neuronaler Antworten

Prof. Dr. Andreas Kreiter
Universität Bremen

Zusammenfassung:

Theoretische Überlegungen zeigen, das selektive Aufmerksamkeit (aber auch andere kognitive Funktionen wie das Arbeitsgedächtnis) die Verarbeitung der jeweils relevanten Reize mit zwei verschiedenen, auf neuronaler Synchronisation beruhenden Mechanismen steuern könnte. Die erste Möglichkeit beruht auf der Hypothese, daß selektive Aufmerksamkeit die generelle Visibilität einer lokalen Neuronengruppen innerhalb des Netzwerkes durch Veränderung der Synchronisationsstärke dieser Neurone untereinander regulieren kann. Aufgrund der starken Konvergenz interarealer Verbindungen mit unterschiedlicher funktioneller Bedeutung fordert die theoretische Literatur jedoch weitere Mechanismen, die es einer Neuronengruppe ermöglichen, den Einfluß der verschiedenen Afferenzen in Abhängigkeit von den aktuell erforderlichen Verarbeitungsleistungen unterschiedlich zu gewichten. Selektive Aufmerksamkeit sollte daher nicht nur die generelle Visibilität einer Neuronengruppe für das gesamte Netzwerk steuern, sondern auch selektiv funktionelle Verbindungen zwischen zwei Neuronengruppen etablieren können. Unserer Arbeitshypothese postuliert daher, daß aufmerksamkeitsabhängige, funktionelle Kopplungen zwischen Neuronengruppen in verschiedenen Arealen durch selektive Synchronisation ihrer zeitlichen Aktivitätsmuster erfolgt.
Basierend auf den bisher etablierten Paradigmen und Methoden in dem laufenden Projekt sollen Vorhersagen dieser Hypothesen in zwei komplementären Ansätzen überprüft werden. Im parietalen Verarbeitungsweg sollen die bisherigen Untersuchungen innerhalb des Areals MT auf das Areal V2 ausgedehnt werden. Damit soll die in der Literatur vertretene Hypothese überprüft werden, die aufmerksamkeitsbedingte Ratenänderungen im Areal MT mit Hilfe des ersten Mechanismus, d.h. aufmerksamkeitsabhängigen Änderungen der lokalen Synchronisationsstärke im Areal V2 erklärt. Für die Überprüfung der zweiten Hypothese soll die Vorhersage getestet werden, daß getrennte Neuronengruppen im Areal V2 die unterschiedliche Reize repräsentieren abhängig davon, ob ihr Stimulus ein Ziel oder ein Distraktor selektiver Aufmerksamkeit ist, ihre Aktivität mit Neuronen in MT synchronisieren bzw. desynchronisieren. Wechselwirkungen und Signale, die kooperativen Effekten wie Synchronisationsphänomenen zugrunde liegen, sind an einzelnen Neuronen eines verteilten Netzwerkes oft schwer nachweisbar und die gleichzeitige Ableitung an vielen getrennten Orten nur mit implantierten Elektroden möglich. Deshalb soll in einem komplementären Ansatz mit der Messung von Feldpotentialen von zahlreichen implantierten Elektroden die Aufmerksamkeitsabhängkeit der Interaktionen zwischen den Arealen V4 und V1 untersucht werden. Getestet werden soll, ob bei gleichzeitiger Anwesenheit eines Distraktors und eines Targets innerhalb des rezeptiven Feldes von V4-Neuronen diejenigen Neurone im räumlich sehr viel höher auflösenden Areal V1, die durch das Target aktiviert werden, besser mit den V4-Neuronen synchronisieren, als jene, die den Distraktor repräsentieren. Dabei soll gleichzeitig geklärt werden, ob es zu aufmerksamkeitsabhängigen Änderungen der lokalen Synchronisation in V1 kommt. Das zweite Ziel dieses Ansatzes ist zu klären, inwiefern neuronale Synchronisation zwischen, bzw. innerhalb der beiden Arealen auch für Mechanismen des Arbeitsgedächtnisses von Bedeutung sind und von diesen beeinflußt werden.

