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Projekte: Verhaltensphysiologie in der Psychiatrie

Bähner F. 3rd CIMH Young Investigator Award : Friends or food – are there medial prefrontal circuits dedicated to social decision making?. 11/2017-10/2020.

Rewarding social interactions are fundamental for neurocognitive development, maintenance of relationships and are impaired in psychiatric disorders. The question how the brain represents social reward value during decision making is fundamental for an understanding of higher social functions like pro-social behavior. Human neuroimaging experiments have shown that macroscopic brain activations overlap during decisions based on both social vs. non-social reinforcers but the spatial resolution is not sufficient to decide whether this is also true at the microcircuit level. This project aims to use novel decision making tasks in rats together with physiological methods to test whether there are common or distinct neural circuits for social and non-social decision making. It aims to provide novel answers to the fundamental question how our desire for social contact influences our choices

DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft : Netzwerkdynamiken und computationale Mechanismen des Regellernens II. 10/2016-09/2019.

Lernvorgänge bei Tieren werden häufig als eher langsame, graduelle Prozesse angesehen, die in der inkrementellen Stärkung assoziativer Verbindungen zwischen Stimuli, Reaktionen und Rückmeldungen aus der Umwelt bestehen. Basierend auf statistischen Analysen individueller Lernvorgänge und Beobachtungen zu plötzlichen Sprüngen zwischen Regel-repräsentierenden neuronalen Populationszuständen im präfrontalen Kortex (PFC) etabliert sich in den letzten Jahren aber zunehmend die Sichtweise vom Lernen als aktivem Inferenz- und Entscheidungsprozess. Ergebnisse aus der letzten Antragsperiode legen nahe, dass 'neuronale Sprünge' eher den Wechsel der Entscheidung bzgl. alternativer Regeln abbildet, als einen durch Unsicherheit initiierten Übergang in eine Explorationsphase, und dass dieser Wechsel durch das dopaminerge System beeinflusst wird. Basierend auf diesen und anderen Beobachtungen werden wir drei weitergehende Fragestellungen mithilfe einer Kombination aus Multizellableitungen, optogenetischen Manipulationen und fortgeschrittenen Zeitreihen- und auf computationalen Modellen basierenden statistischen Analysemethoden untersuchen: 1) Wie genau sind neuronale Zellverbände im PFC und im ventralen tegmentalen Areal (VTA) während des Regellernens zeitlich koordiniert und welche Einflüsse hat Dopamin im Einzelnen auf verschiedene computationale Teilprozesse (z.B. Werteinferenz oder Antwortselektion); 2) Können von uns postulierte Modelle der zugrundeliegenden neurodynamischen Mechanismen die in verschiedenen PFC-Arealen beobachteten Aktivitätsmuster unter unterschiedlichen experimentellen Bedingungen prädizieren und erklären; 3) Lassen sich bestimmte, mit einfacheren Modellen nur schwer erklärbare Verhaltensbeobachtungen in diesem Kontext durch Modelle des Strukturlernens und der aktiven Informationssuche erfassen, und wie sind diese höheren Prozesse neuronal realisiert? Zentraler Gedanke unseres Projektes ist damit weiterhin, Regellernen als aktiven Inferenzprozess in seinen neurophysiologischen, -dynamischen und -computationalen Grundlagen zu verstehen. Animal learning is often conceived as a gradual process that develops over many trials and involves the incremental strengthening of associations among stimuli, responses, and outcomes. However, in recent years there is mounting evidence that animal learning is better understood as an active inference and decision making process. This view comes from careful statistical examination of the individual, trial-by-trial learning progress, and from the observation of sudden transitions among neural ensemble states coding for different behavioral rules in prefrontal cortex (PFC) which accompany the learning process. Results from the last funding period suggest that a) these sudden neural transitions may reflect a change in choice between the different rules (following a crossover of value signals) rather than reflecting a period of uncertainty and/or exploration, and b) that dopamine may also primarily affect the choice process rather than value updating. Building on these results and other observations, here we aim to further validate and extend our current understanding along three major directions, using a combination of multi-tetrode recordings, optogenetic manipulations, and advanced time series and computational model based analysis of the learning process: 1) We will dissect in more detail the task periods during which dopamine input is most crucial, how dopamine neuron activity is coordinated with PFC activity as the task progresses, and how it impacts on various subcomponents of rule learning like action selection and value updating; 2) We will address in more detail specific hypotheses regarding the neurodynamical mechanisms underlying the active inference process in various subdivisions of the rat PFC; 3) Through variations of the basic behavioral task design, we will further explore learning in terms of structural inference and active information seeking. Thus, we will continue toward our goal of a comprehensive understanding of rule learning as active inference at the neurophysiological, neuro-dynamical, and neuro-computational levels.

