20.02.2012

Nationales Bernstein Netzwerk Computational Neuroscience

Den Geheimnissen der Selbstorganisation auf der Spur

Seit Dezember 2011 ist Dr. Matthias Kaschube neuer Professor der Goethe-Universität für „Computational Neuroscience/ Computational Vision“ am Bernstein Fokus Neurotechnologie (BFNT) Frankfurt und Fellow am Frankfurt Institute for Advanced Studies. Der Physiker wird anhand quantitativer Modelle die Wahrnehmung komplexer Reize im Gehirn sowie die Entwicklung unterschiedlicher Sehsysteme von Säugetieren untersuchen. Daneben wird er die embryonale Entwicklung und Organisation von Organen erforschen. Die Forschungsprofessur wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des BFNT Frankfurt eingerichtet.

Wie sortieren und verarbeiten wir Reize, weshalb entwickelt sich das Gehirn auf eine ganz bestimmte Weise und wie organisieren sich Zellen zu Gewebe? Derartige Fragen möchte Kaschube in den nächsten Jahren mittels mathematisch-quantitativer Ansätze untersuchen. Zentral behandelt er dabei das Prinzip der Selbstorganisation. So bezeichnet man Prozesse, bei denen sich ohne äußere Einwirkung eine Ordnung einstellt. Alltagsbeispiele stellen Vogelschwärme und der Strudel im Waschbecken dar. „Selbstorganisation könnte bei der Zusammenführung unterschiedlicher Reize im Gehirn eine wesentliche Rolle spielen, etwa, dass wir Farbe, Form und Bewegung eines Objekts als Einheit wahrnehmen“, erklärt Kaschube. In diesem Zusammenhang untersucht er auch die frühkindliche Entwicklung des Sehsystems und die Ausbildung einer funktionalen Ordnung im Gehirn.

Von besonderem Interesse ist hierbei auch der Vergleich zwischen Primaten und Nagetieren, deren Sehsysteme fundamentale Unterschiede aufweisen: „Indem wir Struktur und Datenverarbeitung im Sehsystem unterschiedlicher Tiere mit quantitativen Modellen untersuchen, können wir sie besser miteinander vergleichen. Das erlaubt uns sowohl allgemeingültige Prinzipien zu beschreiben als auch ganz spezifische Anpassungen ausfindig zu machen“, erklärt Kaschube. Bereits in der Vergangenheit arbeitete er dafür eng mit Wissenschaftlern wie Siegrid Löwel, Fred Wolf und Matthias Bethge aus dem Bernstein Netzwerk zusammen.

Zudem wird der aus Frankfurt stammende Wissenschaftler ein physikalisches Verständnis zur Gewebs- und Organbildung erarbeiten. Gemeinsam mit Eric Wieschaus, USA, entwickelte er eine Methode, um aus zweidimensionalen Mikroskopie-Bildern des Fruchtfiegenembryos die dreidimensionale Form und Veränderung von Zellen zu berechnen. Damit lässt sich genau verfolgen, wie sich durch den kollektiven Umbau tausender Zellen Körperstrukturen herausbilden. Solch detaillierte Messungen ermöglichen auch die Entwicklung von Computermodellen, mit deren Hilfe sich die komplexen Prozesse während der frühen Embryonalentwicklung besser untersuchen lassen. Dies kann möglicherweise auch dem Verständnis von Wundheilung und Wachstum von Tumoren dienen.

Am Bernstein Fokus Neurotechnologie (BFNT) Frankfurt wird Kaschube unter anderem in Projekten mit Visvanathan Ramesh, Christoph von der Malsburg und Jochen Triesch die Prinzipien der Selbstorganisation im Bereich des autonomen Lernens und der Reizverarbeitung bei natürlichen und künstlichen Sehsystemen einbringen.

Kaschube studierte anfangs Philosophie und Physik in Frankfurt, bevor er nach dem Vordiplom für Physik nach Göttingen wechselte. „In der Philosophie haben mich neurowissenschaftlich orientierte Themen sehr interessiert, wie Wahrnehmung und Bewusstsein. Aber die sehr konkreten Werkzeuge der Mathematik und Physik liegen mir deutlich besser“, meint Kaschube. Im Labor von Prof. Theo Geisel am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und Bernstein Zentrum Göttingen kam er erstmals in Berührung mit dem interdisziplinären Feld der Computational Neuroscience. In der Gruppe von Geisel fertigte er schließlich seine Diplom- und Doktorarbeit an und war im Anschluss für ein Jahr Bernstein Fellow, bevor er fünf Jahre am Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics, Princton, USA, forschte und lehrte.

Der Bernstein Fokus Neurotechnologie Frankfurt ist Teil des Nationalen Bernstein Netzwerks Computational Neuroscience (NNCN). Das NNCN wurde vom BMBF mit dem Ziel gegründet, die Kapazitäten im Bereich der neuen Forschungsdisziplin Computational Neuroscience zu bündeln, zu vernetzen und weiterzuentwickeln. Das Netzwerk ist benannt nach dem deutschen Physiologen Julius Bernstein (1835-1917).

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