Arbeitsgruppe Matthias Kaschube - Forschung

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Dynamik neuronaler Repräsentationen

Das Gehirn bildet bemerkenswert effiziente Repräsentationen der sensorischen Umgebung und innerer Zustände, von Erinnerungen und Zukunftserwartungen. Wie erreicht das Gehirn dies? Um diese grundlegende Frage zu beantworten, kombinieren wir dynamische Modelle der Funktion neuronaler Netzwerke mit Techniken zur Modellierung neuronaler Daten in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen. Unsere Arbeit bildet eine Schnittstelle zwischen Informatik, Physik, Biologie und KI.

Entstehung von neuronalen Repräsentationen in der Entwicklung des Gehirns

Unsere Forschung zeigt hochstrukturierte kortikale Netzwerke vor Beginn der sensorischen Erfahrung (Smith et al., Nature Neuro 2018; Mulholland et al., Elife 2021). Ihre Repräsentationsarchitektur ist in mehreren sensorischen und höheren Assoziationskortizes sehr ähnlich (Powell et al., Cerebral Cortex 2025) und scheint durch dynamische rekurrente Interaktionen vom Typ lokale Erregung und laterale Hemmung (LELI) geformt zu werden (Mulholland et al., Nature Commun 2024). Durch erfahrungsbedingte Netzwerkreorganisation werden diese endogen strukturiereten Netzwerke dann in zuverlässige kortikale Repräsentationen umgewandelt  (Trägenap et al., Nature Neuroscience 2025; Lempel et al., Neuron 2025). 

Kollaborationspartner: Gordon Smith (UMN), Ben Scholl (UC Denver), David Fitzpatrick (MPFI) 

Flexible Repräsentationen für Lernen, Vergessen und Kreativität

Verschiedene Töne aktivieren überlappende Netzwerke im auditorischen Kortex, was möglicherweise deren Assoziation widerspiegelt. Wir beobachten fortlaufende dynamische Veränderungen dieses Stimulus-Co-Mappings, die während des Lernens flexibel beeinflusst werden (Aschauer et al., Cell Reports 2022), während die grobe auditorische Karte weitgehend erhalten bleibt (Chambers et al., Cerebral Cortex 2022), und argumentieren, dass diese Veränderungen der spontanen Entstehung neuer Assoziationen zugrunde liegen könnten.  

Kollaborationspartner: Simon Rumpel (University Mainz), Noam Ziv (Technion)

Kognitive Karten, kognitive Kontrolle und neuronale Repräsentationsräume

Wir sagen allgemeine kognitive Fähigkeiten aus wenigen spontan enstandenden Netzwerkzuständen im menschlichen Gehirn voraus (Wehrheim et al., Neuroimage 2023), untersuchen die flexible Nutzung visueller Repräsentationen bei frei agierenden Tintenfischen  (Reiter et al., 2018 Nature), und betrachten die hochdimensionale Organisation von Repräsentationsräumen in tiefen neuronalen Netzwerken (Galella et al., NeurIPS 2025).  

Kollaborationspartner: Christian Fiebach (GU), Gilles Laurent (MPI BR)

Analysemethoden für strukturelle und funktionelle neuronale Daten

Wir entwickeln Methoden zur Analyse von chronischen Bildgebungsdaten von dendritischen Spines (Osuna-Vargas et al., ICCV 2025). Außerdem leisteten wir Pionierarbeit bei Methoden zur Verfolgung einer großen Anzahl von Chromatophoren in frei agierenden Tintenfischen  (Reiter et al., Nature 2018). Kürzlich haben wir Methoden für die automatische Charakterisierung latenter Räume in tiefen neuronalen Netzen entwickelt (Wehrheim et al., ECCV 2024).

Ausgewählte Vorträge

  • Kaschube M (2023), The Emergence of Cortical Representations, van Vreeswijk Theoretical Neuroscience Seminar (online) [video]
  • Mulholland H, Kaschube M, Smith GB (2022), Mechanisms underlying the self-organization of patterned activity in the developing visual cortex, Cosyne Conference, Montreal, Canada [video]
  • Trägenap S,  Whitney DE, Fitzpatrick D, Kaschube M (2022), Experience drives the development of novel, reliable cortical sensory representations from endogenous networks, Bernstein Conference 2022, Berlin [link] [video]

