Belohnung zu erhalten und Bestrafung zu vermeiden sind wirkmächtige Ziele menschlichen und tierischen Verhaltens. Zu diesem Zweck haben Mensch und Tier Mechanismen entwickelt, um das Auftreten von Belohnungen bzw. von Bestrafungen vorherzusagen. Diese Mechanismen wurden intensiv erforscht und sind mittlerweile im Prinzip gut verstanden. Es wird allerdings üblicherweise die gesamte Kehrseite der Lernprozesse über Belohnungen und Bestrafungen nicht berücksichtigt. Nämlich ist es gleichermaßen entscheidend Reize zu erlernen, welche den Verlust einer Belohnung oder das Aussetzen einer Bestrafung vorhersagen! Tatsächlich fühlt es sich gut an eine Belohnung zu erhalten, aber es ist unangenehm, wenn sie wieder entzogen wird. Entsprechend werden Reize, die mit dem Erhalt oder dem Verlust von Belohnungen verknüpft sind, als positiv oder negativ gelernt. Und auch für Bestrafungen gilt: bestraft zu werden ist unmittelbar schlecht, aber es ist "schön, wenn der Schmerz nachlässt". Diese sogenannte Valenzumkehr ist eine grundlegende Eigenschaft der Verarbeitung von Belohnung und Bestrafung, aber ihre neurobiologischen Mechanismen sind bisher völlig unzureichend verstanden. Da dopaminerge Neurone im gesamten Tierreich, einschließlich des Menschen, eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Belohnungen und Bestrafungen spielen, wollen wir die einmaligen experimentellen Möglichkeiten des einfachen Nervensystems der Taufliege Drosophila ausnutzen, um die Rolle einzelner, identifizierter Dopaminneurone bei der Valenzumkehr zu untersuchen. So wollen wir verstehen, wie ein und dasselbe Erlebnis zwei gegensätzliche Gedächtnisse bewirken kann - nämlich für Reize, welche ihm vorausgehen, oder welche mit seinem Ende verknüpft sind. Zu diesem Zweck kombinieren wir hochauflösende Verhaltensexperimente mit Methoden der Optogenetik und unseren neuesten Befunden zum synaptischen Konnektom des Lernzentrums im Gehirn der Drosophila, dem sogenannten Pilzkörper.

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Insekten haben Gehirne - wie sonst würden Ameisen oder Bienen nach Hause finden oder eine Fliege uns entkommen? Im Vergleich zum Menschen bestehen ihre Gehirne aber aus sehr viel weniger Nervenzellen - und doch hat die jüngste Forschung eine verblüffende Komplexität der neuronalen Schaltkreise im Insektengehirn aufgedeckt. Wozu ist all diese Komplexität gut? Unser Ziel ist es, Vorstellungen aus der Lernpsychologie auf diese neu entdeckten Schaltkreise abzubilden. Bisher hat man sich z.B. weitgehend darauf konzentriert, was diese Tiere lernen, wenn sie eine Belohnung oder Bestrafung erhalten, ganz wie im Falle der bekannten Pawlowschen Lernexperimente mit Hunden. Im Gegensatz dazu wollen wir untersuchen, wie Insekten erlernen unter welchen Umständen sie eine Belohnung oder Bestrafung eben gerade nicht erhalten (engl. conditioned inhibition). Anatomische und verhaltensbiologische Arbeiten werden mit der optogenetischen Kontrolle belohnender oder bestrafender Nervenzellen im Gehirn kombiniert und in ein realistisches computergestütztes Modell der Verhaltenssteuerung überführt. Das Projekt wird so Einblicke in die Fähigkeit des zahlenmäßig einfachen und doch hochkomplex verschalteten Gehirns der Fruchtfliege liefern und so als Beispiel 'biologischer Intelligenz' dienen. Die erarbeiteten Computermodelle können dann als Vorbild für eine effektive und energieeffiziente Verhaltenssteuerung herangezogen werden, was eine Entwicklung gleichermaßen 'intelligenter' autonomer Roboter inspirieren kann. Die experimentellen Arbeiten werden unter Federführung von Prof. Bertram Gerber am Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg durchgeführt, die computergestützten Modellierungen werden von Prof. Martin Nawrot an der Universität zu Köln angeleitet. Wissenschaftlicher Verbundpartner ist Prof. Brian H. Smith von der Arizona State University, USA, Kooperationspartnerin ist Dr. Tihana Jovanic vom Institut Pasteur in Paris, Frankreich.

