Forschungsschwerpunkt
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Wie nutzen Tiere Informationen, um ihr Verhalten zu steuern?
Tiere haben Zugang zu einer Fülle von Informationen, die sowohl aus ihrer Umgebung als auch aus ihren eigenen inneren Zuständen stammen. Das Herausfiltern der notwendigen Informationen aus der Flut an überflüssigen Informationen ist eine zentrale Aufgabe des tierischen Gehirns. Wir möchten verstehen, wie Nervensysteme diesen Informationsstrom verarbeiten, komprimieren und letztendlich nutzen, um ihr Verhalten anzupassen. Ein Verhalten, das auf der Kombination vieler verschiedener Arten von Informationen beruht, ist die Nahrungssuche: Um effizient nach Nahrung zu suchen, müssen die Tiere ihre Bewegungen und ihre Fressgeschwindigkeit anhand der Gerüche und Texturen in ihrer Umgebung sowie ihrer eigenen inneren Bedürfnisse, wie Hunger oder erlernte Vorlieben, koordinieren. Wir untersuchen dies an zwei verwandten Fadenwürmern (C. elegans und P. pacificus), die sich entweder von Bakterien ernähren oder zusätzlich andere Larven fressen, da die Anforderungen an das Nervensystem ganz anders sind, wenn die Beute versucht zu entkommen.
Uralt, analog und extrasynaptisch
Das Nervensystem von Fadenwürmern ist faszinierend: Unabhängig von ihrer Größe verfügen die meisten Fadenwürmer nur über etwa 300 Neuronen, die in der Regel über nicht-spikende (analoge) Potenziale kommunizieren. Als Ausgleich für dieses kompakte Netzwerk nutzen diese Tiere in großem Umfang die extrasynaptische Signalübertragung mittels Bioamine wie Serotonin und Dopamin sowie Hunderten von Neuropeptiden. Wir interessieren uns dafür, wie sich diese Einschränkungen und alternativen Signalwege auf die Informationsverarbeitung auswirken, sowohl in Experimenten als auch in Modellen. Unser Fokus liegt auf einem Schnittpunkt zwischen dem somatischen Netzwerk, das sensorische Informationen empfängt, und dem pharyngealen Nervensystem, das die Nahrungsaufnahme steuert. Dieser synaptische Schnittpunkt steht im Kontrast zu den starken neuromodulatorischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Netzwerken und ist ein Ort umfangreicher Umstrukturierungen zwischen räuberischen und bakterienfressenden Fadenwürmern. Um die Informationsverarbeitung direkt zu beobachten, entwickeln wir Werkzeuge zur schnellen Bildgebung des gesamten Gehirns sowie Werkzeuge zur Verhaltensbildgebung mit hohem Durchsatz. Inspiriert durch unsere Beobachtungen haben wir begonnen, kompakte Modelle mit nematodenähnlicher Neuromodulation zu entwickeln, die mit weniger trainierten Gewichten eine bemerkenswerte Effizienz aufweisen und damit den Weg für eine effiziente, bioinspirierte KI ebnen. Unser Ziel ist es letztendlich, allgemeine Prinzipien der Signalkompression, der Aufmerksamkeit und der Kontextabhängigkeit in neuronalen Systemen zu identifizieren.
