Forschungsprojekte

Die grundlegende informationsverarbeitende Einheit im Gehirn sind Nervenzellen. Ausgehend von der dendritischen Organisation versuchen wir, die Verarbeitung von afferenten Eingängen in einzelnen Zellen zu verstehen. Dabei nutzen wir vor allem lebende Gehirnschnitte, in denen wir mit whole-cell patch Ableitungen und gezielten Elektrostimulationen die Physiologie von Einzelzellen möglichst umfassend beschreiben. Zusammen mit Informationen über die afferenten Eingänge und die efferente Projektion der Zellen sowie deren Transmitter modellieren wir dann das Verhalten bei definierten Eingängen; diese Modelle werden dann im Schnitt erneut validiert, bis ein möglichst umfassendes Verständnis der Rolle einzelner Neurone erzielt ist. Als Modellsystem verwenden wir vor allem das visuelle Mittelhirn von Wirbeltieren, bevorzugt das optische Tectum von Vögeln. Diese Struktur hat verschiedene Vorteile: Die Afferenzen von diversen sensorischen Systemen bilden eine multimodale Karte des Raumes auf dem Tectum ab, damit ist eine Elektrostimulation in Mustern auch im isolierten Präparat möglich. Die gut definierte Schichtung des Tectums erlaubt es zudem, an den Zelltypen bestimmter Schichten gezielt zu arbeiten und damit umfassende Daten zu sammeln. Weiterhin ist die retino-tectale Projektion bei Vögeln ein gut untersuchtes Modell für Entwicklungsvorgänge, so dass eine Vielzahl von molekularen Daten für das optische Tectum vorhanden ist. Es ist daher möglich, einen sehr detaillierten „Schaltplan“ für das Tectum zu erstellen, der wiederum die Analyse einzelner Elemente erleichtert.

Die multimodale Karte im optischen Tectum wird in der Entwicklung dominiert durch den visuellen Eingang; nicht-visuelle Afferenzen (auditorisch, somatosensorisch, Seitenlinie, Infrarotsystem) passen sich an die von den retinalen Afferenzen vorgegebene master map an. Wie die Diskrepanz in experimentell und natürlich hervorgerufenen Kartenverschiebungen gemessen wird, und wie das System darauf reagiert, ist beispielhaft von der Arbeitsgruppe von Knudsen an der Schleiereule gezeigt worden. Wir haben die Entwicklung der Projektion des auditorischen Mittelhirns in das Tectum bei Schleiereulen untersucht und mit intrazellulären Methoden Zellen identifiziert, die aus dem Tectum heraus das Fehlersignal in der Kartenabstimmung an die Auditorik zurückmelden könnten. Weitere Untersuchungen zur exakten Verschaltung dieses Netzwerks sind zur Zeit bei Hühnern in Arbeit.

Neuronale Netzwerke müssen sich in der Embryonalentwicklung finden und korrekt verschalten. Für nestflüchtende Tiere, beispielsweise Hühner, ist dies um so dringlicher, als es keine längere Nestphase mit der Möglichkeit der Abstimmung des neuronalen Netzwerkes gibt. Die Determination der Zell-Zell-Interaktionen beruht auf einem komplexen Zusammenspiel genetischer Faktoren, molekularer Marker und elektrischer Erregungsmuster. Wir haben in den vergangenen Jahren die zelluläre Entwicklung verschiedener Zelltypen im optischen Tectum sowie in der auditorischen Bahn untersucht und dazu Zellkulturverfahren eingesetzt. Dabei haben wir Methoden zur magnetgestützten Sortierung spezifischer Zelltypen etabliert und die zelluläre Entwicklung in Abhängigkeit verschiedener Faktoren analysiert. Ein Nebenaspekt dieser Arbeiten liegt im Aufbau biohybrider Schaltkreise, also einer direkten Verkoppelung neuronaler Zellen mit technischen informationsverarbeitenden Strukturen; mit diesen Arbeiten soll die Bedeutung elektrischer Erregung auf Entwicklungsvorgänge herausgearbeitet werden.

Mit der Übernahme des Lehrstuhls für Zoologie an der TUM sind neue Möglichkeiten für weitere Arbeiten gegeben. Ein wichtiger Punkt werden Untersuchungen an verhaltenden Tieren sein. Nachdem wir glauben, für einige Zelltypen und Verschaltungen Funktionen charakterisiert zu haben, wollen wir diese Vorstellungen in intakten Tieren testen. Dazu werden Multielektroden-Ableitungen etabliert werden, idealerweise im frei beweglichen und sich verhaltenden Tier.