Synchrone Kodierung in rekurrenten Netzwerken

Neuronen im Gehirn kodieren Information über sensorische Signal in Sequenzen von stereotypen Aktionspotentialen, die als Pulszüge bezeichnet werden. In der ersten F?rderperiode haben wir den Kodierungsprozess in Populationen ungekoppelter Nervenzellen untersucht, die durch einen gemeinsamen Stimulus getrieben werden, aber auch individuellem Rauschen sowie einer gewissen Heterogenit?t (einer Variabilit?t ihrer zellul?ren Eigenschaften) unterworfen sind. Wir haben mathematische Formeln für die Statistiken der Population, insbesondere für die Populationsaktivit?t und für den synchronen Output hergeleitet und gezeigt, dass Rauschen und Heterogenit?t in verschiedener Hinsicht vorteilhaft für die Signalübertragung und –verarbeitung sein k?nnen. Insbesondere konnten wir in einer erfolgreichen Zusammenarbeit von Experiment und Theorie zeigen, dass sowohl intrinsisches Rauschen als auch der sogenannte Leckstrom im Neuron erforderlich sind, damit ein Synchronizit?ts-Kode funktionieren kann. In der zweiten F?rderperiode soll die Analyse ausgeweitet werden auf die Informationskodierung in der breiteren Klasse von Populationen mit rekurrenter Rückkopplung und insbesondere auf zwei grundlegende Situationen angewendet werden. Im Problem A wird ein rekurrentes Netzwerk im asynchron-irregul?ren Zustand betrachtet, das durch einen gemeinsamen Breitband-Stimulus getrieben wird. Im Problem B soll es hingegen um ein dreischichtiges neuronales Netzwerk gehen, in dem die erste Population ungekoppelter Zellen mit einem gemeinsamen Signal getrieben wird, die zweite Population von der ersten Input erh?lt, aber auch einer verz?gerten inhibitorischen Rückkopplung der dritten Population ausgesetzt ist. Problem A beschreibt eine generische Situation, die in vielen kortikalen Signalpfaden anzutreffen ist, w?hrend Problem B st?rker zugeschnitten ist auf die sensorische Peripherie, insbesondere auf das elektrosensorische System des schwach elektrischen Fischs (eines Modellorganismus, für den wir Zugriff auf experimentelle Daten haben). Für beide Modelle soll untersucht werden (i) ob die rekurrente Rückkopplung m?glicherweise zu einer Sch?rfung des Synchronizit?ts-Kodes (also einer Verst?rkung der Informations-Hochpassfilterung) führen kann und (ii) welchen Einfluss das Netzwerkrauschen und die neuronale Heterogenit?t auf die Informationstransmission haben im Falle einer starken rekurrenten Rückkopplung. Neben diesen allgemeinen theoretischen Aspekten ist das Projekt dem Verst?ndnis eines spezifischen Ph?nomens gewidmet: der ?bertragung und Verarbeitung schwacher Signale in elektrischen Fischen.