LEHRSTUHL

KOGNITIONSBIOLOGIE

Die internationale Graduiertenschule (GS) für Analyse, Bildgebung und Modellierung neuronaler und entzündlicher Prozesse (ABINEP) basiert auf den beiden international anerkannten biomedizinischen Forschungsschwerpunkten der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OVGU), den Neurowissenschaften und der Immunologie. Ziel von ABINEP ist die Förderung von Spitzenforschungsprojekten in aufstrebenden Teildisziplinen dieser Forschungsbereiche, die derzeit durch mehrere von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Europäischen Gemeinschaft (EU) geförderte Verbundprojekte in Magdeburg unterstützt werden (u.a. die von der DFG geförderten Sonderforschungsbereiche SFBs 779 und 854 und zugehörige Graduiertenkollegs sowie die DFG TRRs 31 und 62). Beteiligt sind Wissenschaftler der Medizinischen Fakultät/Universitätsklinikum Magdeburg (MED) und der Fakultät für Naturwissenschaften (FNW) der OVGU, des Instituts für Neurobiologie (LIN) und des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE), beide in Magdeburg, des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung in Braunschweig sowie internationale Kooperationspartner.

Um die internationale Verflechtung dieser Forschungsschwerpunkte weiter zu stärken, wurden 21 Projekte definiert, um exzellente internationale Doktoranden in einem der 4 ABINEP-Themenmodule auszubilden:
1) Neuroinflammation: Entzündungsprozesse bei der Neurodegeneration
2) Neurophysiologie und computergestützte Modellierung neuronaler Netze
3) Immunoseneszenz: Infektion und Immunität im Kontext des Alterns
4) Bildgebung des menschlichen Gehirns zur Diagnose von neurokognitiven Störungen

2) Neurophysiologie und computergestützte Modellierung neuronaler Netzwerke
Sport kann einen Schutzmechanismus aktivieren, der den Ausbruch der Demenz unterdrückt. Die genauen Grundlagen und Möglichkeiten zur Optimierung von Therapien sind noch nicht bekannt. Es wird angenommen, dass Substanzen wie der Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF) und Dopamin im Gehirn mobilisiert werden und zu einer Erhöhung der synaptischen Plastizität und damit zu einer Verzögerung des Demenzausbruchs führen. Eine systematische Bewertung der veränderten synaptischen Plastizität und der Kommunikation zwischen verschiedenen Hirnregionen durch BDNF und Dopamin steht derzeit noch aus und erfordert neue wissenschaftliche Ansätze. Die computergestützte Modellierung neuronaler Netzwerke soll dazu dienen, den Einfluss pharmakologischer Substanzen auf die Aktivität der Gehirnnetzwerke und damit die Unterdrückung des Ausbruchs von Demenz im Tiermodell vorherzusagen.
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Wir schlagen ein Ausbildungsnetz vor, das sich auf eine Reihe miteinander verbundener Forschungsprojekte stützt, die die Diagnose und Rehabilitation neuropsychologischer Aufmerksamkeitsstörungen verbessern sollen, wobei jedes Projekt mit einem externen Industriepartner verbunden ist, um neue Diagnose- und Rehabilitationsverfahren zu vermarkten. Neue Diagnoseverfahren werden klinische Messungen von Aufmerksamkeitsstörungen mit einer detaillierten mathematischen Darstellung verknüpfen, die wiederum mit Computermodellen der neuronalen Funktion verbunden werden kann. Diese Verhaltensmessungen werden mit bildgebenden Verfahren des Gehirns (fMRI, EEG, MEG) integriert, um Aufmerksamkeitsstörungen sowohl auf neuronaler als auch auf funktioneller Ebene zu erklären. Die neuen diagnostischen Verfahren werden für eine gezielte individuelle Rehabilitation der Patienten eingesetzt, wobei die Auswirkungen von direkter Hirnstimulation, EEG-basiertem Biofeedback, kognitivem Aufmerksamkeitstraining und medikamentöser Intervention bewertet werden. An jedem Projekt werden sowohl akademische als auch industrielle Partner des Netzes beteiligt sein, was der Ausbildung eine einzigartige kommerzielle Ausrichtung verleiht. Insgesamt wird das Projekt die neuropsychologische Diagnostik und Rehabilitation voranbringen und gleichzeitig den Auszubildenden modernste interdisziplinäre Forschungs- und unternehmerische Fähigkeiten vermitteln.
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Das Projekt verfolgt einen neuartigen Ansatz zur Erforschung multistabiler Wahrnehmung. Auf den ersten Blick erscheint die Dynamik multistabiler Wahrnehmungen von Person zu Person und Situation zu Situation sehr unterschiedlich zu sein, aber unter der Oberfläche lässt diese Dynamik ein genaues Gleichgewicht zwischen Inhibition, Adaption und Rauschen erkennen. Dies haben unsere publizierten Vorarbeiten gezeigt. Daraus ergeben sich mehrere Vorhersagen, welche in diesem Projekt überprüft werden sollen.
Das Projekt verbindet detaillierte psychophysikalische Messungen multistabiler Wahrnehmung (mit mehr statistischen Kenngrößen als in anderen Studien) in normalen Erwachsenen, sowie in Heranwachsenden und Anorexia nervosa Patienten, mit rechnerischen Analysen zur Bestimmung des genauen dynamischen Arbeitspunktes jeder Einzelperson. In vier Teilprojekten wollen wir unsere zentrale Arbeitshypothese (genaues Gleichgewicht von Inhibition, Adaption und Rauschen) überprüfen:

