Im Schlaf verlieren wir das Bewusstsein. Die Frage, welche Funktion dieser Bewusstseinsverlust hat, rückt zunehmend in das Interesse moderner Neurowissenschaften. Eine Vielzahl von Studien zeigt, dass Schlaf Gedächtnisspuren verfestigt. Dies ist kein passives Einschleifen von Erlebtem, sondern ein aktiver Prozess, bei dem die zentralnervösen Gedächtnisspuren reaktiviert und reorganisiert werden. Dadurch befördert Schlaf nicht nur den Transfer bestimmter Gedächtnisinhalte von einem temporären Speicher in den Langzeitspeicher, sondern begünstig gleichzeitig auch eine qualitative Transformation der Gedächtnisrepräsentation.
Über diese Transformationsprozesse ermöglicht Schlaf die Bildung expliziten Wissens und die Einsicht in ungelöste Probleme. Anders als bisher vermutet, spielt für diese Gedächtnisbildung nicht der Traumschlaf (REM-Schlaf), sondern der Deltaschlaf (Tiefschlaf) die entscheidende Rolle. Von zentraler Bedeutung sind dabei die den Deltaschlaf dominierenden langsamen (<1 Hz) elektrischen Potenzialoszillationen (slow oscillations), die im Neokortex generiert werden. Sie treiben, zusammen mit den thalamisch generierten 12-15 Hz Spindeln, die Reaktivierung neu aufgenommener Gedächtnisrepräsentationen im temporären Speicher des Hippocampus an und tragen dadurch ursächlich zum Transfer explizit gelernter Inhalte in den neokortikalen Langzeitspeicher bei.
Eine Funktion des REM-Schlafes könnte es sein, die frisch in den Langzeitspeicher transferierten Inhalte zu stabilisieren. Unsere neueren Forschungen zielen darauf ab, die besondere Bedeutung des Schlafs für die Langzeitgedächtnisbildung in der frühen Kindheit zu charakterisieren.
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Fortbildung für Lehrende in Kooperation mit der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft.
Diese Weiterbildung richtet sich an Lehrerinnen und Lehrer der gymnasialen Oberstufe der Fachrichtung Biologie. Die Teilnahme ist kostenlos, eine Anmeldung jedoch erforderlich. Hierzu wenden Sie sich bitte an
Herrn Volker Dihlmann
Regierungspräsidium Freiburg
e-mail: volker.dihlmann@zsl-rsfr.de
9:15 | Begrüßung |
9:30 - 10:30 | Prof. Dr. Christian Leibold, Institut für Biololgie III und Bernstein Center Freiburg: Lebenslanges Lernen aus Sicht der Theoretische Neurowissenschaften |
10:30 - 11:00 |
Kaffeepause |
11:00 - 12:00 | Sabrina Livanec, Zentrum BrainLinks-BrainTools und NEXUS Experiments: KI und Ethik |
12.00 - 13:00 | Jun.-Prof. Dr. Joschka Bödecker, Institut für Informatik: Künstliche Intelligenz: Einführung, Grundlagen und aktuelle Anwendungen |
13:00 - 14:00 |
Mittagspause |
14:00 - 15:30 | Dr. rer. nat. Sebastian Spreizer, Human-Computer Action, Universität Trier: NEST Desktop: Ein App für Computational Neuroscience Im Computer-Labor des Bernstein Centers werden Gehirnsimulationen ausprobiert. Die verwendete Software ist kostenfrei und kann auch im Schulunterricht eingesetzt werden. |
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Fortbildung für Lehrende in Kooperation mit der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft.
Diese Weiterbildung richtet sich an Lehrerinnen und Lehrer der gymnasialen Oberstufe der Fachrichtung Biologie. Die Teilnahme ist kostenlos, eine Anmeldung jedoch erforderlich. Hierzu wenden Sie sich bitte an
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9:30 - 10:30 |
Prof. Dr. Andreas Vlachos, Institut für Anatomie Zellbiologie: |
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Kaffeepause |
11:00 - 12:00 |
Prof. Dr. med. Ludger Tebartz van Elst, Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie: |
12.00 - 13:00 |
Prof. Dr. Stefan Rotter, Bernstein Center Freiburg: |
13:00 - 14:00 |
Mittagspause und zu Fuß zur Klinik, Hauptstr. 5 |
14:00 - 15:00 |
Prof. Dr. med Claus Normann, Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie: |
15:00 - 16:00 |
Prof. Dr. med Claus Normann, Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie: |
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Fortbildung für Lehrende in Kooperation mit der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft NWG
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"Das auditorische System" |
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11:00 - 12:00 | "Lernen und Gedächtnis" PD Dr. Jürgen Kornmeier | Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie |
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"Visuelle Wahrnehmung" PD Dr. Jürgen Kornmeier | Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie |
13:00 - 14:00 |
Mittagspause |
14:00 -15:30 |
"Parcours optischer Täuschungen" |
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Einzutauchen in das Gehirn, zum Beispiel indem man durch ein Mikroskop blickt, gleicht dem Eintritt in einen Dschungel. Ein Dschungel aus Nervenzellen und Gliazellen, die sich mit ihren ausladenden, eng verschlungenen Fortsätzen zu einem hochkomplexen Netzwerk verknüpfen. Die Aktivitätsmuster in diesem Geflecht bilden die Grundlage all unseres Empfindens, Erlebens, und Handelns und doch verstehen wir bisher sehr wenig von diesen Mustern, die beständig in jedem unserer Gehirne ablaufen. Ebenso ist unser Wissen darüber begrenzt, wie sich die jeweils relevanten Aktivitätsmuster verändern und anpassen, um das Erlernen neuer Fähigkeiten und die Anpassung an veränderte äußere Einflüsse zu ermöglichen.