Bähner F. DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft BA 5382/1-1: Verarbeitung präfrontaler und phasischer dopaminerger Signale im ventralen Striatum während eines rule switching-Paradigmas. 11/2014-02/2019.

Individuen lernen häufig durch Feedback, welche Stimuli voraussagen, ob ein Verhalten belohnt wird. Sobald Hinweisreize ihren prädiktiven Wert verlieren, müssen bestehende Verhaltensregeln aktualisiert werden. Die dafür benötigte kognitive Flexibilität und die beteiligten Hirnregionen finden sich bei vielen Säugern. Zu den relevanten Hirnstrukturen zählen der Nucleus Accumbens (NAc) im ventralen Striatum und der mediale präfrontale Kortex (mPFC). Dopamintransienten signalisieren Belohnungserwartung und unterdrücken die Interaktion von mPFC und NAc. Wir planen insbesondere den NAc der Ratte zu untersuchen, der eine zentrale Schnittstelle zu bilden scheint, über die belohnungsabhängiges Verhalten optimiert wird. Die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen kognitiver Flexibilität sind jedoch weitgehend unbekannt. Wir werden ein operantes „strategy set shifting“-Paradigma verwenden, um diese Mechanismen mit Tetrodenableitungen und Voltammetrie-Messungen im NAc und mPFC zu untersuchen. Zusammenfassend soll dieses Projekt die Beziehung von neuronalen Repräsentationen im NAc zur flexiblen Anpassung von Verhaltensregeln und deren Modulation durch Dopamintransienten untersuchen. Ergebnisse dieser Experimente könnten auch Ansatzpunkte für das Verständnis von neuropsychiatrischen Krankheitsbildern liefern, die mit Defiziten in der kognitiven Flexibilität einhergehen. In novel situations individuals often learn through feedback which cues predict reward. Information about actions and their consequences needs to be updated whenever rules switch. Rule switching and the involved brain circuits are conserved across mammals. These brain circuits contain the nucleus accumbens (NAc) of the ventral striatum and the medial prefrontal cortex (mPFC). Dopamine (DA) transients both predict rewards and suppress interactions of mPFC and NAc. We will focus on the NAc that has been proposed to serve as a central gateway where converging inputs help to optimize reward outcome. Yet, the neuronal mechanisms of rule switching are largely unknown. To study the neural correlates of rule switching in freely moving rats, we propose to perform tetrode recordings and fast scan cyclic voltammetry in NAc and mPFC during performance of an operant version of a strategy set shifting paradigm. In summary, our project shall help to understand the role of DA transients in rule switches and associated NAc representations. These findings have implications for cognitive flexibility that is impaired in major neuropsychiatric disorders.

Meyer-Lindenberg A. BMBF - Bundesministerium für Bildung und Forschung 01GQ1003B: BCCN TP C7: PFC-HC coupling in schizophrenia. 05/2010-04/2015.



Zentralinstitut für Seelische Gesundheit (ZI) - https://www.zi-mannheim.de