Forschungsprojekte der Abteilungen/Research projects

AG Basar

sBCI

Zu den ungelösten Problemen in der BCI Forschung gehört die effiziente Adaptation der BCI Algorithmen auf spontane Veränderungen in neuronalen Netzwerken. Trotzdem müssen BCIs, um praktisch anwendbar zu werden, schnell und einfach einzusetzen sein. Diese Fragestellungen stehen im Fokus des Projektes.

Budget Priced meAsuRement system for preclinical diagnOsis of age - reLated Impairments and intervention monitoring (PAROLI)

(Dr. Christina Schmiedt-Fehr in Kooperation mit Prof. Axel Gräser / Dr. Spranger / Dr. Höhne

Ziel dieses Projekts ist es ein kostengünstiges multimodales technisches System zu entwickeln, welches eingesetzt werden kann zur frühzeitigen Diagnose altersbedingter neuronaler Einschränkungen, zur Verbesserung physischer und kognitiver Interventionen und auch zur Interventionskontrolle. Dabei sollen neue technische Systeme entwickelt und bereits als Demonstrator existierende Systeme (Reha@Home, Neurobalancer, sBCI, Mopass, Corbys-Vital) optimiert werden. Die Entwicklung und Überprüfung des Nutzens/ der Effektivität des Systems erfolgt mittels neurowissenschaftlicher Methoden (Zusammenarbeit mit der AG Prof. Basar-Eroglu) und mittels Anwendung im praxisnahen Kontext (Zusammenarbeit mit PD Dr. Spranger).

AG Dicke/Roth

Interdisziplinäre Aggressions- und Gewaltforschung

Psychologische und neurobiologische Untersuchungen an jugendlichen Intensivstraftätern im Gewaltbereich

Projekte 2-4 zum European Campus of Excellence (ECE)

Organisation und Durchführung von dreiwöchigen Kursen zu unterschiedlichen Fachdisziplinen und Fragestellungen zur Förderung der Zusammenarbeit hochbegabter Studierender aus Europa

AG Ernst

Die Forschergruppe „Computational Neuroscience“ von Dr. Udo Ernst befasst sich mit Merkmalsintegration und der Adaptivität neuronaler Informationsverarbeitung („funktionelle Konfiguration“) mit Fokussierung auf dem visuellen System. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt hierbei in der Modellierung, Simulation, mathematischen Analyse, und Anwendung innovativer Verfahren zur effizienten Auswertung physiologischer und psychophysischer Daten.

Verarbeitungsprinzipien und theoretische Aspekte schneller funktioneller Konfiguration (Bernstein-Award)

Ziel des Projektes ist die Modellierung der Adaptivität kortikaler Informationsverarbeitung mit zwei komplementären Ansätzen: In realistischen Netzwerken mit spikenden Neuronen werden verschiedene neuronale Mechanismen funktioneller Konfiguration realisiert und getestet, inwieweit physiologische Befunde (z.B. Signaturen selektiver Aufmerksamkeit) damit erklärt werden können. In generativen, probabilistischen Modellen werden kognitive Strategien zur Selektion und Steuerung der Informationsverarbeitung aus Grundprinzipen der visuellen Wahrnehmung (z.B. Gestaltprinzipien) hergeleitet und Vorhersagen dieser Modelle mit psychophysikalischen Daten verglichen.

Neuronale Mechanismen schneller funktioneller Konfiguration (Bernstein-Award)

In Zusammenarbeit mit der AG Kreiter werden neuronale Mechanismen untersucht, die es dem visuellen System erlauben, bestimmte Reize selektiv oder bevorzugt zu verarbeiten. Hierzu werden parallel Multielektrodenableitungen in verschiedenen visuellen Arealen am wachen Affen durchgeführt, während das Versuchstier eine anspruchsvolle Merkmalsintegrationsaufgabe unter wechselnden Anforderungen (z.B. selektive oder eigenschaftsbasierte Aufmerksamkeit) bearbeitet.

Kognitive Fähigkeiten und Grenzen schneller funktioneller Konfiguration (Bernstein-Award)

Wie flexibel sich das visuelle System des Menschen auf verschiedene Wahrnehmungsaufgaben einstellen kann, wird in diesem Projekt mit psychophysikalischen Experimenten untersucht. Besonderes Interesse gilt hierbei der Frage, wie gut unser Gehirn verschiedene Hinweise („Cues“) kombinieren kann, um schwierige Aufgaben besser zu lösen.

