Schwach-nichtlineare Interaktionen in einem elektrosensorischen Cocktailparty-Problem

01.07.2020 bis 30.06.2023

Die Fähigkeit des auditorischen Systems aus mehreren vermischten Schallquellen die von einer Quelle stammende Information herauszufiltern ist als “Cocktailparty-Problem” bekannt. Die Detektion eines schwachen, schwellnahen Signals vor dem Hintergrund stärkerer Störsignale ist eine besondere Herausforderung für neuronale Systeme. Dies wollen wir hier sowohl theoretisch als auch elektrophysiologisch und in Verhaltensversuchen im aktiven elektrosensorischen System schwach elektrischer Fische untersuchen. In Freilandbeobachtungen haben wir männliche Fische beobachtet, die, während sie nahe Weibchen umwarben, weit entfernte Eindringlinge detektiert und angegriffen haben. Das schwache Signal des Eindringlings wurde also trotz des mehr als tausendmal so starken Signals des Weibchens detektiert. Beide Signale sind periodisch und unterscheiden sich in ihrer Frequenz. Im Gegensatz zum auditorischen System der Säugetiere aber, gibt es im peripheren elektrosensorischen System keine Frequenzfilterbänke — die gleiche Population von Neuronen verarbeitet alle Signale. Wir untersuchen die Hypothese, dass die Verstärkung neuronaler Antworten durch schwach-nichtlineare Interaktionen der Signale dieser beeindruckenden Verhaltensleistung zugrunde liegt.
Dies werden wir in den ersten beiden elektrosensorischen Verarbeitungsebenen der Messerfische Apteronotus leptorhynchus und A. albifrons vergleichend charakterisieren. Geleitet von theoretischen Vorhersagen werden wir Antworten der Elektrorezeptorafferenzen und der postsynaptischen Pyramidenzellen auf Frequenzkombinationen quantifizieren. Pyramidenzellen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer zellulären und funktionellen Eigenschaften sowie der Größe ihrer rezeptiven Felder und sind in drei Karten organisiert. Dieser umfangreiche Parameterraum erlaubt es verschiedene evolutionäre Anpassungen des gleichen Netzwerks zu untersuchen. Parallel dazu werden wir die Theorie schwach-nichtlinearer Interaktionen auf leaky-integrate-and-fire Neurone mit Adaptationströmen erweitern. Wir werden auch die realistischere Situation nicht-statischer Signale betrachten. Die Elektrorezeptoren sind heterogen in ihren Feuerraten und Antwortvariabilität. Wie Heterogenität für die Kodierung schwacher Signale optimiert sein kann werden wir mit verschiedenen Signaldetektionsmethoden für unerschiedliche Auslesestragetegien der Zielneurone untersuchen. In Verhaltensexperimenten werden wir Wahrnehmungsschwellen und Integrationszeiten unter kontrollierten Laborbedingungen messen und wichtige Referenzdaten zur Bewertung der theoretischen und elektrophysiologischen Ergebnisse erhalten.
Mit unserem Projekt werden wir solide und grundlegende Einsichten zur Rolle schwach-nichtlinearer Interaktionen bei der Kodierung schwacher Signale in Anwesenheit starker Störsignale gewinnen. Wir werden verstehen welche evolutionäre Anpassungen eines konvergenten Netzwerks von Neuronen zur Lösung dieses schwierigen Cocktailparty-Problems beitragen.