Folgt die Zellform der Funktion? – Forschungsprojekt anhand des visuellen Cortex einer Maus

Der Informatiker und Hirnforscher Prof. Alexander Ecker von der Universität Göttingen und dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) hat einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC) erhalten.

„Die Form folgt der Funktion“ – dieses Credo, das später dem Bauhaus-Stil als Grundsatz diente, prägte der Architekt Louis Sullivan zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Er hielt es für ein universelles Naturgesetz. „Ob dies allerdings auch für das Gehirn gilt, ist momentan nicht bekannt“, beschreibt Ecker den Hintergrund seiner Arbeit. „Es ist zum Beispiel noch nicht klar, wie genau die Form und die Funktion der Nervenzellen in der Großhirnrinde zusammenhängen.“ Dank neuer wissenschaftlicher Methoden können sich Ecker und sein Team nun dieser Frage annehmen. Lange Zeit war es nur möglich, entweder die Form oder die funktionelle Aktivität einer Nervenzelle zu bestimmen, nicht aber beides gleichzeitig. Dieser Herausforderung will sich die Forschungsgruppe nun stellen.

Eine wichtige Rolle wird dabei den komplexen Verschaltungsmustern der Nervenzellen zugeschrieben. Da bei der Sinneswahrnehmung unter anderem sehr viele Reize verarbeitet und verschaltet werden, sind komplexe mathematische Beschreibungen notwendig, um diese zu beschreiben. Ein großer Datensatz soll helfen, die Form und Funktion der Nervenzellen zu analysieren: Das Team greift auf Daten einer vorangegangenen Kooperation im Rahmen der US Brain Initiative zurück, welche die Anatomie und Aktivität von etwa 100.000 Nervenzellen des visuellen Cortex einer Maus umfassen. Mithilfe der ERC-Förderung wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Verfahren des maschinellen Lernens entwickeln, um diese Nervenzellen mathematisch zu beschreiben, Muster in diesen Daten zu erkennen und ihre Form und Funktion miteinander in Bezug zu setzen.

Möglich gemacht wird ein solch herausforderndes Unterfangen auch durch das Zusammenspiel der verschiedenen Forschungseinrichtungen am Göttingen Campus. Ecker ist seit 2019 Professor für Data Science an der Universität Göttingen und gleichzeitig Max-Planck-Fellow am MPIDS. An der Universität hat er seinen Lehrstuhl am Institut für Informatik und ist zudem als Vorstandsmitglied des Campus-Instituts Data Science (CIDAS) tätig, der Schnittstelle für die Zusammenarbeit im Bereich Data Science am Göttingen Campus. Sein Informatikstudium absolvierte Ecker an der Universität Tübingen, gefolgt von einer Promotion im Rahmen einer Kooperation mit dem Baylor College of Medicine in Houston (USA) und anschließender Tätigkeit als Gruppenleiter, ebenfalls in Tübingen.

Mit den Starting Grants des ERC unterstützt die Europäische Union herausragende Nachwuchsforscherinnen und -forscher beim Aufbau ihrer weiteren wissenschaftlichen Karriere. Die Fördergelder sollen ermöglichen, ein eigenständiges wissenschaftliches Profil zu entwickeln und innovative Ideen zu verfolgen.

Ecker und sein Team wollen mit dem Starting Grant herausfinden, wie Form und Funktion von Nervenzellen in der Großhirnrinde zusammenhängen. Der ERC unterstützt sein Projekt „Deep Neuron Embeddings: Data-driven multi-modal discovery of cell types in the neocortex“ fünf Jahre lang mit insgesamt 1,5 Millionen Euro.