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Unsere Forschung

Unser Gehirn muss die unzähligen Sinneseindrücke, mit denen wir alle täglich konfrontiert werden, verarbeiten, um sich im Leben zurechtzufinden. Wir müssen kategorisieren, lernen, uns erinnern, uns anpassen und aufmerksam sein, um in unserer Umgebung angemessen reagieren und handeln zu können. Das auditorische System ist ein besonders faszinierendes Beispiel für diese Leistungen, da wir zum Beispiel Sprache stark nutzen, um Rückschlüsse auf unsere soziale Umgebung zu ziehen und mit anderen zu interagieren. Unser Labor ist an den neurobiologischen Grundlagen dieser kognitiven Aspekte des Hörens interessiert.

Zur Beantwortung unserer experimentellen Fragen setzen wir verhaltensbiologische und neurophysiologische Methoden ein. Ein Leitgedanke unserer Forschung ist eine ausgesprochen interaktive Sichtweise der Gehirnfunktion. Traditionell wurde das Gehirn einfach als ein Feedforward-System betrachtet. Dieser Ansatz ist zwar äußerst erfolgreich, vernachlässigt aber die massiven und reichhaltigen Rückkopplungen, die die einzelnen Gehirnstrukturen untereinander unterhalten. Wir glauben, dass ein umfassendes, mechanistisches Verständnis der kognitiven Aspekte des Hörens die Aufklärung der orchestrierten Funktion verschiedener Gehirnsysteme erfordert.

Die Mitarbeit am optogenetischen Cochlea-Implantat-Forschungsprogramm des Instituts für Auditorische Neurowissenschaften am Universitätsklinikum und am Programm für Auditorische Neurowissenschaften und Optogenetik am Deutschen Primatenzentrum stellt einen großen Teil unserer experimentellen Bemühungen dar. Weltweit ist eine große Anzahl von Menschen von Hörverlust betroffen. Das Gehör kann teilweise durch elektrische Cochlea-Implantate wiederhergestellt werden, die den Hörnerv direkt stimulieren. Während elektrische Cochlea-Implantate den meisten Nutzern ein offenes Sprachverständnis in Ruhe ermöglichen, gibt es noch eine Reihe von Einschränkungen. Diese Einschränkungen hängen mit der schlechten Frequenzauflösung der elektrischen Stimulation zusammen, die durch die große Stromspanne um jeden Elektrodenkontakt verursacht wird und eine grundlegende physikalische Barriere darstellt. Optogenetische Cochlea-Implantate versprechen eine wesentlich bessere Frequenzauflösung, da das Licht bequem fokussiert werden kann. Allerdings ist eine genetische Manipulation der Neuronen im Hörnerv erforderlich (siehe AG Kusch). Die Arbeiten des Forschungsprogramms für optogenetische Cochlea-Implantate des Instituts für Auditorische Neurowissenschaften an Nagetieren haben den Grundsatzbeweis für die optogenetische Manipulation von Neuronen durch viralen Gentransfer, die Aktivierung der Hörbahn und die Hörwahrnehmung durch optische Cochlea-Implantate erbracht. Bevor jedoch optogenetische Cochlea-Implantate an menschlichen Patienten getestet werden können, müssen Versuche an nicht-menschlichen Primaten durchgeführt werden, um die Wirksamkeit und Sicherheit der optogenetischen Cochlea-Stimulation zu ermitteln. Außerdem muss die Qualität der Schallkodierung durch optogenetische Mittel mit akustischer und elektrischer Stimulation verglichen werden, um die Überlegenheit der optogenetischen gegenüber der elektrischen Stimulation festzustellen. In dieser Hinsicht sind Experimente an nicht-menschlichen Primaten - insbesondere an Weißbüscheläffchen - aus mindestens drei Gründen von entscheidender Bedeutung: 1) Weißbüscheläffchen haben eine größere Cochlea als die meisten Nagetiere, was einen Vergleich und eine Extrapolation der Frequenzauflösung auf den Menschen sehr viel direkter macht, 2) das Immunsystem von nicht-menschlichen Primaten ist viel näher mit dem menschlichen Immunsystem verwandt, was adäquatere Schlussfolgerungen über optogenetische Manipulationen beim Menschen erlaubt, und 3) Weißbüscheläffchen sind - ähnlich wie der Mensch - auf vokale Kommunikation für soziales Verhalten angewiesen. Im Rahmen des Cochlea-Optogenetik-Programms tragen wir zu verhaltensbiologischen und neurophysiologischen Experimenten bei, in denen wir das Hören mit normaler akustischer im Gegensatz zu künstlicher elektrischer und optischer Stimulation bei Marmosetten untersuchen und vergleichen.

Schematisches Video eines zusammengebauten MXBI und seiner Teile, erstellt von Antonino Calapai.

Ausgewählte Publikationen

  • Group-based, autonomous, individualized training and testing of long-tailed macaques (Macaca fascicularis) in their home enclosure to a visuo-acoustic discrimination task

    Front Psychol, 2022, 13:1047242 - DOI -
  • Flexible auditory training, psychophysics, and enrichment of common marmosets with an automated, touchscreen-based system

    Nat Commun, 2022, 13:1648 - DOI -
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