Gehirn und Geist. Physische und psychische Funktionen des Gehirns

1. Teilprogramm

Der erste Forschungsschwerpunkt "Gehirn und Geist. Physische und psychische Funktionen des Gehirns" thematisierte die komplexeste Frage, mit der sich die Neurowissenschafte konfrontiert sehen: Wie produziert das Gehirn Wahrnehmungen, Verhalten und schließlich Bewusstsein?

Der interdisziplinäre Forschungsansatz verband eng Methoden der Physiologie, der experimentellen Psychologie, der Biochemie und der Mathematik. Das Projekt ist nach fünf Jahren Laufzeit im Juni 2007 erfolgreich abgeschlossen worden (Abschluss-Symposium 'Molecules – Neurons – Mind' 3.- 4. Juli 2007 (PDF)

Gefördert durch

 

Verarbeitung und Lernen von Sinnesreizen im Geruchssystem

Wie erzeugt das Gehirn geistige Fähigkeiten? Wie nimmt es seine Umwelt wahr? Wie entsteht Verhalten als Reaktion auf Einflüsse der Umwelt und Innenwelt? Diese Fragen gehören zu den faszinierendsten und gleichzeitig schwierigsten der modernen Neurowissenschaften. Trotz einer immensen Fülle neuer Erkenntnisse sind wir von dem Ziel, den Geist aus der Funktion des Gehirns zu erklären, noch weit entfernt. Um mögliche Antworten auf diese Fragen zu finden, ist es notwendig zu verstehen, wie einfache Bausteine komplexe Systeme mit neuen Eigenschaften erzeugen, die über die Summe der Eigenschaften der Einzelbausteine hinausgehen.

Der Forschungsansatz dieses Projekts war es, das Zusammenspiel von Ebenen unterschiedlicher Komplexität in der neuronalen Informationsverarbeitung an einem einfachen Modellsystem zu untersuchen: dem olfaktorischen System der Maus. Die Unterscheidung von Gerüchen im olfaktorischen System wurde auf den Ebenen, Verhalten, Populationseigenschaften, in vivo und in vitro Elektrophysiologie untersucht und die Ergebnisse wurde verknüpft mit Parameterstudien und der mathematischen Modellierung, um aus den experimentellen Daten Modelle von Nervenzellnetzwerken zu erstellen und zu validieren.

 

Im Projekt entstandene Publikationen:
  • Reidl, J., Starke, J., Omer, D.B., Grinvald, A., Spors, H. (2007). Independent Component Analysis of high-­‐ resolution imaging data identifies distinct functional domains. NeuroImage 34(1): 94–108.
  • Abraham, N.M., Shimshek, D.R., Seeburg, P.H., Klugmann, M., Schaefer, A.T., Kuner, T. (2006). Spatio-temporally defined deletion of ionotropic glutamate receptors in the olfactory bulb reciprocal synapse affect odor discrimination time. Victor Rothschild Memorial Symposia, 14th Jerusalem Spring School in Life Sciences, Jerusalem, Israel, April 2006.
  • Reidl, J.; Borowski P.; Sensse, A.;Starke, J.; Zapotocky, M.; Eiswirth, M. (2006). Model of intracellular Ca oscillations due to negative feedback. Biophysical Journal 90(4): 1147–1155.
  • Schaefer, A.T., Angelo, K., Spors, H., Margrie, T.W. (2006). Neuronal Oscillations Enhance Stimulus Discrimination by Ensuring Action Potential Precision. PLoS Biology 16.
  • Spors, H.,Wachowiak, M., Cohen, L.B., Friedrich, R.F. (2006). Temporal Dynamics and Latency Patterns of Receptor Neuron Input to the Olfactory Bulb. J. Neurosci., 26(4): 1247–1259.
  • Shimshek, D.R., Bus, T., Kim, J., Mihaljevic, A., Mack, V., Seeburg, P.H., Sprengel, R., Schaefer, A.T. (2005). Enhanced Odor Discrimination and Impaired Olfactory Memory by Spatially Controlled Switch of AMPA Receptors. Plos Biology 3.
  • Abraham, N.M., Spors, H., Carleton, A., Margrie, T., Kuner, T., Schaefer, A.T. (2004). Maintaining accuracy at the expense of speed: stimulus similarity defines odor discrimination time in mice. Neuron 44: 865–876.

 

Im Projekt durchgeführte Veranstaltung:

Workshop: „Neural network models of the olfactory bulb“ (18.–19. 12. 2003)

 

Kollegiaten:
  • Prof. Dr. Thomas Kuner
  • Dr. Andreas Schaefer
  • Dr. Hartwig Spors
  • Prof. Dr. Jens Starke

 

Neuronale Kodierung von Bewegung bei Affe und Mensch: Von Einzelzellen und Zellensembles zum Brain-Computer-Interface

Dieses Projekt diente dem Verständnis der neuronalen Bewegungssteuerung und der Optimierung des Brain-Computer-lnterfacing in einer Kombination neurophysiologischer Grundlagenforschung mit anwendungsorientierten ud klinisch relevanten Fragestellungen. Ziel war es zum einen, die Kodierung von Parametern willkürlicher Bewegungen bei Affe und Mensch auf multiplen Ebenen neuronaler Organisation vergleichend zu untersuchen. Darauf aufbauend sollte zum anderen das vielversprechende Potential eines Brain-Computer Interface (BCI) auf der Grundlage des direkt vom menschlichen Cortex abgeleiteten Elektrocorticogramms (ECoG) untersucht werden.