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Leiter:

Projekt A8:

Aktivierung limbischer Strukturen mit und ohne Theta-Rhythmus: Elektrophysiologische und kernspintomographische Untersuchungen

Prof. Dr. Dieter Leibfritz
Dr. Martin Meier
Universität Bremen

Zusammenfassung:

Die hippocampale Formation des Menschen und von Säugetieren (Ratte) spielt eine entscheidende Rolle bei Aufmerksamkeit, Orientierung, Wachheit (Arousal), Lernen und Gedächtnisbildung. EEG-Untersuchungen (zum Teil aus den 50er und 60er Jahren) zeigen, dass der prominente EEG "Theta"-Rhythmus (RSA) im Hippocampus im Zusammenhang mit einer Aufmerksamkeitsfokussierung auf neue Stimuli auftritt und mit gelerntem Verhalten in Beziehung steht, d. h. der Orientierungsreflex ist eine essentielle Komponente des Lernprozesses. Demnach sind unterschiedliche Komponenten des Theta-Rhythmus im Hippocampus mit a) der Aufmerksamkeit auf einen neuen Stimulus oder b) der Initiation von voluntären Bewegungen oder sogar der Bewegungsintention verknüpft. Aufmerksamkeit ist eine Voraussetzung für Lernen und voluntäre Bewegungen erfordern einen Gedächtnisabruf. Direkte Ableitungen im Gehirn von Patienten haben gezeigt, daß im Hippocampus zusätzlich zum Neokortex kognitive Komponenten (P300) ereignisbezogener Potentiale (ERP) erzeugt werden. Die P300 scheint immer dann zu entstehen, wenn ein mentales Modell der Umweltereignisse korrigiert oder bestätigt wird. In Verhaltensversuchen an Primaten, Katzen und Ratten wurden P300-ähnliche Komponenten nachgewiesen, wobei der Hippocampus als einer der möglichen Entstehungsorte identifiziert wurde. Wir konnten zeigen, dass die Entstehung der P300 und des hippocampalen Theta-Rhythmus bei der Ratte sehr eng miteinander verknüpft sind. Mit dem Brain Science Institute am Riken (Japan) wollen wir Übereinstimmungen und Unterschiede unter vergleichbaren Versuchsbedingungen bei unterschiedlichen Spezies (Ratte (HB), Affe (Japan), Mensch (HB)) bei der Aktivierung des Hippocampus zu einer synoptischen Darstellung zusammenführen. Es sollen Daten aus elektrophysiologischen Untersuchungen und aus MR-Untersuchungen am Menschen einfließen. Ferner soll aufbauend auf unseren bisherigen Ergebnissen der Zusammenhang und die räumlich-zeitliche Ausbreitung der Aktivität im Hippocampus der Ratte (trainierte Tiere) untersucht werden.
Die Aktivierung des menschlichen Hippocampus soll während einer Verhaltensaufgabe mit Gesichtserkennung MR-tomographisch verifiziert werden. Mit Hilfe des Oddball-Paradigmas und einer weiteren mentalen "Memory Load"-Aufgabe soll der hippocampale Theta-Rhythmus ausgelöst und die raumzeitliche Beziehung der hippocampalen Aktivität zu weiteren funktionell beteiligten Hirnstrukturen nachgewiesen werden.

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Leiter:

Projekt A11:

Effekte neonataler Entwicklungsstörungen des präfrontalen und entorhinalen Cortex auf kognitive, emotionale und perzeptuelle Leistungen adulter Ratten. Neurobiologische Untersuchungen des "Two-Hit Model" der Schizophrenie

Prof. Dr. Michael Koch
Universität Bremen

Zusammenfassung:

Ziel des Teilprojekts ist die Aufklärung der Konsequenzen neonataler Eingriffe in die Entwicklung des medialen präfrontalen und des entorhinalen Cortex auf perzeptuelle, emotionale und kognitive Verhaltensleistungen der erwachsenen Ratte. Diese Leistungen sollen in einer Reihe von Verhaltensparadigmen (räumliches Lernen, Sozialverhalten, Arbeitsgedächtnis, klassische Furchtkonditionierung, Präpulsinhibition der Schreckreaktion) erfasst werden. Die strukturellen und physiologischen Veränderungen im Gehirn läsionierter Tiere werden durch histologische und elektrophysiologische Verfahren quantifiziert und mit den Verhaltensveränderungen korreliert.
Es wird auf zwei verschiedene Weisen (Läsion, spezifische Entwicklungsblockade) in die Cortexentwicklung eingegriffen. Zusätzlich zu Verhaltenstests werden die so bewirkten Funktionsstörungen durch elektrophysiologische Ableitungen im Cortex und subcortikalen Gebieten narkotisierter und wacher Ratten untersucht. Durch den Nachweis von Markermolekülen für zelluläre und synaptische Integrität werden die strukturellen Konsequenzen der Entwicklungsstörungen charakterisiert.
Die geplanten Untersuchungen sind als Tiermodell für neuere Hypothesen zur Entstehung der Schizophrenie zu sehen. Epidemiologische Studien zeigen, dass pränatale Faktoren eine Rolle bei der Entstehung von Schizophrenien spielen, deren Symptome erst postpubertär manifest werden. Jedoch sind die pathologischen Mechanismen, die zu dem "Delayed-onset" der klinischen Symptomatik führen unbekannt. Das Ziel der präklinischen Verhaltenspharmakologie ist es außerdem, wirksame und gleichzeitig möglichst nebenwirkungsfreie Präparate zu finden. Die derzeit zur Behandlung der Schizophrenie eingesetzten Pharmaka sind in diesem Sinne nicht optimal und bedürfen der Verbesserung. Langfristig dient das Versuchsvorhaben der Etablierung und Prüfung von pharmakologischen Behandlungsstrategien für diese Erkrankungen. Die Relevanz der hier angewandten Tiermodelle ist bereits grundsätzlich anerkannt (Robbins, 1998; Swerdlow & Geyer, 1998; Koch 2000). Das Versuchsvorhaben stellt eine Weiterentwicklung dieser Modelle dar. Die zu erwartenden Befunde sollen zum Verständnis einer schweren psychiatrischen Erkrankungen des Menschen beitragen.