• Teil A: Verschieben experimentelle Veränderungen des Gleichgewichts den dynamischen Arbeitspunkt in die erwartete Richtung?
• Teil B: Wird die Stabilität der Wahrnehmung zunehmen, wenn ihre Empfindlichkeit für Eingangs-Modulationen abnimmt (und umgekehrt), wie von Theorien der inferenziellen Wahrnehmung vorgesagt wird?
• Teil C: Sind die Ergebnisse der rechnerischen Analyse unabhängig von der mathematischen Formulierung des dynamischen Modells?
• Teil D: Ist der dynamische Arbeitspunkt von dagnostischer Relevanz, d.h. zeigt er bedeutsame Unterschiede zwischen Einzelpersonen auf?
• Es wird zeigen, ob das beobachtete Gleichgewicht tatsächlich der theoretischen Erwartung entspricht, welche einen Zielkonflikt zwischen Stabilität und Empfindlichkeit von inferenzieller Wahrnehmung vorhersagt.
• Es wird zeigen, ob dem beobachteten Gleichgewicht eine multistabile Attraktordynamik zugrund liegt (Gleichgewicht zwischen Inhibition, Adaption und Rauschen), oder ein anderer Mechanismus am Werk ist, der eine explorative Wanderungsdynamik erzeugt.
• Es wird zeigen, ob das genaue dynamische Gleichgewicht individueller Versuchspersonen von diagnostischem Nutzen ist, entweder im Laufe der Entwicklung oder bei neurologischen Störungen.

Schlussendlich wird das Projekt eine neuartige, quantitative und empirische Methode etablieren, mit der zentrale theoretische Ideen, wie die "Baysian brain" Hypothese (Knill and Pouget, 2004) oder das Prinzip der "freien Energie" (Friston, 2010), überprüft und weiterentwickelt werden können.