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The aim of our CBBS neuroscience graduate program (CBBS GP) is to connect students from the Otto von Guericke University (OVGU), the Leibniz Institute for Neurobiology (LIN) and the German Center for Neurodegenerative Diseases (DZNE). The CBBS graduate program is founded by the Center for Behavioral Brain Sciences CBBS, a central scientific institution of the Otto von Guericke University Magdeburg.

Currently, more than 150 PhD students, MD students and postdocs are already registered. Under the umbrella of the Otto von Guericke Graduate Academy (OVG-GA), the CBBS GP offers assistance on arrival in Magdeburg / Germany, helps to overcome bureaucratic hurdles and gives students a guide how to shape their own career. In addition, the CBBS GP organizes German courses in various formats and creates the basis for a scientific exchange thanks to the study groups offered. In addition to the calendar, which now includes all events taking place on the medical campus, the CBBS GP tries to give an overview of the research taking place on that campus with the new ring lecture. The CBBS GP provides information about national and international job offers, including the black board with job advertisements for students, PhDs, MDs and postdocs.

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Belohnung zu erhalten und Bestrafung zu vermeiden sind wirkmächtige Ziele menschlichen und tierischen Verhaltens. Zu diesem Zweck haben Mensch und Tier Mechanismen entwickelt, um das Auftreten von Belohnungen bzw. von Bestrafungen vorherzusagen. Diese Mechanismen wurden intensiv erforscht und sind mittlerweile im Prinzip gut verstanden. Es wird allerdings üblicherweise die gesamte Kehrseite der Lernprozesse über Belohnungen und Bestrafungen nicht berücksichtigt. Nämlich ist es gleichermaßen entscheidend Reize zu erlernen, welche den Verlust einer Belohnung oder das Aussetzen einer Bestrafung vorhersagen! Tatsächlich fühlt es sich gut an eine Belohnung zu erhalten, aber es ist unangenehm, wenn sie wieder entzogen wird. Entsprechend werden Reize, die mit dem Erhalt oder dem Verlust von Belohnungen verknüpft sind, als positiv oder negativ gelernt. Und auch für Bestrafungen gilt: bestraft zu werden ist unmittelbar schlecht, aber es ist "schön, wenn der Schmerz nachlässt". Diese sogenannte Valenzumkehr ist eine grundlegende Eigenschaft der Verarbeitung von Belohnung und Bestrafung, aber ihre neurobiologischen Mechanismen sind bisher völlig unzureichend verstanden. Da dopaminerge Neurone im gesamten Tierreich, einschließlich des Menschen, eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Belohnungen und Bestrafungen spielen, wollen wir die einmaligen experimentellen Möglichkeiten des einfachen Nervensystems der Taufliege Drosophila ausnutzen, um die Rolle einzelner, identifizierter Dopaminneurone bei der Valenzumkehr zu untersuchen. So wollen wir verstehen, wie ein und dasselbe Erlebnis zwei gegensätzliche Gedächtnisse bewirken kann - nämlich für Reize, welche ihm vorausgehen, oder welche mit seinem Ende verknüpft sind. Zu diesem Zweck kombinieren wir hochauflösende Verhaltensexperimente mit Methoden der Optogenetik und unseren neuesten Befunden zum synaptischen Konnektom des Lernzentrums im Gehirn der Drosophila, dem sogenannten Pilzkörper.