Neue Methoden der Hirnforschung bringen wortwörtlich Licht in diesen Dschungel, indem sie optische Verfahren ausnutzen um die Aktivitätsmuster der Hirnnetzwerke sichtbar zu machen. Mittlerweile sind verschiedene Verfahren verfügbar, die nicht nur eine Beobachtung der zellulären Vorgänge erlaubt, während das Gehirn arbeitet, sondern welche zudem Signalflüsse im Gehirn durch Lichtreize gezielt beeinflussen und steuern können. Da viele dieser Verfahren auf der Anwendung von fluoreszierenden Proteinen beruhen, die langfristig und beständig in Zellen eingebaut werden können, ergibt sich auch die Möglichkeit dem Gehirn beim Lernen zuzuschauen. Sprich, die Veränderungen der Aktivitätsmuster beim Erlernen einer neuen Verhaltensaufgabe können live über Tage und Wochen mitverfolgt werden.
In meinem Vortrag möchte ich Beispiele für solche Experimente geben, die diese neuen Möglichkeiten zum Erforschen des Lernens nutzen. Die gewonnenen Daten versprechen neue grundlegende Einblicke in die biologischen Mechanismen, die sinnvolle Verhaltensanpassungen ermöglichen. So hoffen wir, mit Hilfe von Licht im Dickicht des Gehirns dem Geheimnis des Lernens ein Stück näher zu kommen.
Durch die Entwicklung neuer bildgebender Methoden ist es nun möglich, das Engramm im Tier und im Menschen zu lokalisieren und seine Entwicklung zu verfolgen. Ich werde darüber sprechen, wie diese neuen Möglichkeiten zu unserem Verständnis der Gedächtnisbildung beigetragen haben: Anhand eigener Forschungsergebnisse möchte ich darlegen, dass Wiederholung eine entscheidende Rolle dabei spielt, Gedächtnisspuren im Langzeitspeicher des Gehirns abzulegen. Diese kann zum Beispiel dadurch gewährleistet werden, dass wir mehrfach ähnliche Lernerfahrungen machen. Aber auch im Schlaf werden Lerninhalte „unbewusst“ wiederverarbeitet und somit dauerhaft gespeichert.
Unsere visuelle Wahrnehmung liefert uns scheinbar ein Abbild unserer Umwelt, vergleichbar mit dem, was eine Kamera erzeugt. In Wirklichkeit ist unsere Wahrnehmung aber ein aktiver Prozess der Filterung, Verstärkung und Umformung, der es uns ermöglicht, eine effiziente und hilfreiche interne Repräsentation unsere Umwelt zu erzeugen.
Da uns unsere Sinne dafür aber mehr Informationen liefern als wir verarbeiten können kontrolliert Aufmerksamkeit dynamisch unsere Verarbeitungskapazitäten. Dies führt dazu, dass Nervenzellen in der Grosshirnrinde Informationen über aktuellen Sinnesreize mit der aktuellen Bedeutung der Reize kombinieren.
Der Vortrag wird diese Vorgänge und ihre Auswirkungen auf unser Sehen an anschaulichen Beispielen und mit aktuellen Forschungsergebnissen von Wahrnehmungsuntersuchungen an Menschen und neurophysiologischen Studien an Rhesus-Affen erläutern.
In diesem Vortrag werde ich Arbeiten von mir und vielen anderen vorstellen. Das allgemeine Thema wird die bemerkenswerte Fähigkeit der Bienen sein, sich zu erinnern und zwischen mehreren Orten im Raum zu navigieren,wie z.B. ihrem Zuhause und Nahrungsquellen (Blumen). Die Reise wird etwas von dem umfassen, was wir über diese Fähigkeiten wissen und wie diese Fähigkeiten entdeckt wurden. Es wird auch viel Inhalt von anderenInsektenarten wie Drosophila geben, wo wir dank der Genetik sehr viel darüber gelernt haben, wie das Insektengehirn funktioniert.