Interareale Phasenkohärenz als Mechanismus für aufmerksamkeitsabhängige neuronale Signalübertragung (SPP 1665)

Fokus dieses Gemeinschaftsprojektes mit der AG Lang (IMSAS) und der AG Kreiter ist die kausale Analyse von Mechanismen der Steuerung neuronaler Signalübertragung im visuellen System. Mit elektrischer Stimulation sollen die entsprechenden neuronalen Prozesse beeinflusst und die Effizienz der Signalweiterleitung moduliert werden. Neuronale Modelle dienen hierbei als Testumgebung für verschiedene Stimulationsparadigmen, während Echtzeit-Datenanalyse die gezielte Interaktion mit dem neuronalen System im laufenden Experiment erlauben soll.

AG Koch

Longitudinale Charakterisierung der Auswirkungen pränataler Infektion auf Hirnentwicklung und Verhalten sowie auf die Interaktion von Serotonin2A- und metabotropen Glutamat2-Rezeptoren

Infektionen schwangerer Frauen im letzten Trimenon spielen wahrscheinlich eine Rolle bei der Ätiopathogenese der Schizophrenie. Wir untersuchen in einem Rattenmodell (Lipopolysaccharid-induzierte Immunreaktion bei schwangeren Ratten) die Effekte von Entzündungsfaktoren auf die Hirnentwicklung der Nachkommen. Im Mittelpunkt stehen Verhaltensversuche, sowie immunhistochemische Analysen und Magnetresonanztomografi (MRT) der Gehirne dieser Tiere. Das Ziel dieses Projektes ist es, die durch pränatale Infektion verursachten Fehlfunktionen von 5-HT2A-mGlu2-Rezeptorinteraktionen zu charakterisieren.

Neonatale Läsionen des medialen präfrontalen Cortex (mPFC) von Ratten – Regeneration durch Neuroblasten aus dem rostral migratory stream?

Unsere früheren Untersuchungen haben gezeigt, dass Läsionen des mPFC, die vor dem zehnten Lebenstag erfolgen, strukturell und funktionell teilweise kompensiert werden. Wir untersuchen hier die Hypothese, dass dies durch Einwandern von neuronalen Vorläuferzellen aus dem rostral migratory stream erfolgt. Dabei interessiert uns insbesondere, welche Gewebesignale aus der Läsionsnarbe die Vorläuferzellen anlocken. Methoden: MRT, Immunhistochemie, Verhaltenstests.

Verhaltenspharmakologische und histochemische Untersuchungen zur Fremdkörperreaktion nach intracerebraler Implantation von Kanülen oder Elektroden bei Ratten

Die Implantation von Kanülen oder Elektroden löst eine Signalkaskade aus, die schließlich zur Bildung einer Glianarbe führt, die das Implantat umgibt („Fremdkörperreaktion“). Diese Glianarbe beeinträchtigt die Funktion der Implantate. Ziel des Projektes ist die Verminderung der Fremdkörperreaktion durch Blockade der am frühesten nach Implantation auftretenden Signalmoleküle (Glutamat, ATP). Bei diesen Untersuchungen fokussieren wir uns auf den motorischen Cortex der Ratte. Methoden: Pharmakologie, Immunhistochemie, Verhaltenstests.

Neuronale Grundlagen des Entscheidungsverhaltens von Ratten

Mithilfe verhaltenspharmakologischer Methoden untersuchen wir die Frage, wie die Interaktion cortikaler (mPFC) und subcortikaler (Nucleus accumbens, Amygdala) Hirnregionen das Entscheidungsverhalten von Ratten beeinflusst und welche Neurotransmitter daran beteiligt sind. Im Mittelpunkt des Interesses stehen verschiedene Formen der Impulskontrolle. Verhaltensparadigmen sind effort- und delay-discounting im T-Labyrinth und in der Skinner-Box, sowie 5-choice serial reaction time task.

