Arbeitsgruppe Matthias Kaschube - Forschung
Datengetriebene theoretische Neurowissenschaften
Die Forschung in meiner Gruppe konzentriert sich auf die folgenden drei Fragen:
- Gehirn-Schaltkreise werden durch Kombination genetischer und sensorischer Informationen gebildet. Dieser Prozess beinhaltet komplexe Netzwerkinteraktionen auf verschiedenen Ebenen. Was ist das Zusammenspiel der verschiedenen Faktoren, die zur Entstehung kortikaler Schaltkreise führen?
- Kortikale Schaltkreise produzieren reichhaltige Muster elektrischer Aktivität, die der Wahrnehmung, dem Verhalten und dem Denken zugrundeliegen. Was sind die relevanten Merkmale dieser Muster, die solche kognitiven Phänomene unterstützen? Von welchen Schaltungskomponenten sind sie abhängig?
- Das Gehirn ist bemerkenswert robust. Denn die Funktionalität der kortikalen Schaltkreise bleibt trotz erheblichen Umbaus auf zellulärer, subzellulärer und molekularer Ebene erhalten. Wie wird diese Robustheit erreicht?
Um diese Fragen zu beantworten, setzt meine Forschung mathematische, computergestützte und maschinelle Lerntechniken ein, um eine Vielzahl verschiedener Systeme zu studieren, oft in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Neurobiologen. Laufende Projekte sind unter anderem:
Die Rolle von Netzwerkinteraktionen in der frühen kortikalen Entwicklung
Dieses Projekt findet in Zusammenarbeit mit David Fitzpatrick vom Max-Planck Florida Institute (MPFI), Jupiter, USA, statt. In unserer neu veröffentlichten Studie (Smith, Hein, Whitney et al., Nat Neurosci, 2018; https://rdcu.be/9PiY) untersuchen wir im visuellen Kortex von Frettchen die Rolle der spontanen Aktivität bei der Entwicklung kortikaler Schaltkreise.
Neuronale Variabilität und kortikale Entwicklung
Unsere Studie (Smith, Sederberg et al., Nat Neurosci, 2015) zeigt, dass die Reaktionen auf identische visuelle Stimuli in der unreifen Frettchen-Sehrinde sehr variabel sind. Diese Reaktionsvariabilität nimmt mit zunehmendem Alter ab; diese Veränderungen tragen wesentlich zu einer deutlichen Verbesserung der Wahrnehmung sich bewegender visueller Reize während der Entwicklung bei. Auch hier arbeiten wir mit David Fitzpatrick vom Max-Planck Florida Institute (MPFI) zusammen.
Stabilität sensorischer Repräsentationen in kortikalen Netzwerken.
Das betrachtete System ist hier der auditorische Kortex von erwachsenen Mäusen, und wir untersuchen, wie robust die neuronalen Repräsentationen akustischer Reize gegenüber fortwährender Veränderungen der neuronalen Konnektivität sind, welche in diesem System beobachtet wurden. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit Simon Rumpel von der Universität Mainz.
Ausnutzen von Hautmustern von Tintenfischen
In unserer neu veröffentlichten Studie (Reiter et al., Nature, 2018; https://rdcu.be/9s2C) nutzen wir die Hautmuster von Tintenfischen, um eine präzise und massiv parallele Ablesung der neuronalen Aktivität in einem sich frei verhaltenden Organismus zu erhalten. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit Gilles Laurent am Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt, und beinhaltet Bildanalyse und numerische Modellierung.
Der Einfluss rekurrenter Verschaltungen auf die visuelle Wahrnehmung.
Hierbei wird ein Computermodell des primären visuellen Kortex entwickelt und seine funktionellen Eigenschaften mit Hilfe von maschinellen Lerntechniken untersucht.
Organisation von Orientierungspräferenz im visuellen Kortex
Wir wollen das Verständnis des grundlegenden Unterschieds zwischen einem visuellen Kortex, der eine Kolumnenstruktur aufweist (wie bei Primaten und Fleischfressern) und einem, dem eine solche Organisation fehlt (wie bei Nagetierarten) verbessern. Dabei werden sowohl entwicklungsbezogene als auch funktionelle Aspekte berücksichtigt.
Ausgewählte Vorträge
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Ausgewählte Publikationen
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