Ich werde diskutieren, was wir über die Neurobiologie des Gedächtnisses und der räumlichen Navigation wissen und welche Technologien Wissenschaftler entwickelt und eingesetzt haben, um diese Entdeckungen zu machen. Ich werde auf unsere laufenden Bemühungen eingehen, zu verstehen, wie sich Insekten in der freien Natur verhalten und wie sie von Insektiziden beeinflusst werden können. Abschließend möchte ich noch ein paar Worte darüber sagen, wie diese Gedanken für die Landwirtschaft, die Robotik und den Schutz der Artenvielfalt hilfreich sein können.
Wenn wir ein Foto aus unserer Kindheit betrachten, wissen wir, dass dies eine getreue Wiedergabe eines Augenblicks ist, der lange Zeit vergangen ist, aber sich aus Sicht des Kameraobjektivs genau so zugetragen hat. Das Foto ist also eine “Erinnerung” aus unserer Kindheit. Die Physik der Fotographie, basierend auf der geometrischen Optik und den chemischen Prozessen der Bildfixierung, erlaubt uns diese Aussage mit großer Sicherheit zu treffen, auch wenn schon die klassische Fotographie ab und an mit optischen Täuschungen und Manipulationen gespielt hat.
In der modernen elektronischen Fotographie können wir uns schon nicht mehr so sicher sein, ob das Abbild auf einem Foto jemals einer Realität entsprochen hat, aber zumindest kennen wir die Algorithmen, mit denen, und die Zwecke wofür digitale Bilder manipuliert werden. Wie ist es aber mit den Bildern, die wir im Kopf haben und autobiographische Episoden repräsentieren, die wir glauben erlebt zu haben? Hier gibt es immer noch vieles über die physikalischen Mechanismen zu verstehen, mit denen ein Gehirn diese Bilder “erzeugt”. Der Zweck, warum wir überhaupt episodische Erinnerungen anlegen, ist sogar weitestgehend nicht systematisch erforscht.
In meinem Vortrag werde ich letzteres zwar ausklammern, aber einen einführenden Überblick über etablierte tierexperimentelle Methoden geben, die darauf abzielen, ein physikalisch-mechanistisches Verständnis der episodischen Gedächtnisbildung zu erreichen. Diese Experimente haben zu einer Reihe mikroskopischer mathematischer Modelle geführt, zu denen auch wir beigetragen haben, und einige deren Grundideen ich vorstellen möchte.
In meinem Vortrag werde ich Ihnen ein Grundlagenforschungsprojekt zu diesem Thema vorstellen. Sie erfahren, wie wir zunächst die überwältigende Komplexität epileptischer Hirnströme auf einfachere Muster herunterbrechen, um dann Hypothesen zum Zusammenspiel dieser Muster zu entwickeln und zu überprüfen. Dabei werde ich zeigen, dass kleinere epileptische Muster schwere Anfälle möglicherweise aktiv unterdrücken. Diese Erkenntnis könnte es ermöglichen, Epilepsie effizienter durch Stimulation zu behandeln und damit menschliches Leid zu lindern.
Unser Denkorgan ist ein unfassbar großes Netzwerk, das sich elektrochemische und molekularbiologische Prozesse zunutze macht, um Information zu verarbeiten. Unsere experimentellen Methoden sind bislang nicht mächtig genug, alle darin ablaufenden und miteinander verwobenen Prozesse gleichzeitig zu beobachten. Und selbst wenn die molekularen und zellulären Phänomene, die dem Denkprozess zugrunde liegen, alle aufgezeichnet werden könnten – modernste Big Data Technology würde an der Aufgabe scheitern, allein aus diesen komplexen Daten ableiten zu wollen, wie das alles funktioniert.
Theorie hilft, Phänomene zu sortieren, Wirkmechanismen zu verstehen und neue Experimente zu organisieren. In der Physik gilt die Entwicklung einer Theorie, die experimenteller Überprüfung standhält, als wichtigstes kollektives Ziel der Forschung. Eine allgemein akzeptierte “Hirntheorie” in diesem Sinne gibt es aber derzeit nicht, und daher ist die empirische Forschung auch so verzweigt und vielfältig. Auf dem Weg hin zu so einer Theorie müssen die schon bekannten Puzzleteile sinnvoll zusammengefügt werden. Gedankenexperimente sind Planspiele, die genau das im Sinn haben. Keine neuen Messungen an Menschen, Tieren oder Zellkulturen, sondern ein Versuch, das Bekannte zu kombinieren und einen Schritt weiterzudenken. Das Potential und die Probleme einer möglichen neuen Theorie werden dann sichtbar.