Aufnahme und Effekte von Eisenoxid-Nanopartikeln (EON) im Gehirn von Ratten

Für EON gibt es eine Reihe von biomedizinischen Anwendungen (z.B. als MRT-Kontrastmittel). Über die Aufnahme, Verteilung und mögliche Effekte dieser Teilchen auf Hirnfunktionen gibt es jedoch nur wenige Untersuchungen. Da die Aufnahme, der Metabolismus und neurotoxische Effekte in Glia- und Neuronenzellkulturen bereits gut untersucht sind, interessieren wir uns im Rahmen einer Kooperation mit der AG Dringen (Biochemie, FB2) für die in vivo Effekte von EON auf das Gehirn und Verhalten von Ratten.

AG Fahle

Elektrophysiologische und psychophysische Untersuchungen zum Einfluss visueller Aufmerksamkeit auf die Objektwahrnehmung des Menschen (Daniela Gledhill in Kooperation mit AG Kreiter):

Ziel der Untersuchungen ist die Differenzierung zwischen objektbezogener, merkmalsbezogener und raumbezogener Aufmerksamkeitssteuerung beim Menschen. Dazu werden Verhaltensexperimente und Hirnstrom-Ableitungen verwendet.

Neuronale Korrelate zerebral bedingter visueller Wahrnehmungsstörungen (Maren Praß, Cathleen Grimsen):

Mit Hilfe bildgebender Verfahren und Verhaltensuntersuchungen werden Störungen der Objektwahrnehmung bei Schlaganfallpatienten untersucht.

Störungen der elementaren visuellen Wahrnehmung nach Schlaganfall (Cathleen Grimsen, Karoline Spang):

Wir untersuchen Störungen der Farb-, Tiefen-, Textur- und Bewegungswahrnehmung bei Patienten mit Schlaganfall und korrelieren die psychophysischen Befunde mit der Lage und Größe der Hirninfarkte.

Störungen der visuellen und akustischen Gestaltwahrnehmung nach Schlaganfall – Verhaltenskorrelate und funktionelle Kernspintomographie (Stephanie Rosemann):

Es wird der Zusammenhang zwischen Amusie (Störung der Musikwahrnehmung) und Defiziten der akustischen und visuellen Wahrnehmung sowie Kognition mit Verhaltensuntersuchungen und bildgebenden Verfahren (strukturelle und funktionelle Magnetresonanztomographie, fMRT) untersucht.

Grundlagen der Prismenadaptation beim Menschen (Klaudia Pochopien):

Die Doktorarbeit bearbeitet die Frage, wie sich die Prismen-Adaptation auf die einzelnen Teil-Systeme (Auge-Kopf, Kopf-Hand, Auge-Hand, Kopf-Rumpf) und ihre Interaktionen beim Menschen auswirkt. Hierzu werden psychophysikalische Tests durchgeführt.

Modelle der visuellen Wahrnehmung (Sven Eberhard):

In Kooperation mit der AG Neuroinformatik (FB 03, Prof. Schill, Dr. Zetzsche) werden Computermodelle für die visuelle Objekterkennung entwickelt und getestet.

AG Kreiter

Neuronale Mechanismen verhaltensabhängiger visueller Verarbeitung in den kortikalen Arealen MT und V1/V2

Ziel der Untersuchung ist die Beschreibung des Einflusses unterschiedlicher Verhaltensziele auf die aufmerksamkeitsabhängige Verarbeitung im visuellen Areal MT an Rhesusaffen.

Kabellose Erfassung lokaler Feldpotentiale und elektrische Simulation der Großhirnrinde für medizinische Diagnostik und Neuroprothetik

Das Projekt dient der Entwicklung und Erprobung von Methoden und Verfahren zur Herstellung und Anwendung von ECoG-Matten mit drahtloser Energie und Signalübertragung.

Das künstliche Auge: Chronische drahtlose Schnittstellen zum visuellen Kortex

Das Kooperationsprojekt mit den Arbeitsgruppen Pawelzik (Theoretische Neurowissenschaften), Lang (Mikrosystemtechnik) und Paul (Elektronik)  zielt auf die Entwicklung der technischen Voraussetzungen und Untersuchung der Möglichkeiten, mit Hilfe elektrischer Stimulation des visuellen Kortex einfache visuelle Muster zu erzeugen. Mit Hilfe simultaner Multikanalmessungen und entsprechenden Modellen sollen geeignete Stimulationsmuster erarbeitet und in Verhaltensuntersuchungen an Rhesusaffen getestet werden.

