Bernstein Network Computational Neuroscience

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Bernstein Network Computational Neuroscience

Im Fokus

Simulation Lab Neuroscience / Bernstein Facility für Simulations- und Datenbanktechnologie

Aktuelle Publikationen

Feintuning im Gehirn – Der Eingang zählt!

Wissenschaftler im Porträt

Im Interview: Sonja Grün und Markus Diesmann

Mitteilungen und Termine

Personalia – Bernstein Koordinationsstelle besucht Forschungszentrum Jülich – 7. Bernstein Sparks Workshop – SMART START – Multilaterale Zusammenarbeit in Computational Neuroscience: Deutschland - USA - Israel - Frankreich – Pro-Test Deutschland

09/2015

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Im Fokus

Simulation Lab Neuroscience / Bernstein Facility für Simulations- und Datenbanktechnologie

Wie eine Armee aus blinkenden Metallschränken stehen die großen rechteckigen Einheiten – auch Racks genannt– des Supercomputers in Reih und Glied nebeneinander. Abigail Morrison befindet sich vor einer großen Fensterfront, von der man auf den Supercomputer JUQUEEN heruntersehen kann. „Mit dem Simulation Lab Neuroscience möchten wir die Brücke zwischen dem Höchstleistungsrechnen und der Hirnforschung schlagen“, erklärt sie. „Unsere Aufgabe umfasst sowohl Forschung als auch die Unterstützung der wissenschaftlichen Nutzer.“

Das Simulation Lab Neuroscience ist eines von mehreren Simulation Labs am Jülich Supercomputing Centre. Simulation

Labs – kurz SimLabs genannt – entstanden aus der Beobach- tung, dass Jülich zwar europaweit führend auf dem Gebiet des Höchstleistungsrechnens ist – die Rechner jedoch nicht immer optimal von der Wissenschaft genutzt werden. „Das Höchstlei- stungsrechnen ist ein Fach für sich. Die entsprechenden Pro- grammiermodelle lernt man nicht unbedingt im Rahmen einer normalen wissenschaftlichen Ausbildung. Wir sind daher da, um Neurowissenschaftler bei der Nutzung von Supercomputern zu unterstützen“, sagt Morrison. Als wissenschaftliche Leiterin hat sie das SimLab Neuroscience federführend mit aufgebaut.

Häufig helfen Morrison und ihr Team indem sie einen bereits existierenden Programmiercode für den Einsatz auf einem Höchstleistungsrechner optimieren. In anderen Fällen gibt es eine interessante wissenschaftliche Fragestellung, aber noch keine geeignete Methode. „Dann erstellen wir gemeinsam mit dem Wissenschaftler einen Code, um das Problem auf die Maschine zu bringen.“ Dabei muss es sich nicht zwangsweise um einen Jü- licher Rechner handeln – die Simulation oder Datenanalyse kann auch an einem lokalen Rechenzentrum erfolgen. Möchten exter- ne Forscher einen der Höchstleistungsrechner in Jülich nutzen, so assistiert das SimLab ihnen bei der Beantragung der Rechenzeit.

„Unser zweites Standbein ist Methodenforschung“, berichtet Morrison. Das SimLab verbessert unter anderem Algorithmen und Workflows für die Datenerfassung und -analyse. Die Weiter- entwicklung geschieht dabei so praxisnah wie möglich. „Oft su- chen wir uns Kooperationspartner mit einem Problem an dem wir gerade arbeiten – wobei sie manchmal noch gar nicht wissen, dass sie dieses Problem haben“, schmunzelt Morrison. Gemein- sam analysieren sie dann etwa den Ablauf der Datenanalyse:

Welche Ressourcen können eingesetzt werden um effizienter zu arbeiten? Können bestimmte Schritte der Datenverarbeitung ver- kürzt werden, die einen zeitlichen Flaschenhals darstellen?

Der Supercomputer JUQUEEN

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JUQUEEN der schnellste Super- computer Europas. Er erreicht eine maximale Rechenleistung von 5,9 Petaflops oder Rechenoperationen pro Sekunde. Anders ausgedrückt:

Um diese Leistung zu erreichen, müsste bei der derzeitigen Weltbe- völkerung jeder Mensch sekünd- lich knapp 800 Rechenschritte er- ledigen. Nach nur zwei Jahren hat JUQUEEN nun neue Gesellschaft bekommen: Direkt neben ihm reiht sich der neue Hochleistungsrechner JURECA auf. Er ist seit Mitte Juli in Betrieb und arbeitet als Cluster- rechner mit dem Betriebssystem Linux – das vielen Nutzern bereits von ihrem Personal Computer vertraut ist.

„Um die Hemmschwelle vor der Nutzung von Supercompu- tern zu senken und interessierten Wissenschaftlern Chancen und Möglichkeiten für ihre Forschung aufzuzeigen, organisieren wir in regelmäßigen Abständen Workshops“, erklärt Morrison und macht auf den nächsten Workshop Supercomputing for Neuro- scientists aufmerksam (siehe auch Mitteilungen und Termine).

Aber auch sonst kann man jederzeit in Kontakt mit den Mitglie- dern des SimLab Neuroscience treten: „Wir freuen uns immer interessante Projekte tatkräftig unterstützen zu können.“

Eine weitere Forschungsaufgabe des SimLab Neuroscience ist die Entwicklung spezieller Simulations-, Datenbank- und Virtual- Reality-Technologien für Supercomputer. Mehrere Mitarbeiter des SimLabs sind aktiv an der Weiterentwicklung der Simulations- software NEST beteiligt. Hierbei besteht eine enge Zusammen- arbeit mit Markus Diesmann und seiner Arbeitsgruppe, die nur ein paar Gebäude weiter auf dem weitläufigen Campus des For- schungszentrum Jülich sitzen.