Theorien sind oft in mathematischer Sprache formuliert und dem Außenstehenden nicht leicht zugänglich. Sie haben aber einen intuitiv erfassbaren Kern, der durch Zuspitzung weiter herausgearbeitet werden kann. Wie bei einer guten Karikatur versteht man dann die Idee “sofort”. Gedankenexperimente sind in Physik und Philosophie seit der Antike in Gebrauch. Im 19. Jahrhundert wurden sie in der Physik populär, um handfeste Konsequenzen und innere Widersprüche komplizierter Theorien sichtbar zu machen, ohne sich vorzeitig in mathematischen Schwierigkeiten zu verstricken. Albert Einstein beispielsweise hat diese Methode eingesetzt, um kuriose Konsequenzen seiner Relativitätstheorie für interstellare Fernreisen anschaulich zu machen.
Zwei zentrale Fragen der Hirnforschung möchte ich gedankenexperimentell angehen: “Wer zieht die Strippen im Gehirn?” und “Wie entstehen Gedanken in einem Netzwerk?” Um keinen Zweifel aufkommen zu lassen: Eine empirisch gut fundierte Beantwortung dieser beiden Fragen wird Heerscharen von Hirnforschern hundert Jahre und länger beschäftigen. Aber niemand hindert uns daran, die Gedanken schon mal auf die Reise zu schicken...
* Prof. Stefan Rotter übernimmt den Vortragstermin von Prof. Friauf (Gibt es 'Bill Gates-Synapsen').
]]>Im Laufe der letzten 100 Jahre hat es große Fortschritte bei der Diagnose und Behandlung psychischer Krankheiten gegeben. Im Vergleich zum Verständnis nicht-psychischer Erkrankungen wie Diabetes oder Influenza lässt das Verständnis psychischer Krankheiten jedoch zu wünschen übrig. Psychische Krankheiten werden oft spät erkannt und individuelle Prognosen zum Krankheitsverlauf und zum Erfolg von Behandlungen sind meist mit großer Unsicherheit behaftet.
Forschung im Bereich der Computational Psychiatry verfolgt das Ziel, Erkenntnisse aus der rechnergestützten Neurowissenschaft und dem maschinellen Lernen für die Behandlung psychischer Krankheiten nutzbar zu machen. Der Vortrag stellt diesen Ansatz vor und klärt, welche Annahmen über die Natur psychischer Krankheiten von der Computational Psychiatry vorausgesetzt werden und inwiefern ein Beitrag zum Verständnis psychischer Krankheiten erwartet werden kann.
Fliegen sind bekanntermaßen gute Flieger – und bei ihren akrobatischen Flug-Manövern spielen die großen Facettenaugen eine bedeutende Rolle. Diese liefern wichtige Signale für die Flugsteuerung. Dazu müssen die Signale der Lichtsinneszellen jedoch zunächst neuronal verarbeitet werden. Die am besten verstandene Signalverabeitung in diesem Zusammenhang ist das Bewegungssehen. Dabei werden die Signale benachbarter Lichtsinneszellen zeitlich gefiltert und anschließend miteinander verrechnet. In den vergangenen Jahren ist es gelungen, diejenigen Zellen zu identifizieren, welche diese Verarbeitung leisten.
Das Ergebnis ist ein neuronaler Mikroschaltkreis, welcher mit unglaublicher Präzision und Regelmäßigkeit das gesamte Neuropil hinter den Facettenaugen durchzieht und dazu führt, dass an jeder Stelle im Sehfeld der Fliege ein Satz von acht Nervenzellen existiert: vier für Bewegung von hellen Kanten, vier für Bewegung von dunklen Kannten, in jedem Satz je eine für Bewegung nach rechts, nach links, nach oben und nach unten. Deren Ausgangssignale werden im nächsten Schritt in unterschiedlicher Weise über das gesamte Bildfeld der Fliege von großen Neuronen zusammengefasst, welche dann über weitere Schritte die Flugmuskeln ansprechen und so den Kurs der Fliege steuern.
Unser visuelles System verarbeitet blitzschnell unvorstellbare Mengen an Informationen. Wie das anhand von Interaktionen zwischen verschiedenen Hirn-Arealen, kortikalen Schichten und erregenden und hemmenden Zelltypen funktioniert, wird seit Jahren intensiv erforscht.
In diesem Vortrag werden einige grundlegende Schaltkreise zur visuellen Informationsverarbeitung im Kortex anhand von Beispielen näher besprochen. Außerdem werden die modernen Methoden, mit denen die verschiedenen beteiligten Zelltypen im Tiermodell erkannt und gezielt manipuliert werden können vorgestellt und erläutert.
Eine Zoom-Anleitung finden Sie hier als PDF
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