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Gedächtnis - Netzwerk

Bernstein Kooperation für Computational Neuroscience (BCOL)

Im Rahmen des Gesamtprojekts sollen Technologien entwickelt werden, kombinierte Nervenzellaktivität zu messen (Tetrodenentwicklung). Diese Techniken soll in den Untersuchungen der Nervenzellaktivität des präfrontalen Kortex in Primaten zum Einsatz kommen.

Teilprojekt 1

Entwickelt wird ein Suchalgorithmus für die optimale Positionierung der Tetrode relativ zu dem untersuchten Zellensemble um a) während des Einbringens der Elektrode die optimale Position zu finden und b) durch die automatisierte Feinpositionierung Stereoeffekte während der kontinuierlichen Signalableitungen zu maximieren. Der zweite Schwerpunkt liegt in der Umsetzung eines Mikrostimulationssystems, das von dem Echtzeitanalyse-System angesteuert werden soll. Zu Beginn der Projektarbeiten werden die technologischen Grundlagen für ein Echtzeit-Datenaufnahmesystem geschaffen. Hierauf basiert dann die Untersuchung der Verfahren für die automatische Positionierung und Nachregelung der Tetroden. Die Mikrostimulation mit vorgegebenen Stimulationsmustern wird danach umgesetzt. Hierauf folgt die Systemintegration mit der Verifikationsphase. Die Verwertung der Ergebnisse bei der Firma Thomas Recording wird in der Bereitstellung eines neuartigen Instruments für die Gehirnforschung und dessen klinischem Einsatz in der Neurochirurgie liegen.

Teilprojekt 2

Neuronale Assemblies im Präfrontalkortex von nicht-humanen Primaten sollen quantitativ charakterisiert und durch raum-zeitlich strukturierte Mikrostimulation manipuliert werden, um eine kausale Beziehung zwischen den gemessenen Mustern präfrontaler Populationsaktivität und vom Gedächtnis abhängigen Verhalten des Versuchstieres zu etablieren. In vier Arbeitspaketen soll mithilfe eines adaptiven Positionierungssystems und einer Echtzeitanalyse von durch Spikesorting gewonnenen großen neuronalen Ensembles die verteilte Kodierungsleistung gemessen und dann durch raum-zeitlich strukturierte Mikrostimulation auf ihre Bedeutung für das Gesamtsystem überprüft werden. Die Vergleichsprüfung und Anwendung des Echtzeitsortieralgorithmus für Tetrodensignale (TP 3) sowie die Testung und Anwendung des Muster-Reizgenerators für die raum-zeitlich strukturierte Mikrostimulation (TP 1) wird qualitativ neue Experimente ermöglichen, durch die die Voraussetzungen geschaffen werden können, wesentlich komplexere Information als das Hervorrufen einfacher sensorischer Empfindungen in das kortikale Netzwerk einzuspeisen.

Teilprojekt 3

Es wird ein adaptives, online fähiges Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe extrazellulär durch Tetroden gemessene neuronale Aktionspotentiale schnell und robust detektiert und individuellen Neuronen zugeordnet werden können. Dazu wird zunächst eine optimale Multikanal-Filterung entwickelt, die Sequenzen von Aktionspotentialen unterschiedlicher Form in Sequenzen von möglichst scharfen Pulsen überführt. Diese wird vervollständigt durch Methoden für die Detektion der Pulse auf den gefilterten Sequenzen und die anschließende Sortierung der Pulse nach Nervenzellen. Letztere berücksichtigen den jeweils optimalen Filter, nutzen den Stereoeffekt der Tetroden aus und sind auf Grund der Filterung robust gegenüber Überlappungen von Spikes. Die optimalen Filter werden automatisch auf kurzen Datensequenzen geschätzt, und es werden "online" Sortierverfahren entwickelt, so dass die Methode echtzeitfähig ist. Die Verfahren sollen in ein vom Verbundkoordinator TRC (Gießen) zu erstellendes Gesamtsystem für Multi-Tetroden-Ableitungen integriert werden und im Anschluss an das Projekt kommerziell umgesetzt werden.