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Gedächtnisse erlauben die Vorhersage der Zukunft basierend auf Erfahrung. Diese Vorhersagen sollten einfach sein, um zuverlässig Annäherungs- versus Fluchtverhalten zu steuern. Sie sollten aber auch reichhaltig genug sein, um situationsgerecht passendes Verhalten hervor zu bringen: Droht eine Flut, ist man auf dem Dach gut aufgehoben, droht ein Wirbelsturm, im Keller. Um die neuronalen Schaltkreise solcher Gedächtnisleistungen zu verstehen wird ein experimentelles System benötigt, welches einerseits einfach genug ist, um handhabbar zu sein, welches aber hinreichend komplex ist, um interessant zu bleiben. Hier bieten die Larven der Taufliege Drosophila einen für die Forschung besonders ergiebigen Kompromiss. In diesem Projekt untersuchen wir die neuronalen Schaltkreise, welche es den Larven ermöglichen, Belohnungs-spezifische Gedächtnisse zu bilden und in ihrem Suchverhalten abzurufen.

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Eine Ur-frage motivierten Verhaltens ist, sich einem Reiz zu- oder abzuwenden. Wir erforschen sechs Arten von Gedächtnis, welche diese Balance betreffen. Kenntnis dieser Gedächtnisformen bietet ggf. unabhängige Möglichkeiten Störungen motivierten Verhaltens zu beheben. Tier und Mensch zeigen Annäherungsverhalten wenn Gedächtnisse i) Belohnung vorhersagen, ii) die 'Erlösung' von einem Schmerzreiz (engl. relief), oder iii) Sicherheit vor Bestrafung. Entsprechend führen Gedächtnisse für iv) Bestrafung, v) Verlust einer Belohnung, oder vi) Unerreichbarkeit einer Belohnung zu gelernter Vermeidung. Wir untersuchen diese Vorgänge bei der Fliege Drosophila - in Hinblick auf das evolutionär konservierte Synapsinprotein, sowie der sog. Pilzkörper, einem übergeordneten Gehirnbereich der Insekten.

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Biology provides the inspiration for a vision of small low-power devices that are able to learn rapidly and autonomously about environmental contingencies, enabling prediction an adaptive anticipatory action. Larval Drosophila have fewer than 10,000 neurons, yet express a variety of complex orientation and learning behaviours, including non-trivial anticipatory actions requiring context-dependent evaluation of the value of learned cues. Current computational learning theory cannot fully account for or replicate these capacities. We aim to develop a new foundation for understanding natural learning by developing a complete multilevel model of learning in larvae. Our aims are: (1) to analyse at a fine scale how larval olfactory behaviour is controlled and altered by associative conditioning, linked to agent-based models that ground learning capabilities in ongoing sensorimotor control; (2) to build one-to-one computational neural models that can be validated by exploiting the recent expansion of the Drosophila neurogenetic toolkit to gain unprecedented ability to characterise and manipulate neural circuits during unconstrained behaviour; (3) to derive from these models novel, generalisable algorithms and circuit architectures that can be used to enhance the learning and anticipatory capabilities of machines.

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The circuit for associative learning reconstructed in Drosophila larva during the course of this visitor project offers an excellent opportunity to determine the functional roles of distinct microcircuit motifs within a learning center and to determine how a complement of a few hundred first and second-order mushroom body output neurons orchestrate distinct aspects of a conditioned response in distinct contexts. Of particular interest are functional roles of different types of feedback neurons - MBONs that synapse onto DANs and MBONs. We will test whether they might be involved in encoding "prediction error" signals or in encoding information about timing of conditioned stimulus (CS) and unconditioned stimulus (US). We will optogenetically pair the CS and US pathways in varying temporal sequences and with varying timing intervals, and monitor the activation of DAN and MBON in response to US or CS during and after training. We will also manipulate the activity of the feedback neurons during the different pairing protocols and determine the effect of these manipulations on DAN and MBON activation in fictive preparation and on memory formation and retrieval in freely behaving animals.
We will also test whether CS and US pairing can induce plasticity at additional CS and US convergence sites upstream and downstream of the MB. For example, we will monitor the activity of the second-order MBON "convergence" neurons that receive MBON, CS and US inputs, following repeated CS and US presentation while inactivating the input MBON.