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Titel:

Leiter:

Projekt B5:

Schnelle Gestaltwahrnehmung in einem Modell des visuellen Kortex

Dr. Udo Ernst
Prof. Dr. Klaus Pawelzik
Universität Bremen

Zusammenfassung:

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines realistischen Modells der Gestaltwahrnehmung. Hierbei interessiert uns insbesondere die Frage, wie Information aus dem räumlichen und zeitlichen Kontext im neuronalen System verfügbar gemacht und situationsabhängig transformiert werden kann.
Bisherige Modelle des visuellen Kortex basieren weitestgehend auf stark vereinfachenden Annahmen über die Dynamik neuronaler Populationen, und die Kopplungen zwischen den Neuronen werden meist linear angesetzt. Es hat sich zum einen gezeigt, daß diese Annahmen nicht ausreichen, die Dynamik neuronaler Antworten bei zusammengesetzten Reizen zu reproduzieren. Zum anderen erfordern auch die funktionalen Effekte bei der schnellen Gestaltwahrnehmung die Berücksichtigung weiterer Strukturen und dynamischer Eigenschaften bei der neuronalen Modellierung. In diesem Zusammenhang ist eine korrekte Beschreibung der Dynamik von Neuronen und neuronalen Populationen auf der ms-Zeitskala wesentlich, sowie die Identifizierung relevanter Nichtlinearitäten neuronaler Wechselwirkungen.
Wir haben in der letzten Förderperiode einige, für die hier geplanten Untersuchungen wesentliche Ergebnisse erzielt (siehe 3.4). Ausgangspunkte der Untersuchungen in diesem Teilprojekt sollen neben der Psychophysik der Gestaltwahrnehmung zum einen die Dynamik der in psychophysikalischen Experimenten beobachteten Effekte des räumlichen und zeitlichen Kontextes auf die Detektion von Reizen sein, zum anderen wollen wir die in letzter Zeit in der Neurophysiologie intensiv erforschten Kontexteffekte im Zusammenhang mit den sogenannten nichtklassischen rezeptiven Feldern berücksichtigen.
Neben der Integration physiologischer Erkenntnisse über mögliche Nichtlinearitäten der Kopplungen im visuellen Kortex planen wir, einen theoretischen Ansatz zu verfolgen, bei dem sich aus der Annahme optimaler Schätzung eines Objektes (,optimal' bezieht sich dabei auf den Rahmen der Möglichkeiten, der durch generische Beschränkungen wie limitierte Anzahl an Neuronen, Synapsen, Zeit, Energie, oder Leistung vorgegeben ist) Schlußfolgerungen über die benötigten Nichtlinearitäten und die Dynamik der Aktivitäten ziehen lassen.

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Titel:

Leiter:

Projekt B6:

Lernen und selektive Aufmerksamkeit

Prof. Dr. Klaus Pawelzik
Universität Bremen

Zusammenfassung:

Das Konzept der selektiven Aufmerksamkeit ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis von Wahrnehmungsprozessen in ihrer Abhängigkeit von internen Zuständen des Beobachters.
Eine weitere grundlegende Frage in der theoretischen Neurowissenschaft ist die nach der Extraktion bzw. dem Lernen einer effizienten neuronalen Repräsentation aus der Fülle sensorischer Inputinformationen. Diese Repräsentation ist es, die erst die Wahrnehmung von bestimmten Objekten oder Stimuluselementen bzw. "features" ermöglicht und damit bestimmt, welches überhaupt die selektierbaren Elemente der Wahrnehmung sind. Daraus ergibt sich unmittelbar die zentrale Fragestellung dieses Teilprojektes: Inwieweit stehen Lernen und selektive Aufmerksamkeit in Wechselwirkung, bzw. inwiefern bedingen sie einander?
Zur Untersuchung dieses Fragenkomplexes gehen wir von einem neuartigen Ansatz für die Aufmerksamkeitssteuerung aus, dem Prinzip optimaler Schätzung. Basierend auf einem generativen Modell des visuellen Inputs sollen interne Zustände dieses Modells geschätzt werden, die einzelnen Objekten oder Merkmalen entsprechen. Diese Schätzung ist grundsätzlich beschränkt durch sensorisches Rauschen sowie durch die Transmissionseigenschaften neuronaler Populationen (z.B. endliche Übertragungsraten). Im Rahmen dieses Ansatzes würde Aufmerksamkeit dazu dienen, die Zuverlässigkeit bzw. die Geschwindigkeit der Schätzung bestimmter verhaltensrelevanter Merkmale zu erhöhen. Darüber hinaus - so unsere Hypothese - könnte Aufmerksamkeit auch zu verbessertem Lernen führen, d.h. der aufmerksamkeitsspezifischen Modulation neuronaler Verarbeitung würde eine weitere, übergeordnete Rolle zukommen, die funktional einer Verbesserung der statistischen Korrelation spezifischer perzeptiver Zustände mit den jeweiligen sensorischen Inputs diente.
Wesentliches Ziel dieses Projektes ist es, die Plausibilität dieses Ansatzes für die Erklärung sowohl psychophysikalischer Effekte visueller Aufmerksamkeit als auch deren neurophysiologischer Korrelate zu untersuchen. Dabei steht die Frage nach der Dynamik neuronaler Antworten und deren Modulation durch Aufmerksamkeit und perzeptuelles Lernen im Vordergrund. Das Endziel des Projektes ist es, ein neuronales Modell zu entwickeln, das mit Hilfe biologisch realistischer Lernmechanismen selbständig visuelle Suchaufgaben lernt. Anhand dieses Modells wäre dann die Wechselwirkung zwischen Aufmerksamkeit und perzeptuellem Lernen (d.h. sowohl Lernen von Aufmerksamkeit als auch Lernen durch Aufmerksamkeit) genauer zu analysieren.

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Titel:

Leiter:

Projekt B7:

Kodierungsstrategien bei eigenschafts- und objektbasierter Aufmerksamkeit: Multi-Elektroden-Ableitungen und Schätztheorie

Dr. Christian Eurich
Dr. Winrich Freiwald
Universität Bremen

Zusammenfassung:

Visuelle Aufmerksamkeit bewirkt nicht nur die Selektion bestimmter Reize für die weitere neuronale Verarbeitung, sondern beeinflußt nach neueren psychophysischen Untersuchungen auch Repräsentationsgenauigkeit, Diskriminierbarkeit und Verarbeitungsgeschwindigkeit von Reizen. Diesen Leistungszuwächsen im Verhalten muß eine Verbesserung der Stimuluskodierung auf neuronaler Ebene entsprechen. Ein solches Korrelat ist in Änderungen corticaler Populationscodes zu suchen, deren Aufmerksamkeitsabhängigkeit aber noch nicht untersucht worden ist. In dem beantragten Teilprojekt soll daher in einem Paradigma visueller Aufmerksamkeit, das die genaue Repräsentation verschiedener Stimuluseigenschaften erfordert, der Zusammenhang zwischen den Aktivitätszuständen neuronaler Populationen und Verhaltensleistungen in einem integrierten elektrophysiologischen, psychophysischen und schätztheoretischen Zugang charakterisiert werden. Im experimentellen Teil soll mit Mehrkanalableitungen die Aktivität einer Population von etwa fünfzig und mehr Neuronen in Area V2 des Makaken registriert werden, dessen Aufgabe darin besteht, kontinuierliche Änderungen der Eigenschaften eines von zwei dargebotenen Reizen zu verfolgen. Der Verlauf dieser Änderungen soll anhand der neuronalen Aktivitätsmuster mittels Rekonstruktionstechniken nachvollzogen werden. Wenn Aufmerksamkeit die Kodierung verbessert, muß sich dies in der Qualität der Rekonstruktion niederschlagen. Effekte eigenschafts- und objektbasierter Aufmerksamkeitsformen können dann kontrastiert und die kritischen Parameter des Populationscodes identifiziert werden. Die Stimuluskonfiguration unseres Paradigmas teilt mehrere Eigenschaften mit natürlichen Szenen, insbesondere Komplexität und Dynamik. Schätztheoretisch ist aber noch unverstanden, welche Anforderungen diese Situation an eine effiziente Repräsentation durch Neuronenpopulationen stellt. Es ist hier mit einem prinzipiell anderen Ergebnissen als im bisher betrachteten Fall statischer Einzelreize zu rechnen. Eine solche Schätztheorie soll im beantragten Teilprojekt entwickelt werden. Erst auf der Grundlage der so gewonnenen theoretischen Erkenntnisse wird ein volles Verständnis aufmerksamkeitsbedingter Änderungen auf verschiedene Charakteristika von Populationscodes und deren Zusammenhang mit dem Verhalten möglich.