Interareale Phasenkohärenz als Mechanismus für aufmerksamkeitsabhängige Weiterleitung neuronaler Signale: Eine modellgeführte Kausalanalyse unter Verwendung neuartiger Multikontakt-Floating-Elektroden für die intrakortikale chronische Stimulation und Ableitung von Primaten

Das Kooperationsprojekt mit den Arbeitsgruppen Ernst (Theoretische Neurowissenschaften) und Lang (Mikrosystemtechnik) untersucht einerseits die dynamischen Mechanismen der aufmerksamkeitsabhängigen Weiterleitung und Verarbeitung neuronaler Signale in V2 und V4 mit Hilfe intrakortikaler Mikrostimulation. Andererseits werden Michigan-Type Mikroelektroden für die chronische Implantation in den visuellen Cortex entwickelt.  

Neuronale Grundlagen aufmerksamkeitsabhängiger Verhaltensleistungen: Zum Zusammenwirken von feinzeitlichen neuronalen Aktivitätsmustern, neuronaler Variabilität und neuronaler Latenz auf Reaktionszeiten

Das Projekt beschäftigt sich mit der Frage, wie die mit aufmerksamkeitsabhängig verkürzten Reaktionszeiten zusammenhängenden verkürzten neuronalen Latenzzeiten in MT zustande kommen. Überprüft werden soll mit Hilfe von Multielektrodenableitungen in V1 und MT die Hypothese, dass die Latenzverkürzung mit Hilfe reduzierter neuronaler Variabilität und erhöhter neuronaler Synchronisation erklärt werden kann.

AG Herrmann

folgt

AG Pawelzik

Neurotechnologie
Das interdisziplinäre Kalomed Projekt unter Beteiligung der AG’s Kreiter, Lang, Paul, Schneider und Pawelzik von der Universität Bremen, sowie Brain Products München und der Klinik für Epileptologie an der Universität Bonn ist abgeschlossen. Resultat war ein elektronisch vollständig funktionsfähiges Implantat mit 128 Elektroden auf einer flexiblen Folie. Dieses Implantat hat die Aufgabe, die neuronalen raum-zeitlichen elektrischen Aktivitätsmuster auf der Gehirnoberfläche zu erfassen und kabellos an eine externe Basisstation zu senden.

Derzeit beschäftigten sich die AG’s Lang, Pawelzik, Kreiter und Paul im Rahmen der Creative Unit I-See (http://www.isee.uni-bremen.de/) damit, neuartige Elektrodenmatten für elektrische Stimulation als auch die Elektronik für einen implantierbaren Stimulator zu entwickeln. Auf der neurowissenschaftlichen Seite soll erforscht werden, wie man gezielt die gewünschten Lichtpunktmuster zuverlässig erzeugen kann und welche elektrischen Stimulationsmuster man dafür anwenden muss.

In der Planung befindet sich ein Antrag bei der DFG der AG’s Lang, Pawelzik (David Rotermund), Bergmann (BIAS) und Koch mit dem Ziel, eine bi-direktionale Hochgeschwindigkeitsschnittstelle per infrarotem Laserlicht zu erarbeiten. Ein weiterer Punkt wird die Frage nach einer passenden biokompatiblen langzeitstabilen Verkapselung des Implantates sein.

Adaptation und Lernen

Im Drittmittelprojekt "Variable Tunes" arbeiten wir zurzeit an drei verschiedenen Themen. Gemeinsam ist diesen Themen, dass dem Kern der jeweiligen Modelle immer die gleiche neuartige synaptische Plastizitätsregel zugrunde liegt.

a) Wir haben eine Theorie über das Lernen von inversen Modellen am Beispiel des Singvogels, d.h. eines internen Modells des Singvogels der Funktion seines Gesangsapparates. Dieses inverse Modell befähigt einen Organismus, die Folgen neuronaler Erregungen vorherzusagen, um zum Beispiel Gesang aus dem Gedächtnis wiederzugeben.

b) Die Plastizitätsregel besitzt gewisse Balance-Eigenschaften, d.h. sie versucht das Neuron in einem Bereich zu halten, in dem es nur moderat aktiv ist. Wir arbeiten daran, diese Eigenschaft mit experimentellen Befunden aus der Literatur zu vergleichen und damit die Plausibilität dieser Regel zu überprüfen.

c) Wir haben gefunden, dass die angesprochene Plastizitätsregel überraschend gut in der Lage ist, in bestimmten spikebasierten neuronalen Netzen (Perzeptron, Chronotron) erwünschte Spikezeiten zu lernen.