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Folgeprojekt zu 01GQ0942

Wir untersuchen, wie eine einfache Entscheidung, charakterisiert durch die Integration des 'Dreiklangs' aus (i) einer aktivierten Gdächtnisspur, (ii) einer Bewertung der gegenwärtigen Situation und (iii) der dem Tier offen stehenden Verhaltensweisen, neuronal organisiert ist, und wie eine solche Entscheidung sich in einem rechnerischen Modell abbilden lässt. Wir bearbeiten diese Frage anhand der Entscheidung larvaler Drosophila ein bereits angelegtes Gedächtnis für die Verknüpfung eines Duftes mit einer Futterbelohnung in gelerntes Verhalen umzusetzen - oder dies eben gerade nicht zu tun.

Gedächtnis und Situation
Aufgrund unserer eigenen Vorarbeiten gehen wir davon aus, dass die Gedächtnisspur für die Verknüpfung eines Duftreizes mit einer Zuckerbelohnung in den sog. Pilzkörpern lokalisiert ist. Die Art und Weise, wie die Duftinformation an die Pilzkörper weitergeleitet wird, ist weitgehend bekannt. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Janelia Farm Research Campus des Howard Hughes Medical Institute (Ashburn, VA, USA) untersuchen wir, genau welche Zellen die Belohnungsinformation zu den Pilzkörpern übertragen, und welche Nervenzellen am Abruf der Gedächtnisspur beteiligt sind. Zu diesem Zweck sind sowohl umfangreiche Verhaltensexperimente wie auch eine detaillierte, ultrastrukturelle (i. e. elektronenmikroskopische) Aufklärung der Verbindungen zwischen den beteiligten Nervenzellen notwendig. Die durch die Zusammenarbeit mit der Janelia Farm möglich gewordene Präzision dieser Analysen ist besonders zu begrüßen - macht aber auch hinsichtlich des Verhaltens und der ultrastrukturellen Arbeiten viel freudige, zusätzliche Mühe.
Diese Studien geben Aufschluss darüber, wie erfahrungsabhängige Veränderungen an genau bestimmten Orten eines Schaltkreises für angepasste Verhaltensänderungen sorgen können.
Verhalten
Wir werden detaillierte Analysen der Bewegungsmuster von trainierten gegenüber untrainierten Larven durchführen, um die spezifischen 'Verhaltensmodule' zu identifizieren, die durch das Lernen verändert werden. So erfahren wir, welche 'Verhaltensmodule' dann in einem Roboter modifiziert werden sollten.
Modellbildung
Wir werden prüfen, ob Gleichungen von Lernmodellen des Rescorla-Wagner-Typs verwendet werden können, um die Entscheidung der Larven hinsichtlich der Frage 'Sollte eine konditionierte Reaktion gezeigt werden - oder nicht?' zu beschreiben. Dabei wird eine zentrale Rolle spielen, ob und wie sich die entsprechenden rechnerischen Vorgänge auf die experimentell aufgeklärten Schaltkreise abbilden lassen.

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• Qualifizierung der im SFB 779 beschäftigten und assoziierten Doktorandinnen und Doktoranden
• einheitliche Qualitätsstandards für die Promovierenden
• Einhaltung kurzer Promotionszeiten 
• Vereinbarkeit beruflicher Herausforderungen in der Promotionsphase mit Familie und Kindern
• Bereicherung des wissenschaftlichen Lebens am Standort
• Geschlechtergerechtigkeit 

Das Graduiertenkolleg will ein breites neurowissenschaftliches Methodenspektrum vermitteln und legt Wert auf Interdisziplinarität. Es wird inhaltlich mit dem PhD Studiengang Integrative Neuroscience harmonisiert.

Im Rahmen des Graduiertenkollegs werden fünf verschiedene Formen kollegspezifischer Veranstaltungen mit unterschiedlicher Frequenz angeboten, die inhaltlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind:

• Kolloquium (eingeladene Gastrednerinnen und Gastredner, 14-tägig; Auswahl und Vorort-Betreuung der Gäste durch die Kollegiaten
• Kollegiaten-Seminar (Präsentation eigener Ergebnisse, 14-tägig im Wechsel mit dem Kolloquium)
• Vermittlung von Schlüsselqualifikationen in einer Ringvorlesung (1 x monatlich)
• Zusatzmodule zur Verbreiterung des Methodenspektrums und Vertiefung der im Haupt- bzw. Masterstudium erlangten praktischen Fähigkeiten und technologischen Expertise
• Kolleg-Retreat (einmal jährlich; wird von Kollegiaten mitorganisiert)

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Das Erlangen von Belohnungen und das Vermeiden von Bestrafungen bestimmt wesentlich mit, was wir tun und was wir unterlassen. Insofern muss man die Prozessierung von Belohnungs- und Strafreizen verstehen, wenn man motiviertes Verhalten verstehen will. Unsere Forschung an der Taufliege Drosophila melanogaster und die laufenden Kooperationen, die sie mit an Ratten und an Menschen arbeitenden Kollegen ausgelöst hat, fragt insbesondere: Wie kommt es, dass ein und derselbe Strafreizzwei Gedächtnisspuren induzieren kann, die gegensätzliches Verhalten zur Folge haben? Bezüglich eines schmerzhaften Stromschlags nämlich sind zwei Dinge wichtig: Was verursachte ihn? Was ließ ihn aufhören? Es stellt sich heraus, dass Drosophila nicht nur eine gelernte Vermeidung eines Duftes zeigen, wenn dieser Duft im Training einem Stromschlag voranging (Duft -> Stromschlag) (PUNISHMENT-LEARNING), sondern auch eine gelernte Annäherung zeigen, wenn die Reihenfolge im Training umgekehrt war, d. h. wenn der Duft erst im Moment der Linderung des Schmerzes auf das Ende des Stromschlags folgte (Stromschlag -> Duft) (RELIEF-LEARNING). Ziel dieses Projektes ist, die molekularen und zellulären Mechanismen zu verstehen, die diese gegensätzlichen Gedächtnisspuren bezüglich des Beginns bzw. des Endes einer Bestrafung verursachen.
Diese Experimente werden zu einem umfassenden Verständnis der Verhaltenskonsequenzen schmerzhafter, traumatischer Erfahrungen beitragen, und insbesondere helfen, die belohnend wirkende "Kehrseite" solcher Erfahrungen besser zu verstehen. So können, in Kooperation mit an Mensch und Ratte arbeitenden Kollegen, womöglich neue Perspektiven auf psychiatrische Erkrankungen wie die post-traumatische Belastungsstörung oder Panikerkrankungen  entwickelt werden.

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The study of olfactory learning and memory in adult Drosophila has been enormously productive, leading to the discovery of many conserved molecules and circuit motifs that mediate the formation and recall of associative odor memories. However, a level of understanding that attains complete cellular resolution requires that all relevant sensory inputs, i.e., both conditioned and unconditioned stimuli, are precisely mapped from the sensory periphery to the brain to the motor circuits that implement behavior. We propose to develop such a model using the Drosophila larva. Owing to the simplicity of larva movement, it has recently become possible to fully decompose its strategies for locomotory behavior and navigational decision-making in terms of stimulus-evoked modulations of a small number of motor programs. This provides a rigorous starting point for mechanistic understanding of innate and learned algorithms for navigating a stimulus environment. Another key advantage of the larva is that its nervous system is numerically simple and that excellent genetic tools exist to selectively target individual neuron classes. This offers a unique opportunity to identify key cellular and molecular players involved in forming, storing and recalling memories.