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Titel:

Leiter:

Projekt C1:

Zusammenhang zwischen psychoakustischen Modellgrößen und akustisch evozierten Potentialen

Dr. Torsten Dau
Prof. Dr. Volker Mellert
Prof. Dr. Dr. Birger Kollmeier
Universität Oldenburg

Zusammenfassung:

Ziel des Projektes ist ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge zwischen subjektiven Hörleistungen (z.B. im Bereich der Lautheits- und Modulationswahrnehmung) und ihren mit den gleichen Reizen evozierten, zeitaufgelösten neuronalen Korrelaten im EEG. Die bisher im Rahmen des Projektes gefundenen Ergebnisse demonstrierten die enorme Bedeutung der Transformation in der Kochlea sowohl für die Schallwahrnehmung als auch für die Ausbildung von Hirnstammpotenzialen. Es wurde ein Modell zum Entstehungsmechanismus früher Potenziale entwickelt, das sowohl transient evozierte Potenziale als auch Frequenzfolgepotenziale quantitativ nachbildet. Sowohl die Modellierung als auch die experimentellen Paradigmen werden nun auf die Erfassung kortikaler Potentziale erweitert. Neben der Modellierung von "klassischen" steady-state Potenzialmustern und aus dem EEG abgeleiteten Modulationstransferfunktionen werden experimentelle Arbeiten zu elektrophysiologischen Korrelaten akustischer Objekte bei der Modulations- und Lautheitswahrnehmung einen Schwerpunkt bilden. Psychoakustische Arbeiten zeigen, dass die Wahrnehmung von gleichzeitigen Modulationen, die auf Träger unterschiedlicher Frequenz aufgeprägt werden, stark interferieren kann. Diese Interferenz wird aufgelöst, sobald onset und offset der beteilgten Trägerkomponenten gegeneinander verschoben sind, so dass die Modulationen nun nahezu "unabhängig" voneinander wahrgenommen werden. In entsprechenden EEG-Ableitungen wird der Einfluß von objektbildenden Parametern (z.B. zeitliche und räumlich-spektrale Korrelationen) auf die "interne Repräsentation" und deren Analyse im auditorischen Kortex systematisch untersucht. Zudem ist geplant, alternative experimentelle Paradigmen bei der Potenzialaufzeichnung unter Berücksichtigung selektiver Aufmerksamkeit zu testen, um eine möglichst direkte Vergleichbarkeit mit den Ergebnissen aus psychophysikalischen Detektionsexperimenten zu ermöglichen.

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Titel:

Leiter:

Projekt C2:

Auditorische räumliche Abbildung und Mechanismen der Objektbildung beim Menschen

Prof. Dr. Dr. Birger Kollmeier
Universität Oldenburg

Zusammenfassung:

Die Mechanismen der Bildung von räumlichen Hörobjekten aufgrund von binauralen Merkmalen (d. h. durch den Vergleich der an beiden Ohren vorliegenden Signale) soll mit psychoakustischen und elektrophysiologischen Messungen (EEG) beim Menschen aufgeklärt werden. Ziel der Arbeiten ist das neuronale Korrelat von psychoakustisch beschreibbaren Mechanismen zur Lokalisation (Ortung) von Objekten im Raum (z. B. die Rolle von interauralen Zeit- und Pegeldifferenzen, der Einfluß von Nachhall und das Auflösen von Mehrdeutigkeiten in der internen Repräsentation zur Wahrnehmung eines einzigen Hörobjektes). Zunächst wird daher das binaurale Differenzpotential als neuronales Korrelat der spezifisch binauralen Verarbeitung als Funktion von Ausgeprägtheit und Ort des wahrgenommenen Hörobjekts und der ihm gewidmeten Aufmerksamkeit untersucht. Da die Mechanismen der räumlichen Objektbildung und Reizselektion sich im psychoakustischen Fall besonders gut mit akustischen "Täuschungen" darstellen lassen, liegt ein weiterer Schwerpunkt der vorgesehenen Arbeiten auf der elektrophysiologischen Untersuchung dieser Paradoxien. Dabei wird einerseits die aus der Literatur bekannte Trägheit beim Aufbau und Zerfall des Präzedenzeffektes (Gesetz der ersten Wellenfront) ausgenutzt und andererseits die in den bisherigen Arbeiten festgestellte "räumliche Magnetwirkung" von Nachhall-behafteten Außenohr-Übertragungsfunktionen. Wesentliche methodische Erweiterungen der eingesetzten elektrophysiologischen Methoden liegen im Bereich der Bestimmung binauraler Effekte mit Hilfe der Frequency-Following-Response (FFR).
Insgesamt dient die hier angestrebte Charakterisierung der Ortung von Schallquellen (Hörobjekten) in komplexen auditorischen Szenen nicht nur der besseren Interpretation der neurosensorischen und Aufmerksamkeits-gesteuerten kognitiven Prozesse in unserem Gehirn, sondern verspricht darüber hinaus technische Anwendungen z. B. für realistische "3D Audio-Darbietung" (virtuelle Realität) und Hörunterstützungs-Maßnahmen z. B. bei Schwerhörigen.