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Unsere Vorarbeiten zeigen, daß Mikrosakkaden (MS) quantitative Hinweise nicht nur auf Richtung & Zeitpunkt v. Aufmerksamkeitsverschiebungen, sondern auch auf d. Position fortgesetzter Aufmerksamkeit geben können. Neuere Arbeiten mit nicht-menschlichen Primaten legen nahe, daß Mikrosakkaden d. Aktivität einer Unterklasse v. Neuronen in einer Reihe v. anatomisch getrennten, aber funktional integrierten Hirnregionen widerspiegeln (Kollikulus superior, frontale Augenfelder, lateraler intraparietaler Sulcus). Dieses ‘selection map’ Netzwerk scheint versch. Aspekte d. visuellen Orientierung u. Selektion – darunter visuelle Aufmerksamkeit, visuelle Salienz & Sakkadenvorbereitung – zu integrieren.
Wir schlagen eine Reihe v. weiterführenden Experimenten mit menschl. Versuchspersonen vor, welche d. objektiven Zugang zur vis. Orientierung u. Selektion ausnutzen, d. Mikrosakkaden geben können. Insbesondere möchten wir unsere einzigartige Expertise in psychophysischen Doppelaufgaben mit d. Messung v. Mikrosakkaden & mit rechner. Modellen kombinieren, um d. Wechselwirkungen v. vis. Aufmerksamkeit, vis. Salienz & Sakkadenvorbereitung umfassend zu charakterisieren. 

Ziele: s. Kurzbeschreibung englisch
Das vorgeschlagene Arbeitsprogramm mit menschl. Probanden wird wichtige Befunde an nicht-menschl. Primaten bestätigen & erweitern. Es wird zeigen, wie unterschiedl. Aspekte d. Orientierung miteinander wechselwirken, welche funktionalen Abstimmungen erfolgen. Es wird kontrovers diskutierte Theorien d. kognitiven Aufmerksamkeitsforschung – “limited capacity”, “saliency map”, Beziehung zu ‘awareness’ – überprüfen & möglicherweise deren neurobiol. Entsprechungen in einer ‘selection map’ enthüllen. Schließlich wird d. Vorhaben alle Beschreibungsebenen – Diskriminationsleistung, Aufmerksamkeitszuteilung, Augenbewegungen & ‘selection map’ Aktivität – in einem kompakten rechner. Rahmen zusammenführen, welcher seinerseits zahlreiche überprüfbare Vorhersagen liefern wird.

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Schnittstellen zwischen dem Gehirn und elektrischen Schaltkreisen in technischen Geräten oder Computern eröffnen neue Perspektiven für Grundlagenforschung und medizinische Anwendung, z.B. bei der therapeutischen Hirnstimulation oder der Neuroprothetik. Das neue EU-Projekt CORONET wird die technologischen und theoretischen Voraussetzungen für solche zukünftigen "bio-hybriden" Schnittstellen zwischen natürlichen und künstlichen neuronalen Schaltkreisen schaffen. Die Europäische Kommission unterstützt das Projekt mit 2.7 Millionen aus dem 7. Rahmenprogramm. CORONET erreichte die beste Bewertung aller 39 Projektvorschläge in der Kategorie "Brain-inspired Computing?. Die Grundidee von CORONET ist, die komplexe spontane Aktivität des lebenden Nervengewebes zu nutzen, statt gegen sie zu arbeiten. Zunächst soll die spontane Aktivität durch kontinuierliche, aber schwache, elektrische Stimulation "sanft" in eine gewünschte Richtung gesteuert werden. Dann soll das Nervengewebe an künstliche, elektronische Netzwerke gekoppelt werden, die ähnlich komplex reagieren wie das Gehirn. Mithilfe dieser Kopplung sollen bestimmte, sich spontan herausbildende Aktivitätszustände des Nervengewebes "ausgelesen" werden. 

Als künstliche Netzwerke sollen zunächst Computer-Simulationen von neuronalen Netzen eingesetzt werden. In einem zweiten Schritt sollen dazu echte, elektronische integrierte Schaltkreise gebaut werden, die nach den Prinzipien der Hirnfunktion arbeiten ("Neuromorophic VLSI"). Das Fernziel des Projekts ist die nahtlose Kommunikation zwischen elektronischen Schaltkreisen und lebendem Nervengewebe.

