Positive Auswirkungen von Fluktuationen auf die ?bertragung und Verarbeitung von zeitabh?ngigen Signalen durch Populationen sensorischer Nervenzellen

Populationen sensorischer Nervenzellen kodieren in ihren Sequenzen von Aktionspotenzialen Information über zeitabh?ngige Stimuli, die relevant für den Organismus sind. Diese pulsenden Neuronen (engl. spiking neurons) sind in vielen F?llen einem betr?chtlichen intrinsischen Rauschen ausgesetzt. Neuronen differieren auch innerhalb der Population in ihrer Pulsstatistik (z.B. in der mittleren Feuerrate) - die Populationen sind in diesem Sinne im Allgemeinen heterogen. Nicht verstanden ist bisher, warum bestimmte Populationen von Nervenzellen ein hohes Ma? von Fluktuationen und Populationsheterogenit?t zeigen, w?hrend andere dies nicht tun. Aus theoretischen Arbeiten ist bekannt, dass die Signalübertragung in nichtlinearen Systemen von Rauschen und Fluktuationen profitieren kann --- dieser Effekt der stochastischen Resonanz wurde auch in neuronalen Systemen gefunden, die mit einer Mischung aus Signal und Rauschen stimuliert werden. In neuronalen Populationen ist m?glicherweise insbesondere die sogenannte ?berschwellige Stochastische Resonanz von gro?er Bedeutung, die theoretisch vorwiegend in Schwellwertsystemen untersucht allerdings bisher experimentell nicht nachgewiesen wurde (ein direkter Nachweis über eine Ver?nderung der intrinsischen Rauschst?rke ist in neuralen Systemen nicht m?glich). Bisherige Theorien dieses Effekts in Schwellwertsystemen beschreiben nicht die Auswirkungen von Simuluskorrelationen (charakterisiert durch die Bandbreite des Signals) und Stimulusst?rke sowie von Netzwerkheterogenit?t auf die Signalübertragung in Populationen pulsender Nervenzellen. Weiterhin beschr?nken sich Vorarbeiten auf die Information, die in der summierten Netzwerkaktivit?t kodiert wird obgleich in vielen F?llen die synchrone Aktivit?t die informationstragende Gr??e darstellt. Die synchrone Aktivit?t ist auch deshalb besonders interessant, da sie, wie unl?ngst experimentell und theoretisch gezeigt wurde, zu einfachen Formen der Signalverarbeitung wie z.B. der Informationsfilterung genutzt werden kann. Im hier vorgeschlagenen Projekt soll eine Theorie entwickelt werden für die Signalübertragung und Informationsfilterung in heterogenen Populationen pulsender Neurone, die durch einen gemeinsamen Stimulus und individuelles intrinsisches Rauschen getrieben werden. Diese Theorie wird es erlauben Bedingungen zu identifizieren, unter denen sich intrinsische Fluktuationen und/oder Heterogenit?t der Zellen in der Population vorteilhaft auf die Signalübertragung und die Informationsfilterung auswirken k?nnen. Unsere theoretischen Vorhersagen k?nnen anhand experimenteller Daten überprüft werden, die von unseren Kooperationspartnern an einem biologischen Modell, dem schwach elektrischen Fisch, erhoben werden. Die Ergebnisse sollen aber auch zur allgemeinen Theorie neuronaler Signalverarbeitung, wie sie z.B. in kortikalen Systemen anwendbar ist, beitragen.