Diesmann selbst ist dem SimLab Neuroscience von Beginn an sehr verbunden: Durch seine Initiative gehört das SimLab seit seiner Gründung Anfang 2013 zum Bernstein Netzwerk, wo es als Bernstein Facility für Simulations- und Datenbanktechnologie fungiert. „Idee unseres Beitritts war es, dem Netzwerk unsere besonderen Kompetenzen zur Verfügung zu stellen. Selbstver- ständlich kann jeder Neurowissenschaftler auf unsere Dienste zurückgreifen – durch die Partnerschaft im Bernstein Netzwerk erhoffen wir uns jedoch, noch leichter mit Neurowissenschaftlern in Kontakt zu kommen. Auch gibt es gerade mit den Netzwerkmit- gliedern große Berührungsstellen in der Simulation und Daten- bankanalyse“, sagt Morrison.

So arbeitet das SimLab zum Beispiel mit Petra Ritter aus Ber- lin zusammen. Ritter entwickelt unter anderem im Rahmen des Projekts Zustandsabhängigkeit des Lernens im Bernstein Fokus Neuronale Grundlagen des Lernens den Virtual Brain Simulator.

Das ist ein Computermodell des gesamten menschlichen Gehirns welches mithilfe verschiedener bildgebender Verfahren erstellt wurde. Es erlaubt, das Gehirn auf verschiedenen Ebenen zu analysieren und simulieren. Derzeit versuchen das SimLab und Ritter eine Software für parallele Datenverarbeitung zu erstellen, welche längere Simulationen ermöglicht.

Morrison schaut durch die gläserne Fensterfront auf die Hochleistungsrechner hinunter. Bei seiner Einweihung 2013 war

Im Fokus

Abigail Morrison hat das SimLab federführend mit auf- gebaut.

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Aktuelle Publikationen

Feintuning im Gehirn

Wenn Menschen nach der Geburt zum ersten Mal die Augen öffnen, existieren schon Nervenzellen im Sehzentrum des Ge- hirns, die auf gewisse Reize spezialisiert sind – aber sie sind unsystematisch miteinander verbunden. Wie entstehen im Lau- fe der Zeit neuronale Netzwerke, die ausgeprägt auf bestimmte Eigenschaften des Reizes reagieren? Um diese Entwicklungs- schritte besser verstehen und die komplizierten Prozesse der Reorganisation erklären zu können, hat nun ein internationales Forschungsteam ein Computermodell entwickelt, das die biologischen Abläufe genau nachvollzieht. Die Ergebnisse der Studie von Stefan Rotter, Bernstein Center Freiburg (BCF) und Exzellenz- cluster BrainLinks-BrainTools der Albert-Ludwigs-Universität, in Zusammenarbeit mit Claudia Clopath vom Imperial College Lon- don/England sind nun in den Fachjournalen PLOS Computational Biology und PLOS ONE erschienen.

„Mit unserem Modell ist es uns erstmals gelungen, typische Eigenschaften von biologischen neuronalen Netzwerken in Tieren und Menschen in einer Computersimulation sinnvoll zu kombi- nieren“, berichtet der Neurowissenschaftler Sadra Sadeh vom BCF. „Die Netzwerke benutzen das Prinzip der Rückkopplung, um Nervenzellen im Sehsystem zu effizienten Merkmalsdetektoren zu machen. Zudem können in ihnen die Kontaktpunkte zwischen den Zellen – die Synapsen – in Lernprozessen genau abgestimmt werden.“ Die Kombination dieser beiden Eigenschaften sei in Computermodellen schwer zu kontrollieren, da sie leicht zu einer Aktivitätsexplosion im Netzwerk führen könne – ähnlich wie bei einem epileptischen Anfall. Um die Aktivität im Netzwerk stabil zu halten, bezogen die Forscherinnen und Forscher hemmende Synapsen in den Lernprozess ein, die die Erregung im Netzwerk kontrollieren.

Forscher können das Computermodell nun dazu nutzen, unterschiedliche Entwicklungsprozesse im Sehzentrum des Gehirns zu simulieren. Damit können sie beispielsweise nachvollziehen, wie sich Verbindungen zwischen Nervenzellen verändern, wenn diese nach der Geburt erstmals Reize von beiden Augen erhalten. Solche Prozesse spielen bei frühkindlichen Sehstörungen wie etwa dem angeborenen Schielen eine Rolle. „Auf lange Sicht könnte das Modell sogar ermöglichen, bessere Strategien für die Behandlung solcher Erkrankungen zu entwickeln“, sagt Rotter.

Warum aber verändern die neuronalen Netzwerke ihre Struk- tur durch Seherfahrung, wenn doch Nervenzellen bereits im Mo- ment des Augenöffnens auf bestimmte Reize spezialisiert sind?

Eine Antwort auf diese Frage fand das Team in einer parallelen Studie. „Mit dem direkten Vergleich von unerfahrenen und aus- gereiften Nervenzellnetzwerken konnten wir in Simulationen zeigen, dass durch die bevorzugte Verknüpfung von Neuronen mit gleicher Funktion die besonders informationstragenden Kom- ponenten eines Reizes nochmals verstärkt werden“, erläutert Rotter. Somit können Menschen zwar schon beim ersten Augen- öffnen alle Reize verarbeiten, doch die Wahrnehmung wird durch das Feintuning der Nervenzellverbindungen deutlich verbessert.