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Leiter:

Projekt C7:

Neuronale Grundlagen von Defiziten des visuo-räumlichen Arbeitsgedächtnis und der Inhibitionskontrolle bei Parkinson-Patienten

Prof. Dr. Dr. Manfred Herrmann
Prof. Dr. Canan Basar-Eroglu
Universität Bremen

Zusammenfassung:

In dem geplanten Forschungsvorhaben sollen die neuronalen Aktivitätsmuster von spezifischen kognitiven Funktionen (visuelles Arbeitsgedächtnis und Inhibitionskontrolle) bei Hirngesunden und Patienten mit einer idiopathischen Parkinson-Erkrankung (PD) ohne Demenz durch eine kombinierte Analyse von ereigniskorrelierten Potentialen, funktioneller Kernspintomographie (fMRI) und klinisch-neuropsychologischen Befunden untersucht werden. Ziel der Untersuchungen ist die Klärung der Fragestellung, ob und welcher Zusammenhang zwischen einer Dysfunktion dopaminerger Systeme und spezifischen kognitiven Defiziten besteht. Jüngere Studien belegen, daß PD-Patienten primär Beeinträchtigungen im (visuo-räumlichen) Arbeitsgedächtnis und bei der Inhibitions /Interferenzkontrolle aufzeigen. Basierend auf diesen Überlegungen behandelt das beantragte Forschungsvorhaben folgende drei Fragestellungen: (1) Sind spezifische kognitive Leistungen des Arbeitsgedächtnisses und der Inhibitionskontrolle mit separierbaren neuronalen Aktivitätsmustern in elektrophysiologischen und bildgebenden Verfahren assoziiert? (2) Unterscheiden sich diese Aktivierungsmuster bei de-novo PD-Patienten ohne Demenz von denen altersadjustierter gesunder Kontrollprobanden? (3) Führt die Dopaminsubstitution bei PD-Patienten zu einer Veränderung von spezifischen kognitiven Leistungen sowie deren Korrelate in elektrophysiologischen und bildgebenden Untersuchungen?

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Titel:

Leiter:

Projekt C8:

Perzeptuelles Lernen

Dr. Michael Herzog
Universität Bremen

Zusammenfassung:

In der letzten Antragsperiode konnten wir zeigen, dass beim perzeptuellen Lernen starke Wechselwirkungen zwischen top-down Prozessen und bottom-up Mechanismen existieren. Dabei operieren die top-down Mechanismen auf Kodierungsprozessen, von denen wegen der starken Spezifitäten des perzeptuellen Lernens angenommen wird, dass sie auf den sehr frühen Stufen der visuellen Wahrnehmung auftreten. Ausgehend von diesen Befunden wollen wir in der nächsten Antragsperiode diese Mechanismen, die perzeptuelles Lernen ermöglichen, in drei Unterprojekten weiter untersuchen.
Zum ersten wollen wir Fragestellungen weiterverfolgen, die sich aus unseren letzten Experimenten ergeben haben. Dabei sind vor allem die Resultate zu nennen, die zeigen, dass das Auge bekannt sein muß, auf das der Reiz projiziert wurde, um einen Lernerfolg sicherzustellen. Außerdem wollen wir die Wechselwirkungen zwischen Entscheidungs- und Enkodierungsebene weiter untersuchen. Wie im Arbeitsbericht erwähnt haben wir ein Paradigma entwickelt, in dem manipulierte Fehlersignale auf der Entscheidungsebene starke Veränderungen induzieren, während kein Enkodierungslernen zu beobachten ist. Mit den Daten aus diesen Experimenten wollen wir in Zusammenarbeit mit Dr. Eurich (TP B7) versuchen, die Wahrscheinlichkeitsfunktionen zu bestimmen, die zu den jeweiligen Reizen gehören. Außerdem wollen wir das Wechselspiel von monokularer Informationsverarbeitung und Verschiebungseffekt und die Permanenz des Verschiebungseffekts studieren.
Zum zweiten wollen wir mit Hilfe von funktioneller Kernspintomographie Aktivitätsänderungen im menschlichen Gehirn lokalisieren, die während des perzeptuellen Lernens auftreten. Dies soll in Zusammenarbeit mit Prof. Heinze aus Magdeburg im Rahmen des Neuro-Nord Projektes geschehen.
Zum dritten erlaubt es der von uns in der letzten Antragsperiode entdeckte Durchscheineffekt, perzeptuelles Lernen in seiner ursprünglichen Definition zu untersuchen. Dabei werden wir auch studieren, wie sich der Einfluss von Kontextelementen auf ein Zielelement durch Lernen verändert. Diese Resultate werden in zweifacher Hinsicht indirekte Rückschlüsse auf die Kodierung von Neuronen des visuellen Systems zulassen. Wahrnehmung ändert sich sowohl mit dem Kontext als auch durch Lernen- und so muß es korrespondierenden Neuronen ergehen. Die Modellierung dieser Ergebnisse soll in Zusammenarbeit mit Dr. Eurich (TP B7) und Dr. Ernst (TP B5) geschehen. Außerdem wollen wir unsere Untersuchungen auf schizophrene Patienten ausdehnen. Dies geschieht in Kooperation mit Dr. Brand vom Krankenhaus Bremen Ost.