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The study of olfactory learning and memory in adult Drosophila has been enormously productive, leading to the discovery of many conserved molecules and circuit motifs that mediate the formation and recall of associative odor memories. However, a level of understanding that attains complete cellular resolution requires that all relevant sensory inputs, i.e., both conditioned and unconditioned stimuli, are precisely mapped from the sensory periphery to the brain to the motor circuits that implement behavior. We propose to develop such a model using the Drosophila larva. Owing to the simplicity of larva movement, it has recently become possible to fully decompose its strategies for locomotory behavior and navigational decision-making in terms of stimulus-evoked modulations of a small number of motor programs. This provides a rigorous starting point for mechanistic understanding of innate and learned algorithms for navigating a stimulus environment. Another key advantage of the larva is that its nervous system is numerically simple and that excellent genetic tools exist to selectively target individual neuron classes. This offers a unique opportunity to identify key cellular and molecular players involved in forming, storing and recalling memories.

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Wir untersuchen, wie eine einfache Entscheidung, charakterisiert durch die Integration des 'Dreiklangs' aus (i) einer aktivierten Gdächtnisspur, (ii) einer Bewertung der gegenwärtigen Situation und (iii) der dem Tier offen stehenden Verhaltensweisen, neuronal organisiert ist, und wie eine solche Entscheidung sich in einem rechnerischen Modell abbilden lässt. Wir bearbeiten diese Frage anhand der Entscheidung larvaler Drosophila ein bereits angelegtes Gedächtnis für die Verknüpfung eines Duftes mit einer Futterbelohnung in gelerntes Verhalen umzusetzen - oder dies eben gerade nicht zu tun.
Gedächtnis und Situation
Aufgrund unserer eigenen Vorarbeiten gehen wir davon aus, dass die Gedächtnisspur für die Verknüpfung eines Duftreizes mit einer Zuckerbelohnung in den sog. Pilzkörpern lokalisiert ist. Die Art und Weise, wie die Duftinformation an die Pilzkörper weitergeleitet wird, ist weitgehend bekannt. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Janelia Farm Research Campus des Howard Hughes Medical Institute (Ashburn, VA, USA) untersuchen wir, genau welche Zellen die Belohnungsinformation zu den Pilzkörpern übertragen, und welche Nervenzellen am Abruf der Gedächtnisspur beteiligt sind. Zu diesem Zweck sind sowohl umfangreiche Verhaltensexperimente wie auch eine detaillierte, ultrastrukturelle (i. e. elektronenmikroskopische) Aufklärung der Verbindungen zwischen den beteiligten Nervenzellen notwendig. Die durch die Zusammenarbeit mit der Janelia Farm möglich gewordene Präzision dieser Analysen ist besonders zu begrüßen - macht aber auch hinsichtlich des Verhaltens und der ultrastrukturellen Arbeiten viel freudige, zusätzliche Mühe.
Diese Studien geben Aufschluss darüber, wie erfahrungsabhängige Veränderungen an genau bestimmten Orten eines Schaltkreises für angepasste Verhaltensänderungen sorgen können.
Verhalten
Wir werden detaillierte Analysen der Bewegungsmuster von trainierten gegenüber untrainierten Larven durchführen, um die spezifischen 'Verhaltensmodule' zu identifizieren, die durch das Lernen verändert werden. So erfahren wir, welche 'Verhaltensmodule' dann in einem Roboter modifiziert werden sollten.
Modellbildung
Wir werden prüfen, ob Gleichungen von Lernmodellen des Rescorla-Wagner-Typs verwendet werden können, um die Entscheidung der Larven hinsichtlich der Frage 'Sollte eine konditionierte Reaktion gezeigt werden - oder nicht?' zu beschreiben. Dabei wird eine zentrale Rolle spielen, ob und wie sich die entsprechenden rechnerischen Vorgänge auf die experimentell aufgeklärten Schaltkreise abbilden lassen.

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