Sadeh S, Clopath C & Rotter S (2015): Emergence of functional specificity in balanced networks with synaptic plasticity. PLOS Computational Biology 11(6): e1004307.

doi: 10.1371/journal.pcbi.1004307

Sadeh S, Clopath C & Rotter S (2015): Processing of feature selectivity in cortical networks with specific connectivity. PLOS ONE 10(6): e0127547.

doi: 10.1371/journal.pone.0127547

Durch Seherfahrung ver- stärken sich Verbindun- gen zwischen Nerven- zellen, die auf ähnliche Reize reagieren (dicke Striche), während andere Verknüpfungen abge- schwächt werden (dünne Striche).

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Aktuelle Publikationen

Der Eingang zählt!

Während der Wahrnehmung sensorischer Reize sind die Ak- tivitäten kortikaler Neurone weniger verrauscht und ihre Korrela- tion untereinander wird schwächer. Diese beiden Aktivitätsmerk- male könnten wesentlich zur optimalen Darstellung sensorischer Information im Gehirn beitragen. Die Mechanismen, welche die kortikale Antworten auf sensorische Eingänge bestimmen, geben Wissenschaftlern bereits seit Jahrzehnten Rätsel auf. Nun gibt es neue Hinweise, wie sie verstanden werden können.

Alejandro F. Bujan, Ad Aertsen und Arvind Kumar vom Bernstein Center Freiburg zeigen in ihrem kürzlich veröffentlich- ten Artikel im Journal of Neuroscience, dass die statistischen Ei- genschaften des Eingangssignals bei der Generierung kortikaler Antwortmuster eine Schlüsselrolle spielen und eine effiziente Darstellung dieser Signale ermöglichen könnten. Für dieses Er- gebnis griffen sie auf Computersimulationen der Aktivität einzelner Neurone sowie ganzer neuronaler Netzwerken zurück und analysierten die Auswirkungen verschiedener Signalstatistiken auf das Antwortverhalten kortikaler Neurone.

Frühere Ansätze zur Entstehung neuronaler Antworten im Cor- tex zu sensorischer Reizung beruhten auf der Annahme, dass die Antwortmuster hauptsächlich durch die Verbindungen zwischen Neuronen in den aktivierten Hirnregionen bestimmt sind. Aller- dings konnten einige dieser Modelle den Rückgang funktioneller Kopplung (d. h. der Korrelationen) zwischen Neuronen nicht er- klären. Wie Bujan und Kollegen in ihrem Artikel verdeutlichen, haben diese Modelle einen wesentlichen Beitrag, nämlich den Faktor, der die Antwortmuster überhaupt erst auslöst, nicht be- rücksichtigt: das sensorische Eingangssignal!

Die theoretische Studie der Wissenschaftler führt eine neue Methode zur Klassifizierung der Eingangsmerkmale ein, mit der

der Beitrag des Eingangssignals zur kortikalen Antwort besser verstanden werden kann. Wie die Autoren zeigen, haben einige Merkmale des Eingangssignals hauptsächlich Auswirkungen auf der Ebene einzelner Neurone, während andere ganze Neuronen- gruppen beeinflussen. Dementsprechend bestimmen Eingangs- merkmale, die einzelne Neurone beeinflussen, das Ausmaß der hervorgerufenen Aktivitätsmodulation, wohingegen solche, die sich auf Neuronenpopulationen auswirken, festlegen, wie die kortikale Aktivität modifiziert wird. Die Autoren legen außerdem nahe, dass diese Klassifizierung in einem natürlichem Verhältnis zu der Art steht, in der Nervenzellen ihre axonale Projektionen in den Kortex aussenden.

Das neue Modell von Bujan und Kollegen ermöglicht eine neue Sicht auf die Art und Weise, in der reizevozierte Aktivitäts- muster sowohl von Verbindungen innerhalb des Cortex, als auch von afferenten Verbindungen, die das Eingangssignal von den Sensoren in den Cortex weiterleiten, geprägt werden, und so eine optimale Darstellung des Eingangssignals in der kortikalen Netz- werkaktivität gewährleisten.

Schematische Darstellung der kortikalen Antwort auf ein Ein- gangssignal (“Stimulus”). Die Achsen in diesem Schema stel- len drei wesentliche Merkmale neuronaler Aktivität dar. Die kortikale Aktivität ist durch aus- gefüllte Kreise dargestellt. Der schwarze Kreis steht für Ruheak- tivität, und der grüne, gefüllte Kreis für die Aktivität, die durch den Reiz hervorgerufen wird (“evoziert”). Die gestrichelte ro- te Linie zeigt die “Richtung” der Modulation (grüner, leerer Kreis), die den Beitrag der Eingangsmerkmale zur Aktivität der Neuronenpopulation darstellt. Der rote Pfeil deutet das Ausmaß der Änderung an, das durch die Eingangsmerkmale (grüner, leerer Kreis) auf der Ebene einzelner Zellen und die Ruheaktivität (schwarzer Kreis) bestimmt wird.

Bujan AF, Aertsen A & Kumar A (2015): Role of input correlations in shaping the variability and noise correlations of evoked activity in the neocortex. Journal of Neuroscience 35(22):8611 – 8625.

doi:10.1523/jneurosci.4536-14.2015

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Wissenschaftler im Porträt

Im Interview:

Sonja Grün und Markus Diesmann

Erzählen Sie uns, wie Sie zur Wissenschaft gekommen sind.

