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Prof. Dr. Alexander Borst
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Abteilung Schaltkreise - Information - Modelle

Schaltkreise - Information - Modelle

Unsere Abteilung interessiert sich dafür, wie das Gehirn rechnet. Im Speziellen möchten wir verstehen, wie neuronale Informationsverarbeitung auf der Ebene einzelner Nervenzellen und kleiner Schaltkreise funktioniert. Das Beispiel, an dem wir neuronale Berechnungen untersuchen, ist die visuelle Kurskontrolle in der Fruchtfliege Drosophila. Aus mehreren Gründen ist dies ein verstehbares System: Seine Berechnungen sind von mäßiger Komplexität, die Berechnungen finden in Schaltkreisen statt, die nur eine begrenzte Zahl von Neuronen beinhalten (zumeist weniger als 100), und jede dieser Nervenzellen kann mittels genetischer Methoden manipuliert und in ihrer Aktivität beobachtet werden.

Um ein ganzheitliches Bild über die Informationsverarbeitung im visuellen System der Fliege zu erhalten, kombinieren wir verschiedene methodische Ansätze. Zum einen fertigen wir sehr präzise anatomische Rekonstruktion der Nervenzellen an. Zum anderen charakterisieren wir im Detail die Physiologie der zellulären Antworteigenschaften sowie deren Rolle im Verhalten. Computersimulationen erlauben uns weiterhin unsere Erkenntnisse in einem größeren Rahmen zu betrachten und Vorhersagen für zukünftige Experimente zu machen. Inspiriert von den Erkenntnissen über das visuelle System der Fliege und die Art, wie sie Bewegungssignale verarbeitet, wird bei uns auch ein elektrischer Schaltkreis entwickelt, welcher die bewegte Umgebung über eine Kamera analysiert und ein Flugobjekt auf einem stabilen Kurs halten kann.

Hintergrund und Methoden

Bewegungssehen ist eine überlebenswichtige Fähigkeit und somit eine fundamentale Komponente einer visuellen Verarbeitung. Wir interessieren uns dafür welche neuronalen Systeme in der Fliege Bewegungen in der Umgebung analysieren und berechnen.

Bewegungssehen in der Fliege

Bewegungssehen ist eine überlebenswichtige Fähigkeit und somit eine fundamentale Komponente einer visuellen Verarbeitung. Wir interessieren uns dafür welche neuronalen Systeme in der Fliege Bewegungen in der Umgebung analysieren und berechnen.

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Um zu verstehen wie die Verarbeitung von visuellen Bewegungsinformation auf der neuronalen Ebene geschieht ist es wichtig aufzuschlüsseln welche Nervenzellen und Verknüpfungen hierbei grundlegend sind. Diese Frage wird bei uns mit der Methode des „Serial-Block-Face-Scanning-Electron“ Mikroskops (SBEM) angegangen, welche es uns erlaubt drei-dimensionale Bilder der Nervenzellen und deren Verknüpfungen zu generieren.

Anatomie

Um zu verstehen wie die Verarbeitung von visuellen Bewegungsinformation auf der neuronalen Ebene geschieht ist es wichtig aufzuschlüsseln welche Nervenzellen und Verknüpfungen hierbei grundlegend sind. Diese Frage wird bei uns mit der Methode des „Serial-Block-Face-Scanning-Electron“ Mikroskops (SBEM) angegangen, welche es uns erlaubt drei-dimensionale Bilder der Nervenzellen und deren Verknüpfungen zu generieren.

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Wir machen uns neurogenetische Verfahren in Drosophila zunutze, um spezifische Elemente in visuellen Schaltkreisen nicht-invasiv zu visualisieren oder zu manipulieren. In Kombination mit Verfahren wie Verhaltensanalyse, Elektrophysiologie oder Kalzium-Imaging können wir die funktionelle Rolle und Konnektivität individueller Nervenzelltypen im betrachteten System detailliert untersuchen.

Manipulation der Nervenzellschaltkreise

Wir machen uns neurogenetische Verfahren in Drosophila zunutze, um spezifische Elemente in visuellen Schaltkreisen nicht-invasiv zu visualisieren oder zu manipulieren. In Kombination mit Verfahren wie Verhaltensanalyse, Elektrophysiologie oder Kalzium-Imaging können wir die funktionelle Rolle und Konnektivität individueller Nervenzelltypen im betrachteten System detailliert untersuchen.