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Titel:

Leiter:

Projekt C9:

Erfassung von Prozessen der Reizselektion in der Großhirnrinde des Menschen mit Hilfe der funktionellen Kernspintomographie

Prof. Dr. Mark W. Greenlee
Universität Oldenburg

Zusammenfassung:

Bei der Betrachtung einer visuellen Szene fällt eine Vielzahl von Reizen auf die Netzhaut der Augen, von denen zu jedem Zeitpunkt nur wenige eine Relevanz für die Handlungssteuerung aufweisen und bewusst wahrgenommen werden. Die Selektion der verhaltensrelevanten Reize erfolgt über Interaktionen zwischen sensorischem Input (Bottom-up-Einflüsse) und internen Zuständen wie Vorwissen und Erwartungen (Top-down-Einflüsse). Abhängig von der Reizvorlage können beim Selektionsprozess präattentive oder attentive Erkennungsvorgänge dominieren.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die kortikalen Grundlagen von Reizselektionsmechanismen bei Menschen mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) zu untersuchen. Hierzu wird das Paradigma der "visuellen Suche" ("visual search") verwendet. In der Standardaufgabe wird ein Zielreiz zwischen mehreren gleichartigen Distraktoren dargeboten. Die Aufgabe des Probanden besteht darin, den Zielreiz zu entdecken. Während dieser Such- und Selektionsprozesse sollen fMRT- Messungen vorgenommen werden, um die lokalen durchblutungs- und oxygenierungsabhängigen Änderungen des Gehirns (BOLD-Signale) während der Ausführung der Aufgabe zu erfassen.
In den meisten fMRT-Untersuchung wurden die okulomotorischen Antworten der Probanden während der Aufgabendurchführung im Scanner entweder gar nicht oder nur elektrookulographisch erfasst. In unserem Forschungsprojekt soll die Position der Augen mit Hilfe eines fMRT-tauglichen, infrarotbasierten Augenbewegungsmesssystems erfasst werden. Die okulomotorischen Informationen (z.B. Anzahl und Amplituden von Sakkaden, Latenz der Sakkaden, Dauer und Häufigkeit von Fixationsperioden, Anzahl von Blinks) können als Kovariate in die Designmatrix integriert werden, um den Beitrag der Augenbewegungen zur kortikalen Aktivierung zu bestimmen.
Die Prozesse der Reizselektion sollen anhand psychophysischer Voruntersuchungen eingegrenzt werden. Dabei sollen Reizmerkmale derart variiert werden, dass sowohl attentive als auch präattentive Erkennungsvorgänge wiederholt auftreten. Durch einen Vergleich von Aktivierungsepochen mit attentiver bzw. präattentiver Reizselektion können wir die kortikalen Areale beschreiben, die für diese Leistungen zuständig sind. Aufgaben- und instruktionsabhängige Variationen von Bottom-up vs. Top-down Einflüssen ermöglichen den Vergleich kortikaler Aktivierung bei einer eher reizgeleiteten vs. kognitiv gesteuerten visuellen Suche.

