Im Rahmen dieses Projekts untersuchten unsere Forschungsteams, wie das Gehirn Lern- und Anpassungsprozesse bei der Steuerung von Verhalten ermöglicht. Im Mittelpunkt standen Hirnareale, die an Wahrnehmung, Entscheidungsfindung, Lernen und Bewegung beteiligt sind. Mithilfe fortschrittlicher bildgebender und elektrophysiologischer Verfahren bei Mäusen analysierten wir, wie große Neuronenpopulationen im gesamten Gehirn zusammenwirken, während Tiere neue Aufgaben erlernen und auf ihre Umwelt reagieren.
Ein zentrales Ergebnis des Projekts war eine in Nature Communications veröffentlichte Studie von Sara Moberg aus unserem Berliner Labor und Kolleginnen und Kollegen in Bordeaux. Die Arbeit zeigte, dass ausgewählte Gruppen von Pyramidenneuronen der kortikalen Schicht 5 während des Lernens unterschiedliche Funktionen übernehmen. Selbst innerhalb derselben Hirnschicht nahm die Aktivität einiger Neuronen mit dem Lernfortschritt zu, während andere weniger aktiv wurden oder auf andere Weise reagierten. Die Studie verdeutlicht, dass Lernen nicht durch einen einzelnen Typ von Nervenzellen gesteuert wird, sondern auf dem Zusammenspiel zahlreicher spezialisierter Neuronengruppen beruht.
Ein zweites wichtiges Ergebnis stammt aus der Studie mit dem Titel „Cortex-wide laminar dynamics diverge during learning", die von Yael E. Pollak im Labor von Ariel Gilad geleitet wurde. In diesem Projekt beobachteten wir über viele Tage hinweg die Aktivität in großen Bereichen des Gehirns, während die Tiere neue Verhaltensweisen erlernten. Dabei stellten wir fest, dass sich verschiedene Schichten des Kortex im Verlauf des Lernens unterschiedlich veränderten. Einige Schichten zeigten stabile Aktivitätsmuster, während andere sich im Zeitverlauf deutlich stärker reorganisierten. Diese Befunde legen nahe, dass Lernen das Gehirn auf koordinierte, zugleich aber hochkomplexe Weise umgestaltet.
Eine dritte Studie von Rokach und Kolleginnen und Kollegen aus dem Labor von Ariel Gilad untersuchte, wie das Gehirn Informationen in Abhängigkeit vom inneren Zustand und der Verhaltensstrategie eines Tieres verarbeitet. Die Arbeit zeigte, dass das Gehirn nicht lediglich passiv auf die Außenwelt reagiert. Vielmehr werden Wahrnehmung und Verhalten wesentlich durch interne Erwartungen, Ziele und die fortlaufende Hirnaktivität beeinflusst. Mit anderen Worten: Was das Gehirn „erwartet", kann die Verarbeitung eingehender Informationen prägen.
Zusammen liefern diese Studien ein umfassenderes Verständnis dafür, wie Lernen und Verhalten aus der Aktivität großer Hirnareale hervorgehen. Verschiedene Bereiche des Kortex agieren nicht als isolierte Regionen mit festgelegten Funktionen, sondern stehen während des Lernens und der Entscheidungsfindung in kontinuierlicher Wechselwirkung und reorganisieren sich fortlaufend. Die Arbeiten haben zur Entwicklung neuer Ansätze für die Untersuchung hirnweiter Aktivität während des Lernens beigetragen. Langfristig könnten sie zudem unser Verständnis von Erkrankungen vertiefen, die Lernen, Gedächtnis und die Gehirnfunktion beeinträchtigen.