Diesmann: Für mich war irgendwie schon immer klar, dass ich Wissenschaftler werden wollte. Das hab ich bereits den Lehrern in der Grundschule gesagt. [kurze Pause]

Grün: Ja, aber wie ging es dann weiter? Ist ja ein weiter Weg von der Grundschule bis zur Wissenschaft...

Diesmann: Durch die Beschäftigung mit Computern bin ich während der Schule auf das Thema Gehirn gekommen und schwankte dann, was ich studieren sollte. Zuerst wollte ich In- formatik und Psychologie machen, aber hab mir dann überlegt, zunächst doch etwas Grundlegenderes zu machen. Das war dann Physik, was ich in Bochum studiert habe. Während meines Aus- landjahres an der University of Sussex bin ich dann wieder zum Thema Gehirn gekommen und habe auch für meine Diplomarbeit ein Thema aus den Neurowissenschaften bearbeitet.

Grün: Bei mir war das weniger offensichtlich. Ich kann mich nur erinnern, dass ich als Kind in der Grundschule gesagt habe, ich möchte ein Leben lang lernen – und das interpretiere ich im Nachhinein schon so, dass ich Wissenschaftlerin werden wollte, schließlich lernt man in der Wissenschaft täglich dazu! Der Weg selber war aber wesentlich weniger direkt als bei Markus. Ich habe erst eine Lehre als Informationselektronikerin bei IBM gemacht. Da ich jedoch nicht lebenslang Drucker reparieren wollte, habe ich auf dem zweiten Weg das Abitur nachgemacht. Mit der Hirnforschung bin ich zum ersten Mal über ein Seminar am Max- Planck-Institut für Biologische Kybernetik in Tübingen in Kontakt gekommen, noch als ich Psychologie studiert habe. Zwar habe ich die Psychologie kurz danach für ein Physikstudium aufgege-

ben – im Hauptstudium bin ich aber wieder am MPI [Anmerkung:

Max-Planck-Institut] gelandet. Dort hab ich meine Diplomarbeit gemacht und mich in die Hirnforschung verliebt.

Wie ging es dann weiter?

Diesmann: In meiner Diplomarbeit ging es um die Idee der synfire chains von Moshe Abeles. Demnach gibt es im Gehirn Netzwerke, die so gebaut sind, dass sie präzise aufeinander ab- gestimmte Aktionspotentiale weiterleiten können. Marc-Oliver Gewaltig und ich wollten das gemeinsam in Simulationen nach- bauen. Dafür haben wir uns Kopien aus Moshes hebräischem Laborbuch besorgt. Die waren für uns natürlich nicht so leicht zu- gängig, sodass wir sie mit Moshes Hilfe durchgearbeitet haben.

Hier sind die Ursprünge des NEST-Simulators entstanden, mit dem ich mich noch immer beschäftige. Und damals bin ich auch auf Sonja getroffen.

Grün: Ich habe wie gesagt meine Diplomarbeit am MPI für Biologische Kybernetik bei Ad Aertsen und Hermann Wagner gemacht. Dabei habe ich mich mit der Schalllokalisation von Schleiereulen beschäftigt, wozu es bereits experimentelle Daten gab. Meine Aufgabe war es, ein Modell zu erstellen, mit dem man die Daten modellieren und simulieren – sprich verstehen – konn- te. Als Ad nach Bochum gegangen ist, bot er mir dort eine Pro- motionsstelle an. Nach einem Jahr kamen Markus und Oliver um eine Diplomarbeit bei ihm zu machen. Markus und Oli waren ja schon zu der Zeit unzertrennlich.

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Diesmann: Ich selbst bin 1996 für knapp zwei Jahre nach Frei- burg gezogen als Ad den Ruf an die dortige Universität bekommen hat. Danach bin ich als Arbeitsgruppenleiter an das Max- Planck-Institut für Nichtlineare Dynamik und Selbstorganisation zu Theo Geisel gegangen. Tom Tetzlaff hat bei mir seine Di- plomarbeit angefangen. Später sind Abigail Morrison und Sven Goedeke dazugekommen. Inhaltlich habe ich mich weiter mit Fragen zur Nervenzellaktivität in Netzwerken beschäftigt. Wir haben versucht uns zu immer realistischeren Modellen vorzu- arbeiten. Die Zusammenarbeit mit Sonja ging dabei kontinuier- lich weiter. Gerade die Zeit, wo Sonja am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt war, war sehr effizient.

Grün: So weit sind wir bei mir noch gar nicht gekommen...

Als ich mit meinem Postdoc in Israel fertig war, bin ich 1998 als Senior Postdoc an das MPI dort gewechselt, wo in der Abteilung von Wolf Singer eine eigene Arbeitsgruppe aufgebaut habe. Nach der Zeit bei Moshe habe ich nicht mehr selbst Experimente gemacht, stattdessen habe ich mich auf Datenanalyse und Ana- lysemethoden konzentriert und mit Experimentatoren zusam- mengearbeitet, wie etwa mit Leuten aus dem Singer Labor. Ende 2002 habe ich dann eine Forschungsdozentur – ein Vorläufer der Juniorprofessur – des Stifterverbandes für die Deutsche Wis- senschaft bekommen. Randolf Menzel in Berlin hatte sich zuvor dafür eingesetzt und mich an sein Institut für Neurobiologie an die Freie Universität geholt. Mit der Zeit ist meine Arbeitsgruppe dort immer mehr gewachsen. Gleichzeitig habe ich an meiner Ha- bilitation gearbeitet. Durch meine Kontakte zu Ad Aertsen habe ich die Lehre an der Universität Freiburg gemacht, wo ich mich 2003 in Neurobiologie und Biophysik habilitierte. Erst 2006 hat- ten wir dann endlich wieder einen gemeinsamen Wohnort finden können.