Sechs etablierte Wissenschaftler aus Magdeburg, Dresden, Trieste, Rom, Haifa, und Barcelona beteiligen sich an dieser europäischen Kooperation unter der Leitung von Prof. J. Braun (Otto-von-Guericke Universität Magdeburg). Die geplanten Arbeiten bauen auf Vorarbeiten der Bernstein Gruppe Magdeburg auf, die ebenfalls von Prof. Braun geleitet und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt wurde.Weitere Informationenhttp://kobi.nat.uni-magdeburg.de - Arbeitsgruppe Kognitive Biologie
http://www.bgcn.ovgu.de/ - Bernstein Gruppe Magdeburg

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It is well known that pauses in the presentation of an ambiguous display may stabilize its perceptual appearance. Here we show that this stabilization depends on an extended history spanning several dominance periods, not merely on the most recent period. Specifically, appearance after a pause often reflects less recent (but longer) dominance periods rather than more recent (but shorter) periods. Our results imply the existence of a short-tem memory for perceptual appearance that builds up over seconds, decays over minutes, and is robust to perceptual reversals. Although this memory is most evident in paused displays, it influences perceptual reversals also when display presentation continues: while the memory of one appearance prevails over that of the other, successive dominance durations are positively correlated. This highly unusual successive dependence suggests that multi-stable perception is not the memoryless renewal process as which it has long been regarded. Instead, a short-term memory of appearance must be added to the multiple processes that jointly produce reversals of perceptual appearance.

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Selective visual attention enhances the neural response to task-relevant visual items.  Responses to task-irrelevant and therefore presumably unattended items are not enhanced, or even suppressed relative to baseline. However, it is unknown what happens to items outside the focus of attention that are nevertheless relevant for the task at hand. We studied the retinotopic neural correlates of such processing with a dual-task fMRI-experiment. An attention-demanding central task was combined with one of two peripheral tasks concerning the same visual stimulus; one posing low and the other high attentional demands. Task-relevance increased BOLD-responses to the peripheral stimulus in the context of both task.  For the low-demand task, this increase was accompanied by good behavioral performance. For the high-demand task, performance remained near chance.  When the focus of attention was allowed to shift to the peripheral stimulus, neural responses increased even further. In a control experiment, we observed the differential persistence in iconic memory of visual attributes relevant to high- and low-demand tasks, respectively.  We conclude that, in the dual-task situation, the focus of attention initially remains on the central task, but subsequently shifts to the former location of the peripheral target.  This belated shift to an iconic memory explains the enhanced BOLD-response observed with both tasks.  Differential iconic persistence accounts for the disparate behavioral performance.   Our results suggest that attentional modulation, but not behavioral performance, is consistently associated with an enhanced BOLD-response.

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Multi-stable perception is not the "memoryless" process as which it was long regarded. Recent psychophysical studies reveal both stabilizing and destabilizing effects of perceptual history: the recent experience of a particular percept makes it both more likely (in the short run) and less likely (in the long run) to experience the same percept again. The destabilizing effect presumably reflects some form of adaptation (either neuronal or synaptic). Surprisingly, the destabilizing effect does not seem to actually cause perceptual reversals. Rather, reversals appear to be noise-driven. Cumulative measures of the destabilizing effect reveal only a limited control over reversals. When the cumulative measures of competing percepts are balanced, perception enters transitional states in which neither percept dominates. A competitive network of biophysically realistic neurons replicates this behaviour only when it resides just next to the bifurcation between an adaptation driven regime (limit cycle) and a noise driven regime (metastability). There are a number of ecological and functional reasons why perceptual representations should be established at this bifurcation point.

