Forschung

Informationsverarbeitung und h?here kognitive Funktionen

Zu jedem Zeitpunkt erreicht und verarbeitet das Gehirn eine überw?ltigende Menge an sensorischen Informationen über die Umgebung in der wir uns befinden. Das Perzept, welches vom Gehirn aufgrund dieser Informationen erstellt wird und welches wir dann wahrnehmen, ist jedoch weit davon entfernt eine einfache Widergabe der Umwelt zu sein. Das liegt unter anderem daran, dass das Gehirn an seine Kapazit?tsgrenzen sto?en würde, wenn alle Informationen gleichzeitig verarbeitet würden. Aus diesem Grund, priorisiert das Gehirn relevante Informationen auf Kosten der Verarbeitung irrelevanter Informationen. Diese selektive Informationsverarbeitung erm?glicht uns erst die schnelle Reaktion auf Umwelteinflüsse, die überlebensnotwendig ist.

Kognitive Funktionen, wie beispielsweise Aufmerksamkeit, spielen eine wichtige Rolle bei der Selektion relevanter Informationen und zielgerichtetem Verhalten. Allerdings sind die neuronalen Korrelate, also wie das Hirn Gruppen von Neuronen ansteuert, welche relevante Informationen kodieren und diese Informationen dann weitergeleitet werden, gr??tenteils noch unbekannt. Dies ist der Kontext und Hintergrund unserer Forschung. Wir untersuchen neuronale und Verhaltenskorrelate selektiver Aufmerksamkeit im visuellen System von Makaken mit Fokus auf:

  • selektiver Informationsverarbeitung und Weiterleitung
  • Change detection und change representation
  • Auslesen von neuronalen Signalen und Informationsextraktion

Die Grundlagenforschung zu kognitiven Hirnfunktionen ist notwendig um generell zu verstehen wie das Hirn funktioniert und dann auch pathologische St?rungen kognitiver Funktionen zu verstehen. Wir untersuchen und verbessern au?erdem Techniken zum Auslesen der Informationen die im Hirn verarbeitet werden. Diese Forschung zielt zum Beispiel darauf ab Fortschritte bei der Entwicklung von Computer-Brain Interfaces zu erm?glichen, die in der Lage w?ren gel?hmten Patienten die Kommunikation mit ihrer Umwelt wieder zu erm?glichen.

 

Zu sehen ist ein Beispiel Aufbau zur Aufnahme neuronaler Daten im visuellen Kortex.
Aufbau zur Aufnahme neuronaler Daten. Das Setup enth?lt die Komponenten zur visuellen Stimulation, Augenkontrolle, sowie der Datenaufnahme.
Zu sehen ist ein Bildschirm, auf dem gerade aufgenommen neuronale Daten gezeigt werden.
Der Bildschirm zeigt neuronale Signale, die im visuellen Areal V1 mit einer Multi-Kontaktelektrode mit 32 Ableitstellen aufgenommen wurde. Die Ableitstellen sind linear angeordnet und 100 ?m voneinander entfernt (Atlas Neuroengeneering bvba, Leuven, Belguim).

Wir beobachten und analysieren neuronale Aktivit?t, aber auch das Verhalten, mit unterschiedlichen technischen Verfahrensans?tzen. Im Folgenden werden diese n?her erkl?rt.

 

The spiking activity of neurons located in the visual middle temporal area. These neurons are very sensitive to motions and changes in speed. The shown trace depicts their activity (firing rate) in response to a moving grating, which accelerated in speed.

Extrazellul?re Ableitungen

Neurone kommunizieren via kleiner elektrischer Pulse, welche auch Aktionspotentiale (APs) genannt werden. Diese neuronale Aktivit?t verursacht eine ?nderung des elektrischen Feldes in der Umgebung der Zelle, welche gemessen werden kann.

Experimentelles Design

Viele neurowissenschaftlichen Arbeiten liefern korrelative Hinweise für oder gegen die jeweilige Forschungshypothese. Allerdings sind korrelative Hinweise keine kausalen Beweise, da sie z.B. aus unbeobachteten, gemeinsamen Abh?ngigkeiten resultieren k?nnen. Es gibt jedoch M?glichkeiten auch kausale Zusammenh?nge zu zeigen. 

Flexibles Array mit 202 kleinen Elektroden (erkennbar als schwarze Punkte). Das Array wird auf der Dura mater plaziert und erm?glicht epidurale Messungen der Hirnaktivit?t.

Elektrokortikographie

?nderungen im elektrischen Feld, die durch die neuronale Aktivit?t entsteht, kann man mit verschiedenen Techniken messen. Eine weitere Technik die bei uns im Labor Anwendung findet, ist die Electrocorticographie (ECoG).

Psychophysik

Neben den (elektro-)physiologischen Methoden, verwenden wir hier am Institut auch psychophysische Methoden um die kognitiven Prozesse auf dem Verhaltenslevel zu untersuchen, und dies mit Menschen und Makaken.