Diesmann: Da fehlt jetzt aber noch ein Stück von mir... Zum Aufbau des Bernstein Centers bin ich Ende 2003 als Juniorpro-

Wissenschaftler im Porträt

Diesmann: Sonja hat uns beim Institutsleiter Schreibtische besorgt. Das war schon sehr hilfreich...

Grün: Und dann bin ich angemacht worden, ich sei ein ver- wöhnter MPI-Bengel, weil ich Schreibtische für zwei Diplomanden wollte...

Diesmann: Wir haben erst unterschiedliche Themen bearbei- tet: Sonja die Analyse elektrophysiologischer Daten und ich die synfire chain-Geschichten.

Grün: Unsere Zusammenarbeit hat sich intensiviert als wir mit Ad ans Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel, gegangen sind. Das war 1994. Wir haben gemeinsam Daten mithilfe einer Analysemethode ausgewertet, die ich in meiner Doktorar- beit entwickelt habe. Auch privat sind wir zu dieser Zeit ein Paar geworden.

Diesmann: Zu dem Zeitpunkt habe ich mittlerweile selbst als Doktorand gearbeitet. Wir waren aber nicht lange gemeinsam am Weizmann Institute: Nachdem Sonja mit ihrer Promotion fertig war, ist sie als Postdoc zu Moshe Abeles an die Hebrew University in Jerusalem gegangen.

Grün: Das war eine sehr wichtige Phase in meiner Ausbildung.

Mithilfe von Multielektrodenableitungen haben wir am Affen untersucht, wie Bewegung und Bewegungsplanungen im Cortex repräsentiert sind. Auf diese Weise habe ich den Weg vom Tier über die Datenerfassung zum Computer kennengelernt. Wenn ich diesen Einblick nicht gehabt hätte, würde ich heute nicht so gut mit Experimentatoren zusammenarbeiten können. Und natürlich ist es eine tolle Sache mit Moshe Abeles zu arbeiten. Er ist krea- tiv, hat verrückte Ideen und man muss sehr gut nachdenken.

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fessor nach Freiburg gegangen. Mit der Implementation eines Tenure Track hat die Universität aber, sagen wir mal, gezögert.

Gleichzeitig war die Distanz zwischen mir in Freiburg und Sonja in Berlin langfristig auch keine gute Idee. Dann schrieb das RIKEN Brain Science Institute in Wako City, Japan, mehrere Stellen aus.

Darauf haben wir uns schließlich beide beworben und schon in der Bewerbung verdeutlicht: Wir kommen nur im Doppelpack – möchten aber jeder seine eigene Arbeitsgruppe...

Grün: ...und das haben sie dann sehr schön realisiert als wir 2006 dahin gegangen sind! Jeder hatte seine Arbeitsgruppe mit eigenen Räumen und Budgets bekommen. Wir haben uns jedoch schnell entschlossen, die Räumlichkeiten zusammenzule- gen, um die Infrastruktur wie Seminarräume und Rechencluster gemeinsam zu nutzen. Um auch unsere Bereiche Datenanalyse und Modellierung stärker zu vernetzen, haben wir mit unseren Ar- beitsgruppen gemeinsame Lab Meetings und Journal Clubs abge- halten. Das war am Anfang natürlich etwas holprig, jeder hatte so seinen Stil eine Arbeitsgruppe zu leiten. Letztendlich haben wir es aber sehr gut hinbekommen und es war eine extrem gute Zeit.

Diesmann: Es lief so gut, dass wir dort geblieben sind, bis wir 2011 das Angebot aus Jülich bekommen haben. Das For- schungszentrum wollte seinen neurowissenschaftlichen Bereich mit einem theoretisch arbeitenden Institut erweitern, und für uns ist Jülich ein idealer Standort. Abgesehen davon, dass wir beide jeweils eine Professur angeboten bekommen haben, gibt es nicht so viele Orte, an dem man gleichzeitig Neurowissenschaften und Supercomputing machen kann! Auch die Zielsetzung der Helmholtz-Gemeinschaft Forschungsinfrastruktur aufzubauen und zu betreiben, passt zu unseren Interessen.

Damit sind wir in der Gegenwart angekommen. Woran for- schen Sie gerade?

Wissenschaftler im Porträt

Diesmann: Eine meiner Hauptinteressen ist NEST, ein Simu- lationswerkzeug für Netzwerke aus Nervenzellen. Unser Ziel ist es, Netzwerke in natürlicher Größe zu simulieren. Schon ein Ku- bikmillimeter des kortikalen Gewebes umfasst etwa 100.000 Ner- venzellen und eine Milliarde Synapsen. Das ist sehr viel. Wenn wir jedoch den größten Supercomputer nehmen, dann können wir mit NEST mittlerweile sogar eine Milliarde Nervenzellen simulieren. Bei NEST lautet das Grundprinzip seit Anfang an: Die technologische Entwicklung muss durch neurowissenschaftliche Forschung geleitet werden. Wir machen den nächsten Entwick- lungsschritt erst dann, wenn es ein konkretes Anwendungsbei- spiel oder Problem zu lösen gibt. Heute ist NEST das führende Simulationswerkzeug für große Netzwerke und eine der Simulati- onsmaschinen des Human Brain Projects geworden.

