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.