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Titel:

Leiter:

Projekt C10:

Zeit-definierte Objektwahrnehmung und Zeitabhängigkeit illusionärer Objektwahrnehmung

Prof. Dr. Manfred Fahle
Universität Bremen

Zusammenfassung:

Der erste Teil des Vorhabens soll die neuronalen Mechanismen untersuchen, die der Wahrnehmung, d. h. Bildung visueller Objekte auf der Basis rein zeitlicher Reizmerkmale zugrunde liegen. Der zweite soll die Abhängigkeit illusionärer Objektwahrnehmung von zeitlichen Parametern quantifizieren. Beiden Projekten ist gemeinsam, dass die relevanten Zeiten im Bereich weniger Millisekunden liegen, d. h. weit unter der Flickerfusionsfrequenz, es sich also um zeitliche Überauflösung handelt. Im ersten Teilprojekt wird die Gruppierung einzelner Elemente zu als zusammenhängend wahrgenommenen Objekten auf der Basis zeitlicher Merkmale untersucht. Wir konnten zeigen, dass nicht nur räumliche, sondern auch rein zeitliche Reiz-Merkmale, wie die gleichzeitige Darbietung von Muster-Elementen, zu einer Figur-Grund-Unterscheidung führen können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen soll die Fähigkeit des menschlichen Sehsystems zur zeitbasierten Figur-Grund Unterscheidung mit rein durch Farbübergänge definierten Einzelelementen quantitativ mit Hilfe psychophysischer Experimente untersucht werden. Mit Hilfe der funktionellen Kernspintomografie sollen die Hirnareale bestimmt werden, die während der zeitbasierten Figur-Grund Unterscheidung besonders aktiv sind, und mit Hilfe von Summenpotential-Ableitungen (EEG bzw. VEP) soll versucht werden, eine durch die zeitbasierte Objekt-Bindung erzeugte kurzfristige Cortex-Aktivierung nachzuweisen. Im zweiten Teilprojekt sollen die zeitlichen Parameter einer anderen Art von Objekt-Bindung untersucht werden: Der Entstehung eines illusionären Objektes im Rahmen der Durchschein- und Merkmalsvererbungs-Effekte. Dabei geht ein Nonius für sehr kurze Zeit (z. B. 10 ms) einem Gitter voraus. Während der Nonius selbst bei schmalen Gittern unsichtbar bleibt, aber seine Versetzung ‚vererbt', scheint er bei ausgedehnten Gittern mit mehr Elementen durch das Gitter hindurch. In psychophysischen Experimenten sollen die Wechselwirkungen zwischen zeitlichen und räumlichen Reizparametern untersucht werden. Es scheinen sehr präzise Regeln für die Verrechnung von Darbietungsdauer der Elemente einerseits und räumlichen Parametern andererseits zu bestehen, die Rückschlüsse auf die zugrundeliegende neuronale Kodierung erlauben, sowie auf die Mechanismen von visueller Maskierung durch Folgereize - ein Standard-Paradigma in der Psychologie und zunehmend in der Physiologie. Schließlich soll untersucht werden, inwieweit die zeitlichen Parameter der Wahrnehmung bei amblyopen Patienten verändert sind, da Hinweise darauf vorliegen, dass nicht nur die räumliche, sondern auch die zeitliche Reizverarbeitung bei amblyopen Patienten betroffen ist.

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Titel:

Leiter:

Projekt C11:

Auditorische Wahrnehmungsprozesse bei Mausmutanten mit veränderten inhibitorischen Mechanismen

Prof. Dr. Georg Klump
Universität Oldenburg

Zusammenfassung:

Im psychoakustischen Verhaltensexperiment soll die Bedeutung der Inhibition für die Hörverarbeitung im Zeit- und Spektralbereich untersucht werden. Dabei wird die auditorische Wahrnehmung von Mäusestämmen mit Veränderungen in der Dichte von inhibitorischen membrangebundenen Glyzin-Rezeptoren (spa/spa-TG456/TG456 Mäuse) mit der von "Wildtyp"-Mäusen (NMRI-Maus) verglichen. Zusätzlich sollen bei letzteren die Glyzin-Rezeptoren durch Strychnin pharmakologisch beeinflusst werden sollen. Zeitliche Aspekte der Verarbeitung werden im Versuchsparadigma "Dauer-Diskrimination" getestet. Aus neurophysiologischen Studien an der Maus ist bekannt, dass an der Signaldauer-Kodierung in der Hörbahn eine Kombination exzitatorischer und inhibitorischer Prozesse beteiligt ist. Die Rolle der Inhibition bei der spektralen Verarbeitung wird in Versuchsparadigmen mit Simultan- und Nachverdeckung untersucht. Aus neurophysiologischen Studien an Säugern ist bekannt, dass Inhibition die spektralen Filtereigenschaften auditorischer Neurone mit bestimmt. Die Experimente sollen dazu beitragen, Mausmutanten als Modellorganismen in der Hörverarbeitung weiter zu etablieren. Die Kenntnisse über das Genom der Maus und die genetischen Manipulationsmöglichkeiten versprechen bei dieser Tierart in der Zukunft einzigartige Möglichkeiten zum Verständnis der Mechanismen der Hörverarbeitung.

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