Ausgewählte Publikationen

  • Eppler, J. B., Kaschube, M., & Rumpel, S. (2025). Statistical learning and representational drift: A dynamic substrate for memories. Current Opinion in Neurobiology, 94, 103107. https://doi.org/10.1016/j.conb.2025.10310 
  • Seiler, J. P. H., Eppler, J. B., Dan, O., Elpelt, J., Kaschube, M., & Rumpel, S. (2025). Towards circuit mechanisms of the creative process: Describing the functions, mechanisms and neural correlates of creativity. (submitted) https://osf.io/preprints/psyarxiv/mpbgy_v1
  • Noda, T., Kienle, E., Eppler, J. B., Aschauer, D. F., Kaschube, M., Loewenstein, Y., & Rumpel, S. (2025). Homeostasis of a representational map in the neocortex. Nature Neuroscience, 1-13. https://doi.org/10.1038/s41593-025-01982-7 
  • 
Galella, S.,Osuna-Vargas, P., Wehrheim, M., Kaschube, M.
    MAPS: A Dataset for Controlled Probing of Representational Topology in Vision Models. (Extended Abstract that will be presented as poster only) NeurIPS 2025 Workshop on Symmetry and Geometry in Neural Representations.
    https://openreview.net/forum?id=LW3IYaduNB
  • Seiler J.P.H., Elpelt J., Mahkov V., Ghobadi A., Kapoor A.,Turner D., Kaschube M., Tuescher O., Rumpel S. 
    A reduced perception of sensory information is linked with elevated boredom in people with and without attention-deficit hyperactivity disorder. Commun Psychol 3, 47 (2025).
    https://www.nature.com/articles/s44271-025-00214-9
  • Seiler J. P. H., Elpelt J., Ghobadi A., Kaschube M. and Rumpel S.  Perceptual and semantic maps in individual humans share structural features that predict creative abilities. Commun Psychol 3, 30 (2025). 
    https://www.nature.com/articles/s44271-025-00214-9
  • Powell, N.J., Hein, B., Kong, D., Elpelt, J., Mulholland, H.N., Holland, R. A., Kaschube, M. and Smith, G.B. 2025. Developmental maturation of millimeter-scale functional networks across brain areas.  Cerebral Cortex [Link]
  • Powell, N.J., Hein, B., Kong, D., Elpelt, J., Mulholland, H.N., Kaschube, M. and Smith, G.B., 2024.
    Common modular architecture across diverse cortical areas in early development.  Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(11), p.e2313743121.
    https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313743121
  • Vogel, F.W., Alipek, S., Eppler, J.B., Osuna-Vargas, P., Triesch, J., Bissen, D., Acker-Palmer, A., Rumpel, S. and Kaschube, M., 2023.  Utilizing 2D-region-based CNNs for automatic dendritic spine detection in 3D live cell imaging.  Scientific Reports, 13(1), p.20497. 
    https://www.nature.com/articles/s41598-023-47070-3
  • Wehrheim, M. H., Faskowitz, J., Sporns, O., Fiebach, C. J., Kaschube*, M., & Hilger*, K., 2023. Few temporally distributed brain connectivity states predict human cognitive abilities. NeuroImage, Vol. 277, p. 120246.   * jointly directed work
  • Trägenap S., Whitney D.E., Fitzpatrick D., Kaschube M., 2022.  Experience drives the development of novel, reliable cortical sensory representations from endogenously structured networks.  bioRxiv. 2022:2022-11 [Link]
  • Chambers A.R., Aschauer D.F., Eppler JB., Kaschube M., Rumpel S., 2022.  A stable sensory map emerges from a dynamic equilibrium of neurons with unstable tuning properties.  Cerebral Cortex [Link]
  • Aschauer DF#, Eppler JB#, Ewig L, Chambers A, Pokorny C, Kaschube M*, Rumpel S* (2022)  Learning-induced biases in the ongoing dynamics of sensory representations predict stimulus generalization.  Cell Reports 38(6):110340  #equal contribution; *jointly directed work. [Link]
  • Mulholland HN, Hein B, Kaschube M, Smith GB (2021) Tightly coupled inhibitory and excitatory functional networks in the developing primary visual cortex. Elife. 10:e72456. [Link]
  • Aschauer DF†, Eppler JB†, Ewig L, Chambers A, Pokorny C, Kaschube M*, Rumpel S*. (August 16, 2019) A Basis Set of Elementary Operations Captures Recombination of Neocortical Cell Assemblies During Basal Conditions and Learning. CELL-D-19-02189. Available at SSRN.†equally contributing author; *jointly directed work.