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The pioneering work of C. Mead \cite{Mead89} has introduced the term ``neuromorphic engineering'' for a growing family of analog, sub-threshold circuits, which implement the accepted equivalent circuits of biological neurons and synapses in VLSI technology. The ultimate aim of neuromorphic engineering is to mimic the capabilities of biological perception and information processing with a compact and energy-efficient platform. We believe that this goal necessitates from the outset some mechanism of ``learning" that enables neuromorphic devices to adapt (or re-configure) themselves while interacting with an environment. Emulating the example of biological neurons and synapses, our neuromorphic devices attain an ability for "learning" by incorporating ``Hebbian-like" mechanisms of synaptic plasticity. In the "Hebbian" scenario, the efficacy of a synapse is enhanced (i.e., its impact on the post-synaptic neuron is increased), when the activities of pre- and post-synaptic neurons are correlated on a suitable time-scale, and reduced if the activities are anti-correlated on this time-scale. Whether ``Hebbian" learning is based on average firing rates or on individual spikes (``spike-time-dependent plasticity", or STDP) is a matter of continuing debate and a choice that strongly influences alternative designs of neuromorphic synapse circuits. The synaptic circuits described here represent a compromise, in that they combine rate-based ``Hebbian" learning with many aspects of STDP. We illustrate tests and measurements performed on an analog, VLSI chip implementing 128 integrate-and-fire (IF) neurons and 16,384 plastic synapses. Each synapse may be individually configured to be either excitatory or inhibitory and to receive either recurrent input from an on-chip neuron or AER-based input from an off-chip neuron.

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Bereits zum vierten Mal findet die zweiwöchige Internationale Sommerschule Visuelle Neurowissenschaften statt, die vom Marburger Neurophysiker, Professor Dr. Frank Bremmer, zusammen mit seinen wissenschaftlichen Kollegen Professor Dr. Karl Gegenfurtner (Gießen) und Professor Dr. Jochen Braun (Magdeburg) organisiert wird. Bereits der ersten Sommerschule im September 2004 ebenfalls auf Schloss Rauischholzhausen bescheinigt Bremmer einen unerwartet großen Erfolg .
Wie in den Vorjahren gingen 2010 fast 200 hochkarätige Bewerbungen aus aller Welt ein, aus denen die 30 Besten ausgewählt wurden. Auch die Sprecher sind wieder international höchst anerkannte Spitzenforscher, unter ihnen der diesjährige Leibniz-Preisträger und Direktor des Deutschen Primatenzentrums, Professor Dr. Stefan Treue, und der diesjährige Champalimaud Award Winner, Professor Dr. Anthony Movshon, von der New York University. Bremmer und seine Kollegen sind von dem Erfolg der diesjährigen Veranstaltung und der Euphorie der Teilnehmer so motiviert, dass sie versuchen werden, daraus eine ständige Einrichtung im zweijährigen Abstand werden zu lassen. Die Sommerschule wäre damit ein Gegenpol zu renommierten Veranstaltungen in den USA, zum Beispiel Cold Spring Harbor.

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Why are unrelated associations learned more rapidly in a consistent temporal order? Observers viewed highly distinguishable, fractal objects and learned by trial and error to respond to each object with a particular motor response (one of four). In five experiments, associations between visual objects and motor responses were learned more rapidly for objects presented in a consistent temporal order (i.e., objects with consistent predecessor objects). Incremental learning of action weights for current and past objects does not account for the observed effects of temporal order ( direct actor ). However, a modified model with differential learning rates for current and past objects agrees qualitatively with observations. In the modified reinforcement model, a Kalman filter quantifies the certainty with which past observations predict future rewards and adjusts learning rates accordingly (Sutton, 1992, Proceedings of the 7^th Yale Workshop on Adaptive and Learning Systems, pp. 161-166). But does reinforcement learning of additional action weights truly capture the essence of the temporal order effects? We also consider an alternative view, according to which consistent temporal order eases the recognition problem posed by unfamiliar fractal objects.

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We propose stochastic integration at two neural levels as a model for bistable perception. In this model, two sets of meta-stable populations are driven by visual input, while two further sets are driven by the phenomenal percept. A perceptual reversal occurs whenever the activity associated with one percept exceeds a threshold. Perceptual alternations result from the continuous repetition of this race to threshold. Our model accounts for several hitherto puzzling aspects of bistable perception: the wide range of alternation rates observed under different conditions, the highly consistent statistics, the perceptual stabilization with interrupted displays, and the history-dependence of phenomenal appearance. It also predicts details of the dynamics of bistable perception that have so far not been examined. We conclude that bistable perception reflects the collective nature of neural decision making, rather than specific biophysical properties of individual neurons.

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