Ökonophysik - Komplexe adaptive Systeme

Komplexe adaptive Systeme transformieren Information über ihre Umwelt in Handlungen, welche eben diese Umwelt verändern. Wir untersuchen insbesondere menschliche Verhaltensweisen, die zu einer Information-Absorption führen. Wir haben gezeigt, dass gerade eine optimierte, adaptive Kontrolle zu Instabilitäten und seltenen Extremereignissen mit charakteristischen Verteilungen führen kann. Dies haben wir zunächst in prädiktiver Motorkontrolle bei Balancieraufgaben dargestellt. In neuartigen Verhaltensexperimenten in 2012/2013 haben wir Vorhersagen unseres Modells erfolgreich getestet. Weiterhin haben wir aufgrund des konzeptionellen Bezugs der Informations-Absorption zu wirtschaftswissenschaftlichen Theorien nach ähnlichen Instabilitäten in Modellen für spekulative Finanzmärkte gesucht. Tatsächlich fanden wir fundamentale Effekte, die den anscheinenden Widerspruch zwischen der Effizienzhypothese in den Wirtschaftswissenschaften auf der einen Seite, sowie der empirisch beobachteten Statistik von extremen Preissprüngen auf der anderen Seite, auflösen könnten. Unsere Arbeit im Bereich der "Ökonophysik" wurde durch die Volkswagenstiftung im Drittmittelprojekt "The Financial Market Seesaw" gefördert. Im Rahmen dieses Projektes wurde auch eine Website entwickelt (http://seesaw.neuro.uni-bremen.de), welche seit 2013 die Teilnahme der allgemeinen Öffentlichkeit an Verhaltensexperimenten in einem einfachen Marktmodell ermöglicht. Gegenwärtig (2014) arbeiten wir an einem Drittmittelantrag um die Fortsetzung der o.g. Projekte zu ermöglichen. Weiterhin haben wir konkrete Ergebnisse, welche die Übertragung unserer theoretischen Erkenntnisse zur Dynamik von Informations-Absorption auf andere Systeme ermöglichen. Diese Ansätze könnten zukünftig als Teil des o.g. Antrages oder in eigenständigen Projekten verfolgt werden.

AG Schill

A 5:

Spatial Exploration based on an integrated Representation of Sensory Features and Motor Actions

Das Ziel ist die Entwicklung einer hierarchischen sensomotorischen Repräsentation und ihrer Anwendung in einem biologieinspirierten System zur Selbstlokalisierung and räumlichen Navigation. Die Sensomotorische Repräsentation ist motiviert durch den menschliche Aktionswahrnehmungszyklus und dessen Zusammenspiel mit der Verarbeitung sensorischer Informationen und zielgerichteter Motoraktionen. Dieses Konzept wird erforscht durch: (i) theoretische Forschung, (ii) psychologische Experimente und (iii) Modellierungsansätze. Letzteres wird in einem mobilen Agenten implementiert, welcher in einer VR-Umgebung agiert, sowie in einem mobilen Roboter.

SFB RTG (Research Training Group)

Doktoranden des SFB/TR8 (Transregio 8) sind automatisch Mitglieder des SFB RTG, dessen Ziel die Institutionalisierung spezieller Maßnahmen ist, um die Karriere der wissenschaftlichen Mitarbeiter (Doktoranden) aus dem SFB/TR 8 zu fördern. Diese Maßnahmen umfassen ein spezielles Qualifikations- und Betreuungskonzept, und setzen dadurch Meilensteine. Der SFB RTG bietet auch vier kurzzeitige Stipendien. Je ein Postdoc aus Bremen und Freiburg leiten diese Maßnahmen ein und bilden einen vorübergehenden Beratungsstab mit täglicher Verfügbarkeit für Doktoranden.

