Max-Planck-Institut für Hirnforschung

Am Max-Planck-Institut für Hirnforschung steht die Funktionsweise der Schaltkreise im Gehirn im Zentrum der Forschung. Diese wird in drei wissenschaftlichen Abteilungen (Helmstaedter, Laurent und Schuman), vier Max-Planck-Forschungsgruppen (Letzkus, Tchumatchenko, Ito und Gjorgjieva), sowie von einem Max-Planck-Fellow (Acker-Palmer) betrieben, die in unserem neuen Institutsgebäude auf dem Riedberg arbeiten, sowie in der Emeritusgruppe (Singer) in vormaligen Institutsgebäude im Niederrad.

Die Funktion von Gehirn-Schaltkreisen
Gehirn-Schaltkreise können auf verschiedenen Beschreibungsebenen untersucht werden. Diese umreißen die Forschungsinteressen des MPIs für Hirnforschung.

Zum einen enthält schon das intrazelluläre Protein-Netzwerk, welches sich in allen Synapsen befindet, alle wesentlichen Eigenschaften eines komplexen Schaltkreises: verbundene Elemente, Kommunikation, Regulation und Rückkopplung.  Als Antwort auf Signale anderer Nervenzellen in einem Schaltkreis interpretieren die Synapsen ihre Eingangs-Stimuli (“inputs”) und wandeln sie in neue Reize um (“outputs”). Manche Eingangs-Stimuli können das intrazelluläre Netzwerk beeinflussen, indem die lokale Umgebung von Ionen und Proteinen verändert wird – und daraus können sich dann wiederum Veränderungen der synaptischen Antwort ergeben.

Netzwerke zwischen Nervenzellen sind eine weitere fundamentale Basis der Gehirnfunktion: das Gehirn wandelt die Eingangs-Stimuli (seien diese extern, von den Sinnen erfasst, oder intern, wie Gedanken und Erinnerungen) in passende Reaktionen um (also motorische Reaktionen oder Wahrnehmungen). Diese Umrechnung erfolgt nach Regeln, oder Klassen von Regeln, die sich zumeist aus den Komponenten des Netzwerks und ihrer Wechselwirkungen ergeben. Interessanterweise können diese Regeln sich mit der Zeit verändern, ebenso auf Basis von Erfahrungen oder dem Erlebniszusammenhang modifiziert werden.

Unser gemeinsames Ziel am MPI für Hirnforschung ist es, die Bestandteile dieser Netzwerke mechanistisch zu verstehen, die strukturellen und funktionellen Schaltkreise zu entschlüsseln, die Rechenregeln zu finden, die ihre Funktionsweise beschreiben – und schlussendlich ihren Beitrag zu Wahrnehmung und Verhalten zu klären.

Unsere Experimente umfassen viele Größenordnungen in Raum und Zeit, die notwendig sind, um diese Einsichten zu gewinnen. Ein Teil unserer Arbeit zielt auf die Molekülnetzwerke in Abschnitten bestimmter Nervenzellfortsätze (der Dendriten), während andere Aspekte die Netzwerke zwischen verschiedenen Hirnregionen beinhalten. Diese Arbeit benötigt Analysen auf der molekularen, zellulären, Netzwerk- und Verhaltensebene; und sie steht in der vollen Einsicht, dass makroskopische Phänomene skalenabhängig sein können (so wie räumliche Muster oder Dynamiken); reduktionistische Ansätze sind darum sowohl notwendig als auch nicht immer hinreichend, was die Notwendigkeit unterstreicht, auch theoretische Neurowissenschaft zu betreiben.