Forschungsprogramme in Systembiologie

Was passiert im Gehirn bei anstehenden Entscheidungen?

Unter dem Namen «SystemsX.ch» hat die Universität Zürich zusammen mit zehn anderen Schweizer Hochschulen und Forschungsinstitutionen für die nächsten vier Jahre acht grosse Forschungsprogramme in Systembiologie angeschoben.

Brigitte Blöchlinger

  (Bild: zvg)

Die Systembiologie versucht, dynamische Prozesse in biologischen Systemen quantitativ zu erfassen und in ihrer Gesamtheit zu verstehen. Beispiele dafür sind die Regulationsmechanismen in Zellen und Organen oder das Verhalten von Organismen. Ziel der Systembiologie ist es zu verstehen, wie das Verhalten der Bausteine eines Systems zur Funktionsweise des Gesamtsystems beiträgt. Mathematische Modellierung der Prozesse soll dann Vorhersagen über die Verhaltensweise des Systems ermöglichen.

Ein internationales Gutachter-Panel des Schweizerischen Nationalfonds hat aus insgesamt dreissig eingereichten Projekten acht ausgewählt, die ab diesem Jahr bis 2011 als SystemsX.ch, als Schweizer Initiative in Systembiologie, durchgeführt werden. Insgesamt stehen für die acht Forschungs-, Technologie- und Entwicklungsprojekte gut 90 Millionen Franken zur Verfügung. Die definitive Mittelverteilung erfolgt Anfang Mai.

Gehirnaktivität bei Entscheidungsprozessen

Bei einem Projekt unter dem Akronym «Neurochoice» hat die Universität Zürich die Führung. Es geht dabei um die neuronalen Wechselwirkungen im Gehirn, die der Entscheidungsfindung zu Grunde liegen. Der Prozess der Entscheidungsfindung soll auf mehreren Ebenen des Gehirns untersucht werden: auf der tiefsten Ebene der Moleküle und Zellen, auf der mittleren Ebene der zellulären Netzwerke und auf der höchsten Ebene ganzer Gehirnareale. Wie die Aktivitätsmuster auf diesen verschiedenen Ebenen zusammenhängen und als Ganzes zusammen arbeiten, ist noch weitgehend unbekannt. Im Neurochoice-Projekt soll dies nun sowohl im Experiment untersucht als auch mit Hilfe mathematischer Modelle beschrieben werden.

Die Experimente können zum Beispiel so aussehen, dass Gehirnaktivität in Situationen aufgezeichnet wird, bei denen eine «richtige» Entscheidung belohnt wird, nicht aber eine «falsche» Entscheidung. Die Situation kann dadurch interessanter gestaltet werden, dass die Belohnung bei der gleichen Ausgangslage nicht jedes Mal erfolgt, sondern nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit. Dadurch kommen die untersuchten Individuen in die Situation, dass sie abwägen müssen, was wohl für und was gegen das Eintreten der Belohnung spricht. Wie die dadurch entstehende Unsicherheit, die kennzeichnend ist für die meisten Entscheidungsprozesse, im Gehirn repräsentiert ist, soll auf den drei erwähnten Ebenen untersucht werden. Ein weiteres Ziel ist es, die molekularen und zellulären Mechanism zu verstehen, die die Entscheidungsfindung beeinträchtigen können, zum Beispiel bei Suchtverhalten.

Hirnebenen und ihr Zusammenwirken

Die Untersuchungen sollen parallel an Labortieren und im Menschen mit Hilfe überwiegend nichtinvasiver Methoden erfolgen. Auf der tiefsten, zellulären Ebene wird die Zellaktivität bei der Entscheidungsfindung mittels elektrischer Ableitungen und optischer Verfahren untersucht werden. Die mittlere Ebene umfasst Zelleinheiten von rund hundert bis tausend Zellen. Diese Ebene wurde bisher am wenigsten erforscht. Durch neue mikroskopische Verfahren, die im Rahmen dieses Projektes weiterentwickelt werden sollen, erhofft man sich hier am meisten neue Erkenntnisse. Die höchste Ebene, die die Wechselwirkung bekannter Hirnareale umfasst, wird mit Hilfe moderner bildgebender Verfahren (funktionelles Magnet-Resonanz-Imaging, fMRI) untersucht werden.

Das neu zusammengestellte Forscherteam umfasst neun Forschungsgruppen an den Universitäten Zürich, Bern, und Genf, sowie an der EPFL Lausanne. Das Team möchte die neuronalen Aktivitätsmuster im Gehirn auf allen räumlichen Skalen untersuchen und dadurch Licht in die bisher noch wenig erforschten Zusammenhänge zwischen der tiefsten, mittleren und höchsten Aktivitätsebene im Gehirn bringen. In der Hoffnung, dereinst herauszufinden, wie die drei Ebenen im Gehirn zusammenwirken.

Brigitte Blöchlinger ist Redaktorin von unipublic.

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