Inhaltlich versuchen wir die geschichtete Kortexstruktur zu verstehen. Wie hängen Aufbau und Dynamik eines lokalen Schalt- kreises mit den übergreifenden Gehirnstrukturen zusammen? Ein lokaler Schaltkreis wird ja zu einem großen Teil über Synapsen von Neuronen aus anderen Hirnbereichen bestimmt. Wir versuchen uns Netzwerke anzuschauen, die sowohl mikroskopische als auch makroskopische Beschreibungen beinhalten. Das ist dann mit Sonjas Forschung abgestimmt, denn sie untersucht Daten, die mithilfe von Multielektroden Arrays in verschiedenen Hirnarealen gleichzeitig abgeleitet werden.

Grün: Du musst noch sagen, dass das Tier während der Ab- leitung ein komplexes Verhalten absolviert – das Interessante Mitarbeiter von Markus Diesmann und Sonja Grün während einer Video- konferenz.

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Wissenschaftler im Porträt

ist dabei ja die Interaktion im Netzwerk während eines möglichst natürlichen Verhaltens!

Diesmann: Richtig. Daraus entwickelte sich gegen Ende un- serer Zeit in Japan eine neue Einsicht. Sonja hat Studien mit sehr komplizierten Daten durchgeführt und wir haben gemerkt, dass wir mit den vorhandenen Werkzeugen an die Grenzen von Analysen kommen, die sicher und reproduzierbar durchgeführt werden können. Durch die vielen verschiedene Schritte gibt es Analyseketten, die wochenlang laufen können und mit heutigen Methoden kaum dokumentierbar sind. Dadurch ist die Reprodu- zierbarkeit gefährdet. Jülich möchte die Datenanalyse und Re- produzierbarkeit auf solidere Füße zu stellen. Seither beschäftigt sich Sonja neben der Datenanalyse mit der Entwicklung der Ana- lysetoolbox Elephant und allgemein mit dem Problem der Repro- duzierbarkeit in den Neurowissenschaften.

Grün: Also, ich würde sagen, meine Forschung unterteilt sich grob in drei Bereiche. Erstens beschäftige ich mich mit der Ent- wicklung von Analysemethoden für Multikanaldaten. Statistisch ist es nicht ganz einfach, Korrelationen zwischen Zellaktivitäten in verschiedenen Zeitbereichen oder zwischen Zellaktivität und Verhalten zu entdecken. Der zweite Bereich sind die engen Ko- operationen mit experimentellen Gruppen, für die wir Analysen machen. Hier arbeiten wir insbesondere mit Alexa Riehle in Marseille und Hiroshi Tamura in Osaka, Japan zusammen. Mein drittes Standbein ist das Thema der Reproduzierbarkeit. Mittler- weile hat die Analyse eine solche Komplexität erreicht, dass es fast nicht mehr möglich ist, Analyseergebnisse erneut zu erzeu- gen, wenn nicht neuartige Arbeitsabläufe und entsprechende Werkzeuge entstehen. Die Gefahr besteht, beispielsweise schon wenn ein Doktorand das Labor verlässt. Ich versuche neuroinfor- matische Werkzeuge zu entwickeln, die ermöglichen, dass alle Labormitglieder die Daten mit einheitlicher Software auswerten.

Elephant ist ein Open Source-Gemeinschaftsprojekt, in das wir

und andere Wissenschaftler ihre eigenen Tools integrieren kön- nen. Eines meiner langfristigen Ziele ist, das sowohl experimentelle Daten als auch simulierte Daten von Markus mit gleicher Software analysiert werden können.

Wie muss man sich Ihren Forschungsalltag vorstellen?

Diesmann: Unsere Forschung beruht auf Kommunikation. Hier im Institut ist ganz viel darauf eingerichtet: Es gibt etwa einen extra breiten Flur, überall Whiteboards und mehrere Videokon- ferenzsysteme. Wir versuchen immer mit vielen Leuten an einem Problem zusammenzuarbeiten. Eine Grundidee von uns lautet, dass wir in Zukunft wichtige Fortschritte nur erzielen, wenn wir lernen, in größeren Gruppen zusammenzuarbeiten. Das Charak- teristische an unserem Alltag ist daher Kommunikation zu organisieren. Sonja, willst du da auch noch was dazu sagen?

Grün: Nein, das hast du ganz gut beschrieben.

Diesmann: Das eigene Programmieren kommt allerdings mo- mentan definitiv zu kurz.

Grün: Stimmt.

Was machen Sie neben der Forschung?

Diesmann: Gibt es das, dass ein Wissenschaftler nicht arbeitet..?

Grün: Ich mach Yoga, das betreibe ich schon lange. Und au- ßerdem habe ich meinen Garten, der mir hilft, abzuschalten und den Kopf frei zu bekommen.

Diesmann: Ich mach kein Yoga – ich habe schon so eine Herz- frequenz von 50 Hertz.

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Walter Stühmer (BCCN, BFNT Göttingen und MPI für Experimentelle Medizin, Göttingen) erhielt gemeinsam mit zwei weiteren Wissenschaftlern den Kenneth S. Cole Award 2015 der amerikanischen Biophysical Society. Er wurde damit für seine bahnbrechenden Studien zu Struktur-Funktionsbeziehungen von spannungsgesteuerten Natriumkanälen ausgezeichnet.

www.nncn.de/de/neues/nachrichten/kenneth-s-cole-award Paul Szyszka (BFNL Kurzzeitgedächtnis, Universität Konstanz) erhält einen Program Grant des Human Frontier Science Program (HFSP) in Höhe von 1,35 Mio. $ für ein Projekt zur Erforschung der Duftunterscheidung von Insekten.

www.nncn.de/de/neues/nachrichten/paul-szyszka-grant

Workshop: Supercomputing for Neuroscientists

Die Neurowissenschaften sind heutzutage mit Herausfor- derungen von zunehmender Komplexität und Größenordnung konfrontiert. Die Anwendung großer Datensätze auf rechnerisch intensiven theoretischen Simulationen und Analysen setzt die Software- und Theorie-Adaption lokaler Cluster auf high-perfor- ming computing (HPC) Systeme voraus. Der Workshop Super- computing for Neuroscientists bringt Neurowissenschaftler mit Interesse am Einsatz der HPC Technologie für ihre Projekte mit den Experten des Simulation Lab Neuroscience am Jülich Super- computing Centre zusammen um die Möglichkeiten der Zusam- menarbeit zu erschließen. Der Workshop findet am 3. November 2015 am Jülich Supercomputing Centre des Forschungszentrums Jülich statt.

www.fz-juelich.de/ias/jsc/scn

Personalia

Julia Fischer (BCCN und DPZ Göttingen) wurde am 1. Juli 2015 von der Mitgliederversammlung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in den DFG-Senat gewählt. Außerdem ist sie Sprecherin des neuen Graduiertenkollegs zum Thema Verstehen von Sozialbeziehungen.

www.nncn.de/de/neues/nachrichten/julia-fischer-dfg-senat www.nncn.de/de/neues/nachrichten/graduiertenkolleg-goe

Herta Flor (BCCN Heidelberg-Mannheim, ZI Mannheim) erhält als Anerkennung für ihre außergewöhnlichen Leistungen in Wissenschaft und Gesellschaft die Ehrendoktorwürde der Vrije Universiteit Amsterdam.

www.nncn.de/de/neues/nachrichten/flor-ehrendoktorwuerde Tobias Moser (BCCN, BFNT und Universitätsmedizin Göttingen) und Matthew Larkum (assoziiert mit BCCN Berlin, HU Berlin) haben sich jeweils erfolgreich um einen Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) beworben und erhalten über die nächsten fünf Jahre bis zu jeweils 2,5 Mio. € für Ihre Forschungsprojekte.

www.nncn.de/de/neues/nachrichten/moser-larkum-erc-grant

Marcel Oberländer (BCCN Tübingen, MPI für biologische Kybernetik, Tübingen) wurde für einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) ausgewählt. Für seine Forschung erhält er nun 1,5 Mio € über fünf Jahre.

www.nncn.de/de/neues/nachrichten/marcel-oberlander-erc

Mitteilungen und Termine

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7. Bernstein Sparks Workshop:

Active Perceptual Memory

Der 7. Bernstein Sparks Workshops zum Thema Active Perceptual Memory wird am 26. und 27. Oktober 2015 in Ber-

lin stattfinden. Organisatoren des Workshops sind Martin Rolfs, Sven Ohl (beide BCCN und HU Berlin), Henning Sprekeler (BCCN und TU Berlin) sowie die Bernstein Koordi- nationsstelle.

Bernstein Sparks Workshops bilden ein Forum für den intensiven Dialog zwischen weltweit führenden Experten zu aktu- ellen Forschungsthemen, in denen sich neue wissenschaftliche Entwicklungen abzeichnen. Sie sollen helfen, wissenschaftliche Schlüsselprozesse zu zünden und damit Durchbrüche in der For- schung beziehungsweise der Erschließung neuer Anwendungs- gebiete zu befördern.

www.nncn.de/de/neues/termine/active-perceptual-memory

Bernstein Koordinationsstelle besucht Forschungszentrum Jülich

Angeregt durch eine gemeinsame Initiative von Markus Diesmann (Direktor des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin 6 Computational and Systems Neuroscience (INM-6) am Forschungszentrum Jülich) und Andreas Herz (Sprecher des Bernstein Netzwerks, LMU München) hat Sebastian M. Schmidt, verantwortliches Mitglied des Jülicher Vorstandes, angeboten, die Bernstein Koordinationsstelle (BCOS) entsprechend des Auftrags der Helmholtz Gemeinschaft als neuer Träger zu über- nehmen. Dadurch erhält die BCOS, die zentrale Anlaufstelle des Bernstein Netzwerkes, eine langfristige Zukunftsperspektive und wird ab 1. September 2015 als Arbeitsgruppe unter Leitung von Andrea Huber Brösamle in das INM-6 integriert. Die Universität Freiburg wird auch in Zukunft die Büros zur Verfügung stellen – BCOS wird also als Außenstelle von Jülich weiterhin am Bernstein Center Freiburg (BCF) zu finden sein.

Aus diesem erfreulichen Anlass haben die Mitarbeiter- innen der BCOS am 4. Mai 2015 Jülich besucht. Sie wurden von Sebastian M. Schmidt und Markus Diesmann herzlich willkom- men geheißen und konnten während des Besuchs neue Kontakte zu Mitarbeitern aus Wissenschaft und Infrastruktur knüpfen und bereits bestehende Verbindungen vertiefen, und somit den rei- bungslosen Übergang zu einer Einheit einer nationalen For- schungseinrichtung vorbereiten.