WeOrient

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines technischen Assistenzsystems, welches an die spezifischen Einschränkungen von Menschen mit leichten kognitiven Beeinträchtigungen bis hin zur Demenz angepasst ist und dadurch gezielt Hilfestellungen anbieten kann, ohne Nutzer/Innen zu über- oder unterfordern.

Die Assistenztechnologie soll dabei helfen, dem Verlust der räumlichen Orientierung vorzubeugen und so ein längeres selbstbestimmtes Leben ermöglichen. Menschen mit Alzheimerdemenz zeigen in den frühen Stadien der Erkrankung oft sehr spezifische Beeinträchtigungen, besonders in der räumlichen Orientierung. Unter Beachtung dieser Problemstellung wird in diesem Navigationsassistenzsystem eine Landmarken-basierte Navigation entwickelt, welche kognitive Kompetenzen zur sensomotorischen räumlichen Navigation aufgreift und hierbei auch individuell biographisch wichtige Routen und Landmarken der Nutzer einbindet. Darüber hinaus beachtet das System über zusätzliche Sensorik den emotionalen Zustand des Nutzers und berücksichtigt diesen durch plausible Nutzerinteraktion sowie in den Assistenzfunktionen

AG Stöckler

Schichten der Natur

In diesem Projekt werden klassische Konzepte der Naturphilosophie mit neueren Theorien der Erklärung in komplexen Systemen (u.a. in der Neurobiologie) verglichen. In der Geschichte der Naturphilosophie gibt es verschiedene Varianten der Vorstellung, dass die Natur als ein Stufenbau von Schichten bzw. als eine Hierarchie von Bereichen betrachtet werden kann, die in einer geordneten Beziehung zueinander stehen. Im Projekt soll programmatisch gezeigt werden, wie ein solcher Stufenbau auf der Grundlage einer Ontologie und Methodologie verstanden werden kann, die die fundamentale Ebene der Physik ontologisch auszeichnen, aber der Kritik entgehen, die zu Recht gegen frühere, weniger sensible reduktionistische Ansätze geübt wurde. Dabei wird ein erklärungspragmatischer Ansatz verfolgt: Eine neue Schicht/ eine neue Ebene der Beschreibung wird eingeführt, wenn dadurch neue fruchtbare Erklärungen möglich werden. Damit können klassische Probleme einer Theorie der Schichten der Natur gelöst werden.

Zeitvergehen zwischen Physik und Psychologie

In der gegenwärtigen Philosophie der Zeit werden zwei sehr unterschiedliche Auffassungen darüber vertreten, was es heißt, dass Zeit vergeht. Mit Zeitvergehen ist nicht gemeint, dass es zwischen Ereignissen im Sinne der Physik zeitliche Abstände gibt. Zeitvergehen begegnet uns vielmehr im "Fluss der Zeit", im Wechsel von Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft, in der Erleichterung über eine überstandene Krankheit oder in der Erwartung eines bevorstehenden Ereignisses. Die Metaphysik der Zeit stellt die grundlegende Frage, wie das Zeitvergehen in die Gesamtheit der Welt einzuordnen ist. Die eine Partei in der gegenwärtigen Debatte nimmt an, dass Zeit objektiv und auf fundamentaler Ebene vergeht (z.B. in dem Sinne, dass jeweils immer nur Gegenwärtiges existiert). Für die andere Partei ist Zeitvergehen im Wesentlichen ein Bewusstseinsphänomen, während es außerhalb unseres Bewusstseins (z. B. in der Welt der Physik) kein Zeitvergehen gibt. In diesem Projekt wird ein neuer Ansatz vorgeschlagen, der die Schwächen der bisherigen Positionen vermeidet, ihre grundsätzlich richtigen Intuitionen aber beibehält. Insbesondere wird dabei ein neuer Weg zur Einbettung des Zeitvergehens in die Raumzeit der Physik gezeigt. Im Verlauf des Projekts wird im Detail geprüft, wie gut die konkurrierenden Theorien verschiedene Phänomene des Zeitvergehens erklären und wie sie mit anderen etablierten Theorien (insbesondere aus der Physik) zusammenpassen.