MoVi - Computergestützte Modelle der Repräsentation und inter-arealen Kommunikation im visuellen Kortex der Maus – Netzwerkmodellierung in NEST und Erstellung von Workflows für Supercomputer

Die Struktur, Aktivität und Funktion des visuellen Systems wurden bereits ausgiebig untersucht. Es gibt jedoch kein integriertes Modell für das visuelle System der Säugetiere, das die vollständige Anzahl der Neurone und neuronalen Verbindungen (Synapsen) umfasst und gleichzeitig die Struktur, Aktivität und Funktion des Systems realistisch abbildet. Wegen der Verfügbarkeit großer anatomischer und physiologischer Datensätze ist das Mäusegehirn hierfür ein guter Startpunkt. Die visuelle Informationsverarbeitung beruht auf der Kommunikation zwischen mehreren Gebieten in der Großhirnrinde (Kortex) und im Thalamus. In diesem Projekt werden Partner des Allen-Instituts (USA) und des IAS-6, Forschungszentrum Jülich (Deutschland) Modelle multipler visueller kortikaler und thalamischer Areale des Mäusegehirns entwickeln. Es soll untersucht werden, wie verschiedene Eigenschaften der inter-arealen Verbindungen die Dynamik, die Antworten auf visuelle Reize und die inter-areale Kommunikation beeinflussen. Obwohl die anatomischen Daten ausführlich sind, müssen dennoch Lücken mittels statistischer Vorhersagen gefüllt werden. Dazu werden die Projektpartner Regelmäßigkeiten in der Hirnstruktur aufdecken und beschreiben. Ein spezifischer Aspekt, mit dem sich das IAS-6 befassen wird, sind Oszillationen um die 3-6 Hz zwischen Kortex und Thalamus, welche dem sogenannten Alpha-Rhythmus ähneln. Letzterer ist das prominenteste Merkmal des Elektroenzephalogramms des Menschen. Sowohl die 3-6 Hz Oszillationen als auch die menschlichen Alpha-Rhythmen hängen vom Erregungszustand ab. Diese Abhängigkeit und die unterliegenden Mechanismen werden untersucht. Die Modelle mit über einer Million Neurone und Milliarden von Synapsen werden in der Software NEST implementiert und auf einem Supercomputer simuliert. Für effiziente Simulationen wird das IAS-6 den Simulationscode NEST weiterentwickeln. Außerdem werden Arbeitsabläufe für die Modellkonstruktion und Validierung auf Großrechnern erstellt.