Modellierung der Entstehung von neuronalen Schaltkreisen

• Antragsteller: Dr. Hermann Cuntz
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239484828

Seit den Zeiten von Prof. Santiago Ramón y Cajal ist es wohlbekannt, daß die komplexe Verzweigungsstrukturen von Nervenzellen sich direkt von strikt eingehaltenen Verschaltungskosten ableiten lassen. Moderne quantitative Analysen haben mittlerweile die Ansicht gestärkt, daß Axon- und Dendritenmorphologien solch optimale Verschaltungsbedingungen wiederspiegeln. Allerdings wurden die Folgen dieser Verschaltungsprinzipien und deren Einschränkungen in Bezug auf neuronale Verrechnungen nicht im Detail untersucht. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, die entsprechenden Auswirkungen auf Verrechnungen in Dendriten und Axonen sowie in abgegrenzten neuronalen Schaltkreisen zu studieren. Es wurden in den letzten Jahren eine Anzahl neuer Methoden entwickelt, die die Zerlegung neuronaler Schaltkreise auf verschiedenen Ebenen ermöglichen, um letztendlich das sogenannte Connectome zu erhalten, das alle Verbindungen in einem Teil des Gehirns beschreibt. Allerdings wird der Umfang dieser Daten, wenn diese dann zur Verfügung stehen, eine genaue Deutung zuerst erheblich erschweren. Anhand der in diesem Antrag vorgeschlagenen Studien werde ich Eigenschaften im Connectome bestimmen können, die direkte Folgen von Verschaltungsgesetzen sind. Ich werde Prinzipien der Verschaltung im Gehirn identifizieren, in anderen Worten die Frage beantworten: was ist der Verschaltungscode? Dann werde ich daraus resultierende Einschränkungen für die Verrechnungen und Funktionen des Nervensystems studieren.Die Ziele des Antrags teilen sich in vier Arbeitspakete jeweils zu den funktionellen Folgen von Verschaltungskosten auf verschiedenen Ebenen:- Wie setzt die Natur optimierte Verschaltungsprinzipien beim Dendritenwachstum in der Entwicklung um? Ist es möglich Zeitraffer-Daten von Dendritenwachstum zu interpretieren?- Wie grenzen Verschaltungskosten dendritische Verrechnung ab? Was ist der Spielraum für mögliche Dendritentypen und ihre entsprechenden rechnerischen Fähigkeiten?- Welche Verschaltungskosten führen zur Ausbildung von Axontrakten sowie zu anderen Anordnungen von axonalen Verbindungen? Was sind ihre funktionelle Einschränkungen?- Was sind die allgemeinen physikalischen Grenzen von neuronalen Schaltkreisen und die daraus resultierenden Anordnungen? Was sind mögliche Baupläne, die ganz bestimmten Schaltkreisen wie dem Kleinhirn, Gyrus dentatus und der Großhirnrinde zugrundeliegen?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen