Unsere Forschung verfolgt zwei grundlegende Ziele: Das erste Ziel ist die Überbrückung der Kluft zwischen molekularer und systemischer Neurophysiologie durch eine systematische Analyse der verschiedenen Ebenen neuronaler Organisation und ihrer Interaktionen - von Molekülen über Synapsen, Neuronen und neuronale Schaltkreise bis hin zu höheren Hirnfunktionen. Grundsätzlich wird die Funktion von Neuronen im neuronalen Schaltkreis definiert durch i) ihre Konnektivität (ii) die Stärke und Plastizität ihrer Synapsen und iii) die Regeln der Integration synaptischer Eingänge, die die bestimmen, ob Aktionspotenziale erzeugt und Signale an nachgeschaltete Neuronen weitergeleitet werden.
Diese Prinzipien sind zwar gut bekannt, aber nur lose miteinander verknüpft, und die spezifischen Details sind in den meisten Hirnregionen während des Verhaltens sind oft nur unzureichend verstanden, insbesondere in Säugetiermodellsystemen und Menschen.

Das zweite Ziel ist die Identifizierung neurobiologischer Mechanismen, durch die Risikoallele von Risikogenen für neuropsychiatrisch Erkrankungen zu kognitiven Beeinträchtigungen führen. Diese Informationen können ein wichtiger Schlüssel sein für die Entwicklung neuer Therapien. Risikoallele beeinflussen häufig die synaptische Signalübertragung und die Funktion von Neuronen. Die Extrapolation von der isolierten Analyse von Synapsen und Neuronen auf systemische, kognitive Störungen zu übertragen, ist aufgrund der komplexen Organisation neuronaler Schaltkreise schwierig.

Unsere grundlegenden Forschungsthemen sind:

• Welches sind die molekularen und biophysikalischen Prinzipien, die der Stabilität und der
  Plastizität von Synapsen als supramolekularem Proteinkomplex zugrunde liegen?
• Wie überträgt sich die neuronale Funktion auf molekularer, synaptischer, zellulärer und Schaltkreisebene auf höhere Hirnfunktionen bei sensorischer Verarbeitung?
• Welches sind die kausalen Beziehungen zwischen genetischen, molekularen, synaptischen, zellulären und systemischen
  Krankheitsmechanismen bei neuropsychiatrischen Erkrankungen?

Wir untersuchen zwei Modellsysteme. Mäuse ermöglichen den experimentellen Zugang zu allen Ebenen der neuronalen Organisation und transgene Mäuse dienen als genetische Modelle für neuropsychiatrische Erkrankungen. Ausgangspunkt ist der primäre visuelle Kortex der Maus, der ähnlich wie bei höheren Säugetieren eine komplexe Verarbeitung von visuellen Reizen ermöglicht.
Darüber hinaus sind Mäuse in der Lage, visuell basierte Verhaltensaufgaben zu lösen, die die kognitive Funktion testen und höhere Hirnregionen wie den präfrontalen Kortex einbeziehen. Darüber hinaus untersuchen wir menschliche 2D- und 3D neuronale Kulturen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) von Patienten und gesunden Kontrollpersonen abgeleitet sind und im Gegensatz zu Mausmodellen die gesamte polygene Komplexität psychiatrischer Erkrankungen abbilden.

Wir wenden modernste elektro- und optophysiologische Methoden an, wie z.B. in vivo und in vitro 2-Photonenmikroskopie, 2-Photonen-Kalzium-Imaging und Glutamat-Uncaging, Optogenetik, Schaltkreiskartierung durch Laser-Scanning-Photostimulation, korrelierte Licht- und Elektronenmikroskopie sowie Patch-Clamp-Messungen.