Forschungsschwerpunkt

Monika Scholz

Neural Information Flow

Forschungsschwerpunkt

Wie nutzen Tiere Informationen, um ihr Verhalten zu steuern?

Tiere haben Zugang zu einer Fülle von Informationen, die sowohl aus ihrer Umgebung als auch aus ihren eigenen inneren Zuständen stammen. Das Filtern der notwendigen Informationen aus dem Überflüssigen ist eine Schlüsselaufgabe für das Gehirn eines Tieres. Wir wollen verstehen, wie Nervensysteme diesen Informationsstrom verarbeiten, komprimieren und schliesslich nutzen, um ihr Verhalten zu verändern. Ein Verhalten, das auf der Kombination vieler Arten von Informationen beruht, ist die Nahrungssuche: Um Nahrung effizient aufzuspüren, müssen die Tiere ihre Bewegung und ihre Fressgeschwindigkeit auf der Grundlage der Gerüche, der Beschaffenheit und des Appetits der Umgebung koordinieren. Wir verwenden das Futtersuchverhalten des Fadenwurms C. elegans, um zwei verwandte Fragen mit Hilfe einer Reihe neurowissenschaftlicher Hilfsmittel zu beantworten:

Wie werden Informationen genutzt, um verschiedene Verhaltensweisen zu koordinieren?

Um diese Frage zu beantworten, beobachten wir gleichzeitig sowohl das Fortbewegungs- als auch das Fressverhalten des Fadenwurms. Wir verwenden Hochdurchsatz-Verhaltenstests, genetische Manipulation und kontrollierte Stimuli, um zu messen, wie die Tiere auf verschiedene Störungen reagieren. C. elegans ist für diesen Ansatz gut geeignet, da Hunderte von Tieren gleichzeitig untersucht werden können. Die daraus resultierenden Daten erlauben es uns, gut definierte Modelle des Futtersuchverhaltens zu entwickeln und Theorie und Experiment zu kombinieren, um zu verstehen, wie zwei motorische Programme koordiniert werden.

Wie hilft die Struktur des Nervensystems bei der Auswahl relevanter Informationen?

Wir verwenden Werkzeuge, um auf Ebene der Schaltkreise und Neurone die neuronale Dynamik direkt zu beobachten und zu steuern. Das neuronale Netzwerk von C. elegans zeichnet sich durch ein Nadelöhr zwischen dem somatischen Netzwerk, das sensorische Informationen empfängt, und dem pharyngealen Nervensystem, das die Nahrungsaufnahme steuert, aus. Dieser Engpass steht im Zentrum unserer Untersuchung, da dies wahrscheinlich ein Ort der Informationskonzentration ist. Wir verwenden Kalzium-Imaging, Optogenetik und genetisches Silencing, um die Aktivität in diesem Kreislauf zu beobachten und zu manipulieren. Letztlich hoffen wir zu verstehen, wie Informationen in neuronale Netzwerke eintreten, durch sie hindurchfließen und in ihnen verändert werden.

Wir hoffen, dass diese Studien uns dazu führen werden, allgemeine Prinzipien der Signalkompression, Aufmerksamkeit und Kontextabhängigkeit in neuronalen Systemen zu identifizieren.

Gesamtes Nervensystem des Fadenwurms C. elegans mit dem Engpass zwischen pharyngealem und somatischem Nervensystem. Im Inneren des Wurms ist die anatomische Lage der Pharynxneuronen eingezeichnet.