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Ziele des SFB 874

Der seit 2010 an der Ruhr-Universität Bochum laufende interdisziplinäre Sonderforschungsbereich SFB 874 „Integration und Repräsentation sensorischer Prozesse“ wird in der dritten Förderperiode für weitere 4 Jahre (bis Dezember 2022) gefördert. Der SFB hat sich zum Ziel gesetzt eine systemorientierte neurowissenschaftliche Strategie anzuwenden, um wesentliche Aspekte der sensorischen Verarbeitung zu erforschen.

Das Hauptaugenmerk dieses Sonderforschungsbereiches liegt auf der Untersuchung der Frage, wie sensorische Signale neuronale Karten generieren und daraus komplexes Verhalten und Gedächtnisbildung resultiert.

Hierbei beschäftigen sich alle Projekte innerhalb des SFB gemeinsam mit diesen drei wissenschaftlichen Fragestellungen:

Wie führt die Verarbeitung der Wahrnehmung zu einer neuronalen und/oder kortikalen Plastizität?
Wie führt sensorische Integration zu einer räumlichen und/oder deklarativen Repräsentation?
Wie wird durch ein sensorisches Lernen die Kategorisierung von Objekten ermöglicht?

Zusammenfassung

Für die Bildung kognitiver Repräsentationen sensorischer Prozesse muss die sensorische Information, die von unseren Sinnen aufgenommen wird, (z. B. Hören, Gleichgewicht, Geruch/Geschmack, Somatosensorik, Schmerzempfinden und Sehen) zunächst auf der sensorischen Ebene wahrgenommen werden, um dann auf der Ebene des Kortex integriert zu werden. Der Transduktion dieser Sinneseindrücke während der ersten kortikalen Integration folgt die immer komplexer werdende Verarbeitung auf höherer Ebene, die die Feinabstimmung der Sinneswahrnehmung ermöglicht, so dass Verhalten und Gedächtnisbildung daraus resultieren.

In diesem Sonderforschungsbereich wenden wir eine systemorientierte neurowissenschaftliche Strategie an, um wesentliche Aspekte der sensorischen Verarbeitung auf der kortikalen Ebene zu erforschen. Dazu untersuchen wir Menschen und Tiere und integrieren unsere empirischen Beobachtungen in Computermodelle. Insbesondere wollen wir verstehen, wie sensorische Informationsverarbeitung zu Lernen und Gedächtnisbildung führt, oder zu höherrangigen Repräsentationen wie Kategorisierung, räumlicher Repräsentation und explizitem Gedächtnis.

In der zweiten Förderperiode des SFB haben wir festgestellt, dass spezifische Erhöhungen und unter bestimmten Umständen eine selektive Unterdrückung der kortikalen Erregbarkeit das perzeptuelle Lernen fördern. Auf der Ebene der Kategorisierung haben wir beobachtet, dass der Hippokampus eine wichtige Rolle beim Erlernen unterschiedlicher Kategorisierungsstrategien spielen könnte. Auf der Ebene der räumlichen Gedächtnisverarbeitung sensorischer Erfahrungen haben wir beobachtet, dass, obwohl die „Salienz“ und der Kontext der Sinnesmodalität entscheidend sind, die Modalität selbst möglicherweise weniger bedeutsam ist, wenn eine räumliche Sinneserfahrung zu neuralen und synaptischen Informationskodierungen in Hirnstrukturen wie dem Hippokampus führt. Weiterhin haben wir neue Beweise dafür erbracht, dass trans- und multimodale Informationsverarbeitung in den Sinneskortices stattfindet.

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse konzentrieren wir uns in der dritten Förderperiode des SFB darauf zu klären, wie verschiedene kortikale und subkortikale Strukturen zusammenwirken, um die Integration von Information zu ermöglichen. Außerdem untersuchen wir, inwieweit die kortikale Reorganisation und Plastizität sowohl von der Neuromodulation als auch vom kortikalen Erregbarkeitszustand während des sensorischen Lernens abhängt. Weiterhin werden sowohl die Grundlagen der trans- und multimodalen Informationsverarbeitung, als auch die Mechanismen und Hirnstrukturen, die höherrangige Repräsentationen von Gedächtnis und Sinneserfahrungen ermöglichen, genauer untersucht.

Um dieses Ziel zu erreichen, legt der Sonderforschungsbereich 874 ein Forschungsprogramm vor, das sich in zwei Projektbereiche gliedert:

Projektbereich A: Neuronale Prozesse und Integration sensorischer Information
Projektbereich B: Sensorische Repräsentation und Gedächtnis

Hier gibt es eine Zusammenfassung der 2. Förderperiode (2014/2 – 2018/1)

Für die kognitive Repräsentation sensorischer Prozesse muss die sensorische Information, die von unseren Sinnen aufgenommen wird, (z. B. Hören, Gleichgewicht, Geruch/Geschmack, Somatosensorik, Schmerzempfinden und Sehen) zunächst auf der sensorischen Ebene wahrgenommen werden, um dann auf der Ebene des Kortex integriert zu werden. Der Transduktion dieser Sinneseindrücke während der ersten kortikalen Integration folgt die immer komplexer werdende Verarbeitung auf höherer Ebene, die die Feinabstimmung der Sinneswahrnehmung ermöglicht, so dass Verhalten und Gedächtnisbildung daraus resultieren.