  • Harris, KD, Groh JM, DiCarlo J, Fries P, Kaschube M, Laurent G, MacLean J, McCormick D, Pipa G, Reynolds J, Schwartz A, Sejnowski T, Singer W, Vinck M, 2019. Functional Properties of Circuits, Cellular Populations, and Areas. The Neocortex, ed. W. Singer, T. J. Sejnowski and P. Rakic, pp. 223-265. Strüngmann Forum Reports, vol. 27, J. Lupp, series editor. Cambridge, MA: MIT Press.
  • Smith GB†, Hein B†, Whitney DE†, Fitzpatrick D*, Kaschube M*. (2018) Distributed network interactions and their emergence in developing neocortex. Nat Neurosci.; 21(11) 1600-1608 doi: 10.1038/s41593-018-0247-5. †equally contributing author; *jointly directed work. [link] Press release Link (MPFI): Movies of spontaneous activity and distributed networks in the visual cortex.
  • Reiter S, Hülsdunk P, Woo T, Lauterbach MA, Eberle JS, Akay LA, Longo A, Meier-Credo J, Kretschmer F, Langer JD, Kaschube M, Laurent G. (2018) Elucidating the control and development of skin patterning in cuttlefish. Nature; 562, 361-366. doi:10.1038/s41586-018-0591-3 [link] Press release
  • Kaschube M, Nelson III CA, Benasich AA, Buzsáki G, Gressens P, Hensch TK, Hübener M, Kobor MS, Singer W, Sur M. (2018) Early Childhood. Emergent Brain Dynamics: Prebirth to Adolescence, edited by A. A. Benasich and U. Ribary. Strüngmann Forum Reports, vol. 25, J. Lupp, series editor. Cambridge, MA: MIT Press
  • Smith GB, Sederberg A, Elyada YM, Van Hooser SD, Kaschube M*, Fitzpatrick D. (2015).  The development of cortical circuits for motion discrimination.  Nat Neurosci.; 18(2), 252-261. doi: 10.1038/nn.3921. *jointly directed work. [link]
  • Sederberg A, Kaschube M. (2015)  Inhibition facilitates direction selectivity in a noisy cortical environment. J Comput Neurosci. doi: 10.1007/s10827-014-0538-0. [link]
  • Polyakov O, He B, Swan M, Shaevitz JW, Kaschube M, Wieschaus E. (2014)  Passive mechanical forces control cell-shape change during Drosophila ventral furrow formation. Biophys J.;107(4):998-1010. doi: 10.1016/j.bpj.2014.07.013. [link]
  • Khan Z, Wang YC, Wieschaus EF, Kaschube M. (2014)  Quantitative 4D analyses of epithelial folding during Drosophila gastrulation. Development. 141(14):2895-900. doi: 10.1242/dev.107730. [link]
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  • Reichl L, Heide D, Löwel S, Crowley JC, Kaschube M, Wolf F (2012) Coordinated Optimization of Visual Cortical Maps (I) Symmetry-based Analysis. PLoS Comput. Biol. 8(11):e1002466. [link]
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  • Keil W, Kaschube M, Schnabel M, Kisvarday ZF, Löwel S, Coppola DM, White LE, Wolf F (2012) Response to Comment on “Universality in the Evolution of Orientation Columns in the Visual Cortex“. Science 336:413. [link]
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  • Wang YC, Khan Z, Kaschube M, Wieschaus EF (2012) Differential positioning of adherens junctions is associated with initiation of epithelial folding. Nature, 484:390–393. [link]
  • Macke JH, Gerwinn S, White LE, Kaschube M, Bethge M (2011) Gaussian process methods for estimating cortical maps. 
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  • Kaschube M, Schnabel M, Löwel S, Coppola DM, White LE, Wolf F (2010) Universality in the evolution of orientation columns in the visual cortex. Science 330:1113–1116. [link]
  • Keil W, Schmidt K-F, Löwel S, Kaschube M (2010) Reorganization of columnar architecture in the growing visual cortex.  PNAS 107:12293–12298. [link]
  • Martin AC, Gelbart M, Fernandez-Gonzalez R, Kaschube M, Wieschaus EF (2010) Integration of contractile forces during tissue invagination. JCB 188:735–749. [link]
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  • Kaschube M, Wolf F, Geisel T, Löwel S (2000) Quantifying the variability of patterns of orientation domains in the visual cortex of cats. Neurocomputing 32–33:415–423. [link]

Software

  • Spine detection in 3D live cell imaging [Vogel et al, Scientific Reports, 2023] 
  • Tools for analysing Calcium imaging data [Smith, Hein, Whitney et al., Nat Neurosci, 2018][link].