Computational Neuroscience

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Wie Blutegel fühlen...

Auch wenn Blutegel vielleicht nicht jedermanns Geschmack sind, haben sie einen entscheidenden Vorteil als Modellorganismus für sensorische Informationsverarbeitung: Ihr Nervensystem ist einfach aufgebaut und leicht zugänglich. Ausserdem werden einfache Verhaltensweisen durch sehr wenige Nervenzellen gesteuert, so dass es die Hoffnung gibt, diese im Detail verstehen zu können.

Eine solche einfache Verhaltensweise ist im Zentrum unseres Forschungsinteresses. Mit dem sogenannten "local bend", einem lokalen Wegbiegen des Körpers, reagieren Blutegel auf leichte Berührung der Haut. Dieses zuverlässig reproduzierbare Verhalten wird durch ein kleines neuronales Netzwerk gesteuert, dessen Mitglieder größtenteils individuell bekannt und in jedem Körpersegment des Blutegels genau einmal vorhanden sind. Das Netzwerk besteht aus nur 4 Sensorzellen, ungefähr 20 Interneurone und ca 16 Motoneurone, die in 4 Gruppen zusammengefasst werden können. Erstaunlicherweise kann ein Blutegel damit taktile Reize unterscheiden, die weniger als 1mm voneinenader entfernt sind.

Anhand des somatosensorischen Systems des Blutegels untersuchen wir mit Experimenten und Modellsimulationen Fragen, die weit über den Blutegel hinaus interessant sind, z.B.:

  • Wie werden verschiedene Aspekte taktiler Stimuli (z.B. Druckstärke, Reizgröße, Reizdauer, Zeitstruktur) durch die Sensorzellen kodiert?
  • Werden verschiedene Aspekte der Antwort (z.B. Antwortlatenz und Spikerate) zur Kodierung verschiedener Aspekte der Reizung verwendet?
  • Wie zuverlässig erfolgt die Umsetzung von taktilen Reizen in Aktionspotentialfolgen?
  • Wie hängen die Aktionspotentialantworten von der Anatomie und Physiologie der Sensorzellen ab?
  • Wie interagieren periphere sensorische und zentrale synaptische Eingangssignale?
  • Wie erfolgt die Kodierung im Vergleich zwischen verschiedenen Sensorzelltypen (pressure-cells und touch-cells)?
  • Wie interagieren Eingangssignale mehrerer Sensorzellen in nachgeschalteten Interneuronen? Wie interagieren Signale verschiedener Sensorzelltypen?
  • Wie zuverlässig ist die synaptische Übertragung zwischen Sensorzellen und Interneuronen? Ändert sie sich benutzungsabhängig?
  • Wie werden sensorische Stimuli durch das Ensemble der Interneurone kodiert?

In seiner Diplomarbeit hat sich Friedrich Kretschmer mit der Frage beschäftigt , wie die Antworteigenschaften von berührungssensitiven Zellen des Blutegels (T-cells) durch die Interaktion mehrerer Spike-Initiationszonen beeinflußt werden. Dazu führen wir intrazelluläre Ableitungen von Blutegelneuronen und Computersimulationen mit einem Mehrkompartment-Modell der Zellen durch.