 

Im Projekt entstandene Publikationen:
  • Ball T., Schulze-Bonhage A., Aertsen A., Mehring C. (2009). Differential representation of arm movement direction in relation to cortical anatomy and function. J. Neural. Eng. 6(1): 016006.
  • Pistohl T., Ball T., Schulze-­Bonhage A., Aertsen A., Mehring C. (2008). Prediction of arm movement trajectories from ECoG-­‐recordings in humans. J Neurosci Methods 67(1): 105–114.
  • Ball T., Demandt E., Mutschler I., Neitzel E., Mehring C., Vogt K., Aertsen A., Schulz-Bonhage A. (2008). Movement related activity in the high gamma range of human EEG. Neuroimage 41(2008): 302–310.
  • Rickert J., de Oliveira S.C., Vaadia E., Aertsen A., Rotter S., Mehring C. (2005). Encoding of movement direction in different frequency ranges of motor cortical local field potentials. J. Neurosci. 25(2005): 8815–8824.
  • Mehring C., Nawrot M.P., de Oliveira S.C., Vaadia E., Schulze-Bonhage A., Aertsen A., Ball T. (2004). Comparing information about arm movement direction in single channels of local and epicortical field potentials from monkey and human motor cortex. J Physiol Paris 98(4/6): 498–506.
  • Weiskopf N., Klose U., Birbaumer N., Mathiak K. (2004). Single-shot compensation of image distortions and BOLD contrast optimization using multi-echo EPI for real-time fMRI. Neuroimage.
  • Weiskopf N., Mathiak K., Bock S.W., Scharnowski F., Veit R., Grodd W., Goebel R., Birbaumer N. (2004). Principles of a brain-computer interface (BCI) based on real-time functional magnetic resonance imaging (fMRI). IEEE Transactions on Biomedical Engineering 51: 966–970.
  • Weiskopf N., Scharnowski F., Veit R., Ball T., Mathiak K., Zopf R., Studer P., Grodd W., Goebel R., Birbaumer N. (2004). Self-regulation of the local BOLD signal and ist behavioral consequences: a real-time fMRI study. Abstract at 44th annual meeting of the SPR, Santa Fe, New Mexico.
  • Mehring C., Ball T., Rickert J., Nawrot M. (2003). Repräsentation von Armbewegungen in unterschiedlichen neuronalen Signalen. 48. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Klinische Neurophysiologie und Funktionelle Bildgebung, 8.-12. October, Freiburg (Germany).

 

Kollegiaten:
  • Dr. Tonio Ball
  • Dr. Carsten Mehring
  • Dr. Martin Nawrot
  • Dr. Nikolaus Weiskopf

 

Neuronale Repräsentation der Kommunikation von Emotionen

Trotz der großen Bedeutung von affektivem Ausdruck und emotionalen Inhalten in der menschlichen Kommunikation sind die neuronalen Grundlagen der Kommunikation von Emotionen weitgehend unklar. Mit dem Ziel einer Präzisierung des Wissens über die Repräsentation affektiver Aspekte der Kommunikation in kortikalen Aktivierungsmustern und neuronalen Netzen wurde die Verarbeitung und Integration sprachlicher, prosodischer, mimischer, bildlicher und akustischer affektiver Reize bei gesunden Probandinnen und Probanden und Personen mit Affektstörungen in einer Kombination von Verfahren mit hoher zeitlicher (EEG, MEG) und räumlicher (fMRT) Auflösung und Verfahren zur Abbildung biochemischer Prozesse (MR-­Spektroskopie) untersucht.

 

Im Projekt entstandene Publikationen:
  • Demirakca T., Herbert C., Kissler J., Ruf M., Wokrina T., Ende G. (2009). Overlapping neural correlates of reading emotionally positive and negative adjectives. Open Neuroimaging Journal 09(3): 54–57.
  • Herbert C., Ethofer T., Anders S., Junghöfer M., Wildgruber D., Grodd W., Kissler J. (2009). Amygdala activation during reading of emotional adjectives – an advantage for pleasant content. Social Cognitive and Affective Neuroscience 4(1): 35–49.
  • Ethofer T., Anders S., Erb M., Herbert C., Wiethoff S., Kissler J., Grodd W., Wildgruber D. (2006). Cerebral pathways in processing of affective prosody: a dynamic causal modeling study. Neuroimage 30(2): 580–587.
  • Anders S., Birbaumer N., Sadowski B., Erb M., Mader I., Grodd W., Lotze M. (2004). Parietal somatosensory association cortex mediates affective blindsight. Nature Neuroscience 7(4): 339–340.
  • Herbert C., Kissler J., Junghöfer M., Peyk P. (2004). Reading Rapidly Presented Emotional Words - An ERP Study. Psychophysiology, 41, Suppl.: 46.
  • Kissler J., Herbert C., Junghöfer M., Grodd W., Wildgruber D. (2004). Rapid processing of emotional words - converging evidence from EEG and fMRI. 10th Int. Conference on Functional Mapping of the Human Brain, Budapest, Neuroimage, Supplement und CD-ROM.
  • Wildgruber D., Riecker A., Hertrich I., Erb M., Grodd W., Ackermann H., Anders S. (2004). Distinct frontal regions subserve evaluation of linguistics and affective aspects of intonation. Cerebral Cortex 14: 1384–1389.
  • Wildgruber D., Lotze M., Birbaumer N., Erb M., Grodd W., Anders S. (2003). Processing of an aversive conditioned face in the left and right visual hemifields: An fMRI study [abstract]. Presented at the 9th International Conference on Functional Mapping of the Human Brain, June 19-22, New York, NY. Available on CD-ROM. Neuroimage 19(2).

 

KollegiatInnen:
  • Dr. Silke Anders
  • Dr. Markus Junghöfer
  • Dr. Johanna Kissler
  • Dr. Dirk Wildgruber
  • Dr. Tim Wokrina

 

Assoziierte Projektpartnerin:

Dr. Gabriele Ende