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Wir leiten elektrophysiologische Signale von großen, bewegungs-sensitiven Nervenzellen in der Lobulaplatte der Fliege ab, während wir visuelle Stimuli präsentieren. Indem wir diese Technik mit genetischer Hemmung oder optogenetischer Stimulation von Eingangselementen verbinden, können wir die Funktion spezifischer Zelltypen bei der Berechnung visueller Bewegung bestimmen.

Elektrophysiologie

Wir leiten elektrophysiologische Signale von großen, bewegungs-sensitiven Nervenzellen in der Lobulaplatte der Fliege ab, während wir visuelle Stimuli präsentieren. Indem wir diese Technik mit genetischer Hemmung oder optogenetischer Stimulation von Eingangselementen verbinden, können wir die Funktion spezifischer Zelltypen bei der Berechnung visueller Bewegung bestimmen.

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Die Anwendung von genetisch enkodierten Kalzium-Indikatoren wird dadurch erschwert, dass auch die Photorezeptoren durch das Anregungslicht stimuliert werden. Aus diesem Grund benutzen wir ein 2-Photonen-Mikroskop, um die Stimulation auf einen scharf umrissenen Bereich entlang der Z-Achse des Objektivs zu beschränken. Diese Technik erlaubt es uns, die visuellen Antworten kleiner Neurone zu untersuchen, die sich elektrophysiologischen Aufnahmen entziehen.

2-Photonen-Mikroskopie

Die Anwendung von genetisch enkodierten Kalzium-Indikatoren wird dadurch erschwert, dass auch die Photorezeptoren durch das Anregungslicht stimuliert werden. Aus diesem Grund benutzen wir ein 2-Photonen-Mikroskop, um die Stimulation auf einen scharf umrissenen Bereich entlang der Z-Achse des Objektivs zu beschränken. Diese Technik erlaubt es uns, die visuellen Antworten kleiner Neurone zu untersuchen, die sich elektrophysiologischen Aufnahmen entziehen.

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Neuronale Aktivität im visuellen System der Fliege repräsentiert die Außenwelt und wird dazu verwendet, angemessene Verhaltensmuster zu initiieren. Um die Beziehung zwischen visueller Stimulation und Verhalten präzise zu kartieren, lassen wir Fliegen eine virtuelle Welt erkunden und messen dabei ihr Laufverhalten oder ihre Flügelbewegungen.

Verhalten

Neuronale Aktivität im visuellen System der Fliege repräsentiert die Außenwelt und wird dazu verwendet, angemessene Verhaltensmuster zu initiieren. Um die Beziehung zwischen visueller Stimulation und Verhalten präzise zu kartieren, lassen wir Fliegen eine virtuelle Welt erkunden und messen dabei ihr Laufverhalten oder ihre Flügelbewegungen.

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Das Detektieren von Bewegung ist eine der grundlegendsten Berechnungen, die das visuelle System durchführt. Der klassische Hassenstein-Reichardt-Detektor stellt eine mächtige algorith-mische Lösung für dieses Problem dar. Wir untersuchen, wie ein biophysikalischer Schaltkreis ein rein mathematisches Modell umsetzt.

Computersimulationen

Das Detektieren von Bewegung ist eine der grundlegendsten Berechnungen, die das visuelle System durchführt. Der klassische Hassenstein-Reichardt-Detektor stellt eine mächtige algorith-mische Lösung für dieses Problem dar. Wir untersuchen, wie ein biophysikalischer Schaltkreis ein rein mathematisches Modell umsetzt.

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Unser Wissen über visuelle Kurskontrolle in der Fliege findet Anwendung im Design autonomer fliegender Roboter. Im Gegenzug geben uns solche „miniature airborne vehicles“ (MAVs) Gelegenheit, die Funktion biologischer Schaltkreise unter realistischen Bedingungen zu überprüfen.

Technische Anwendung

Unser Wissen über visuelle Kurskontrolle in der Fliege findet Anwendung im Design autonomer fliegender Roboter. Im Gegenzug geben uns solche „miniature airborne vehicles“ (MAVs) Gelegenheit, die Funktion biologischer Schaltkreise unter realistischen Bedingungen zu überprüfen.

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