In der ersten Förderperiode des SFB haben wir festgestellt, dass die Erhöhung der kortikalen Erregbarkeit ein Schlüsselelement des perzeptuellen Lernens darstellt. Auf der Ebene der Kategorisierung haben wir beobachtet, dass die dem präfrontalen Kortex bei Säugetieren analoge Hirnregion bei Vögeln eine kritische Rolle in diesem Prozess spielt. Bei Menschen haben wir beobachtet, dass verschiedene Formen von Kategorisierung die Verarbeitung in verschiedenen hirnstrukturellen Konstellationen benötigen, einschließlich bestimmter Komponenten des medialen Temporallappens.

Auf der Ebene der räumlichen Gedächtnisverarbeitung im Hippokampus haben wir sowohl empirisch als auch im Computermodell beobachtet, dass es wahrscheinlich nicht die Sinnesmodalität, sondern die „Salienz“ ist, die die synaptische Enkodierung einleitet, aus der Gedächtnis gebildet wird. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für ein weiteres Computermodell, das unterschiedliche Rollen für den Hippokampus und den Neokortex bei der episodischen und semantischen Gedächtnisbildung vorschlägt.

Auf der Grundlage unserer aktuellen Ergebnisse haben wir uns in der zweiten Förderperiode des SFB darauf konzentriert zu klären, wie verschiedene kortikale und subkortikale Strukturen zusammenwirken, um die Integration von Information zu ermöglichen. Außerdem haben wir sowohl die Prozesse, die der nachfolgenden kortikalen Reorganisation und Plastizität unterliegen, als auch die Mechanismen und Hirnstrukturen, die höherrangige Repräsentationen von Gedächtnis und Sinneserfahrungen ermöglichen, genauer erforscht.

Hier gibt es eine Zusammenfassung der 1. Förderperiode (2010/2 – 2014/1)

Bei Wirbeltieren leiten sich die Sinneswahrnehmung und ihre Umsetzung in darauffolgendes Verhalten aus sechs allgemeinen Systemen ab: dem auditiven, vestibulären, Geruchs-Geschmacks-, somatosensorischen, nozizeptiven und visuellen System. Viele Jahrzehnte lang wurde daran gearbeitet, ein Verständnis der molekularen Basis von Sinneswahrnehmungen zu entwickeln. Pionierarbeit wurde zum Beispiel geleistet durch die Aufklärung der molekularen Grundlagen des Sehens (1960er Jahre) und der Somatosensorik (1970er), später dann des Hörens (1980er) und des Riechens (1990er). So gelangte man zwar zu den Grundbegriffen dessen, was Sinneswahrnehmung ermöglicht, aber die genauen Mechanismen (oder Verarbeitungsschritte), durch die wahrgenommene sensorische Signale auf kortikaler Ebene integriert und repräsentiert werden, sind noch immer unklar.

Nur über einen systemorientierten Ansatz bei der Erforschung der sensorischen Prozesse werden wir verstehen, wie sensorische Information auf der ersten Ebene der kortikalen Integration umgewandelt und höherrangig weiterverarbeitet wird, so dass über eine feinabgestimmte, sensorische Wahrnehmung Verhalten und Gedächtnisbildung ausgelöst werden. Dies wurde bisher selten versucht. Unsere Zielsetzung ist es daher, eine systemorientierte neurowissenschaftliche Strategie anzuwenden, um wesentliche Aspekte der sensorischen Verarbeitung zu erforschen.

Um zu einem ganzheitlichen Verständnis davon zu gelangen, wie sensorische Signale zu komplexem Verhalten und Gedächtnisbildung führen, untersuchen wir deshalb drei exemplarische sensorische Systeme (Geruch, Somatosensorik und Sehsinn) sowohl im Tiermodell als auch am Menschen und verfolgen dabei die Verarbeitung dieser Signale von der Ebene der kortikalen Integration bis hin zum endgültigen Erwerb eines auf Sinneswahrnehmung basierenden Gedächtnis-Engramms.

Dabei wird die Integration und Repräsentation der sensorischen Verarbeitung auf drei Ebenen untersucht:

1. Auf der Ebene der ersten Wahrnehmung und neuronalen Integration

2. Auf der Ebene der Weiterverarbeitung und primären Repräsentation im Archikortex

3. Auf der weitergehenden Ebene der Repräsentation und Modifikation der sensorischen Wahrnehmung im Neokortex.