Systems Neuroscience & Neuroengineering

Systems Neuroscience & Neuroengineering

Das gemeinsame Labor von Drew Robson und Jennifer Li hat zwei Forschungsschwerpunkte - Systems Neuroscience und Neuroengineering. Sie entwickeln neue bildgebende Verfahren um die neuronale Aktivität freischwimmender Zebrafische im Larvenstadium abzubilden und zu beeinflussen. Ziel ist es ein besseres Verständnis für die natürlichen Mechanismen zu gewinnen, welche im Gehirn für die Motivation und die Aufmerksamkeit verantwortlich sind. Das Zusammenspiel neuromodulatorischer Systeme und globaler Gehirnzuständen ist von besonderem Interesse. Die Forschungsgruppe untersucht die zustandsabhängige Regulierung von Entscheidungsprozessen im Gehirn, während der natürlichen Verhaltensweisen wie Navigation, Futtersuche und operantem Lernen.

Neuroengineering

Der Zebrafisch bietet sich als Modelorganismus an, da er im Larvenstadium ein sehr einfaches Nervensystem besitzt und fast transparent ist. Dadurch ist er ideal um das Calcium-Imaging auf zellulärer Ebene im gesamten Gehirn zu untersuchen. Calcium-Imaging nutzt die Vorteile des Kalziumflusses innerhalb der Zellen, um die Signaltransduktion von Kalzium in lebenden Nervenzellen direkt sichtbar zu machen. Sie spielen eine wesentliche Rolle bei der Funktion von Neuronen. Die bisherigen bildgebenden Verfahren erfordern jedoch, dass das Tier unter dem Mikroskop festgemacht wird. Das schränkt das Verhalten der Fische jedoch stark ein. Um diese Einschränkung zu überwinden, hat unser Labor eine neue Generation von Mikroskopie-Systemen entwickelt, welche die Bildgebung und Beeinflussung des gesamten Gehirns bei freischwimmenden larvalen Zebrafischen ermöglichen. Mit diesen neuartigen Mikroskopen erhoffen wir uns das Repertoire an studierbaren natürlichen Verhalten, wie räumliche Navigation, Sozialverhalten, Fütterung und Belohnung, zu erweitern, das wir mit Hilfe von zellulärem Calcium-Imaging beobachten können.

Systems Neuroscience

Die Verfassung der Fische kontrolliert ihre Verhaltensweisen und tragen zur Leistungsregulierung bei. Während manche internen Zustände wie Schlaf sich an circadianen Rhythmen – innere Rhythmen wie beispielsweise der Schlaf-Wach-Rhythmus – orientieren, finden andere spontan bei voller Wachheit statt. Der Mensch zeigt spontane Aufmerksamkeitsschwankungen in der Fähigkeit sich auf kognitiv anspruchsvolle Aufgaben zu konzentrieren. Nagetiere wechseln im Wachzustand spontan zwischen aktiven und inaktiven Phasen. C. elegans wechseln während der Fütterung spontan zwischen Phasen, in denen sie herumstreifen oder verweilen. Trotzdem ist unser Wissen über die neuronalen Mechanismen, die diesen internen Gehirndynamiken zugrunde liegen, immer noch rudimentär.

Um neuronale Netzwerke zu entschlüsseln, welche internen Gehirnzuständen zugrunde liegen, ist das Calcium-Imaging des gesamten Gehirns bei sich frei bewegenden Zebrafischlarven ideal. Es umfasst die Abbildungen neuronaler Aktivitäten im Gehirn bei zellulärer Auflösung, während spontane Veränderungen im Verhalten des Tieres stattfinden. Mit Hilfe der Mikroskope, die wir in unserem Labor entwickelt haben, können wir die oszillatorischen Netzwerke im Gehirn der Zebrafische aufdecken, welche die zeitliche Struktur des Entscheidungsprozesses beeinflussen.

Unser Labor interessiert sich für die Rolle, welche die neuromodulatorische Systeme in der Koordination interner Gehirnzustände spielen und wie diese mit den Entscheidungsprozessen während der Futtersuche, operantem Lernen und Navigation interagieren. Wir glauben, dass das Verständnis neuronaler Grundlagen interner Zustandsdynamik bei gesunden Tieren ein essenzieller Schritt zum Verständnis der Fehlregulierung ebendieser bei pathologischen Erkrankungen wie ADHS und Depressionen.

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