Der Forschungsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe liegt auf der Untersuchung der neuronalen Aktivitäten, die Bewegungen steuern. Der motorische Kortex (mCx) erzeugt im Zusammenspiel mit den Basalganglien (BG) und dem Thalamus Signale, die über das Rückenmark an unsere Muskeln gesendet werden und zu einem kontrollierten und zielgerichteten Verhalten führen. Ist die Verbindung zwischen dem Gehirn und der Peripherie gestört, wie es beispielsweise bei einer Verletzung des Rückenmarks oder der Amputation einer Gliedmaße der Fall ist, gehen diese Fähigkeiten verloren. Mit neuroprothetischen Ansätzen ist es bereits möglich, Gehirnsignale zu nutzen, um Hilfsmittel durch spezielle Computerprogramme direkt zu steuern, ohne das verletzte Rückenmark zu beanspruchen. Die neuronale Steuerung von Hilfsgeräten ist noch recht unbeholfen. Wir führen dies darauf zurück, dass das Verständnis der verwendeten Gehirnsignale und der Interaktion zwischen dem mCx und den subkortikalen Arealen wie Thalamus und BG nicht ausreichend ist. Ziel unserer Forschung ist es mittels optogenetischen und elektrophysiologischen Techniken den subkortikalen Informationsfluss zum mCx zu untersuchen, der an der Kontrolle des flexiblen Verhaltens beteiligt ist. Wir gehen davon aus, dass die Neuronen der BG und des Thalamus die Aktivität des mCx beeinflussen und dazu beitragen, unsere motorischen Befehle an die vielfältigen Kontexte unseres täglichen Lebens anzupassen. Außerdem gehen wir davon aus, dass der mCx seinerseits auch die BG und den Thalamus beeinflussen kann, um z.B. eine erfolgreiche Verhaltensstrategie aufrechtzuerhalten. Die Optogenetik ermöglicht uns das An- oder Abschalten ganz spezifischer Zelltypen in definierten Hirnarealen. Durch die zeitgleiche Analyse von Verhaltensänderungen in Folge solcher Manipulationen gewinnen wir Informationen über die Funktion verschiedener neuronaler Netzwerke für die flexible Verhaltenssteuerung.

Die Tiere werden auf kognitive motorische Aufgaben trainiert. Futter oder Wasser stehen außerhalb des Versuchs nur restriktiv zur Verfügung. Gewicht und Allgemeinzustand der Tiere werden engmaschig kontrolliert und protokolliert. Den Tieren werden apathogene virale Vektoren und optoelektronische Sonden implantiert (Vollnarkose, Schmerzmittel) => ein Tag erhöhte Müdigkeit. Neuronale Signale werden im freibewegenden gemessen und optisch stimuliert. Die Tiere werden am Ende der Untersuchung schmerzfrei getötet. Es wird ein mittlerer Schweregrad des Versuchsvorhabens erwartet.

Die Tiere werden nach Versuchsende stets schmerzfrei mittels Barbituratinjektion transkardial perfundiert.

Neue Methoden werden zunächst an kleinen Tierkohorten getestet, bevor sie in größeren Kohorten zum Einsatz kommen. Es werden nur die minimalen Anzahlen an Tieren für die Versuche verwendet. Diese wurden biometrisch bestimmt.

Nach chirurgischen Eingriffen werden Schmerzmitteln verabreicht. Die Haltung erfolgt in Gruppen, sofern das Implantat dies erlaubt. Einstreu und Nistmaterial wird zur Verfügung gestellt. In Tierhaltung und Labor wird auf eine ruhige, geräuscharme Umgebung geachtet. Verhaltensversuche werden während der Wachphase der Tiere durchgeführt. Falls Tiere eine Infektion erleiden oder ernsthaft erkranken, werden sie vorzeitig schmerzfrei getötet.

Es gibt zahlreiche Studien im Hirnschnitt, die die Verschaltung verschiedener Zelltypen und Hirnareale untersuchen. Auch gibt es bereits eine Vielzahl an mathematischen Modellen die die Funktion einzelner Neurone bereits sehr gut simulieren. Allerdings interagieren diese Neurone gleichzeitig mit einer sehr großen Anzahl anderer Neuronen auf teilweise nichtlineare Weise, was die funktionelle Beschreibung durch Modelle sehr ungenau werden lässt. Die Auswirkungen der zellspezifischen an- und abgeschalteten Neuronentypen im Kontext des Gesamtorganismus und flexibler Verhaltensweisen muss somit immer durch Messungen im Versuchstier entdeckt werden. Es werden Mäuse der Spezies Mus Musculus mit dem genetischen Laborhintergrund C57BL/6J eingesetzt. Es sind männliche und weibliche Mäuse im Alter von 4 bis zu 67 Wochen vorgesehen. Mäuse, verfügen über die für unsere Fragen wichtigen Hirnareale der CBGT-Schleife. Außerdem sind Mäuse in der Lage, Aufgaben auszuführen, die Verhaltensflexibilität und motorische Kontrolle erfordern.