Die BCOS wurde 2007 mit Ulrich Egert (BCF) als Koordinator und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als Träger ins Leben gerufen. Das BMBF stellte über den Förder- zeitraum eine Anschubfinanzierung von insgesamt rund 2,6 Mil- lionen € zur Verfügung.

www.nncn.de/de/neues/nachrichten/bcos-juelich

Das Team der Bernstein Koordinationsstelle (BCOS) besucht das Forschungszentrum Jülich. V.l.n.r.: Sebastian M. Schmidt, Andrea Huber Brösamle, Petra Stromberger, Kerstin Schwarzwälder, Mareike Kardinal, Markus Diesmann.

Mitteilungen und Termine

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Mit SMART START in die

Computational Neuroscience starten

Anspruchsvolle Forschung braucht gut ausgebildete Wissen- schaftlerinnen und Wissenschaftler. Um den Nachwuchs in der Computational Neuroscience so früh wie möglich zu fördern, hat das Bernstein Netzwerk gemeinsam mit der VolkswagenStiftung nun das Trainingsprogramm SMART START ins Leben gerufen.

Das zweiphasige Programm richtet sich an Masterstudie- rende kurz vor dem Abschluss (SMART START 1) sowie ange- hende Doktorand(inn)en vor der Auswahl und Beginn eines Dis- sertationsprojektes (SMART START 2). Die Bewerber können aus den verschiedensten Disziplinen, wie Physik, Mathematik, Bio- logie, Informatik, Ingenieurswissenschaften, Psychologie oder Medizin kommen.

Ziel ist es, den Teilnehmern grundlegende Konzepte, Theorien und Techniken der Computational Neuroscience beizubringen.

Gemeinsam mit einem Mentor erarbeiten sie ein individuelles Programm, mit dem sie ihre bisherigen Erfahrungen ergänzen können. Dafür steht eine große Auswahl an Angeboten wie Workshops, Kurse und Laborprojekte bereit. Diese finden nicht nur an zahlreichen Standorten des Bernstein Netzwerks statt, sondern auch an weiteren Orten in Deutschland. Teilnehmer des SMART START 2-Programms werden zusätzlich mit einem Stipendium gefördert, das ihnen ermöglicht, während dieser Zeit ein Promotionsprojekt auszuwählen und zu planen. Ein gemeinsamer Kick-Off-Workshop mit allen Teilnehmern und Wissenschaftlern und ein Studierenden-Retreat zum Abschluss runden die beiden einjährigen Förderprogramme ab.

SMART START wird zum Wintersemester 2016/2017 anlaufen.

Die Bewerbungsfrist wird im Frühjahr 2016 sein.

www.nncn.de/de/studienangebote/smart-start

Mitteilungen und Termine

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Mitteilungen und Termine

Multilaterale Zusammenarbeit in Computational Neuroscience:

Deutschland – USA – Israel – Frankreich

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat am 10. August 2015 Richtlinien zur Förderung der Multi- lateralen Zusammenarbeit in Computational Neuroscience:

Deutschland – USA – Israel – Frankreich bekannt gegeben.

Multilaterale Zusammenarbeit in Computational Neuroscience:

Deutschland – USA – Israel – Frankreich ist eine transnationale Initiative zur Forschungsförderung zwischen Deutschland, den Vereinigten Staaten von Amerika, Israel und Frankreich. Sie wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gemeinsam mit der amerikanischen Förderorganisation National Science Foundation (NSF), der United States – Israel – Binational Science Foundation (BSF) sowie der Agence Nationale de la Recherche (ANR) getragen.

Im Rahmen der Ausschreibung können Anträge zur Zusam- menarbeit von deutschen und US-amerikanischen Forschungs- gruppen, Anträge von deutschen, US-amerikanischen und israelischen Forschungsgruppen, Anträge von deutschen, US-amerikanischen und französischen Forschungsgruppen sowie Anträge zur Zusammenarbeit zwischen deutschen, US-amerikanischen, israelischen und französischen Forschungsgruppen eingereicht werden. Einreichungsfrist der ersten Verfahrensstufe: 29. Okto- ber 2015.

www.nncn.de/de/neues/nachrichten/neue-ausschreibung

Pro-Test Deutschland informiert über Tierversuche

Nachwuchswissenschaftler aus Laboren von Bernstein Netzwerk Mitgliedern haben gemeinsam mit weiteren jungen For- schern die Initiative Pro-Test Deutschland gegründet.

Die Initiative Pro-Test Deutschland geht von Nachwuchswis- senschaftlern in Tübingen aus und leiht der Wissenschaft ihre Stimme. Ihr Ziel ist, über wissenschaftliche, ethische, rechtliche, soziale und psychologische Aspekte von tierexperimenteller For- schung aufzuklären. Dazu stellt sie Informationen für jedermann bereit und hilft so, die Rolle von Tierversuchen in der Forschung und ihren Nutzen für die Gesellschaft zu verstehen.

Die Aktivität von Pro-Test Deutschland richtet sich zunächst auf den Aufbau einer Homepage, die Daten und Fakten zum The- ma sammelt und einen Raum für persönliche Statements (etwa von Forschern und Patienten) zur Verfügung stellt. Die Webseite ist unter

www.pro-test-deutschland.de

zu finden. Hinzu kommt eine Social-Media-Kampagne. Zu gege- bener Zeit sind auch weitergehende Aktivitäten geplant, etwa Infostände und Veranstaltungen, Vortragsreihen, offene Briefe, Kundgebungen etc. Seine Ziele wird Pro-Test Deutschland mit Hilfe eines Trägervereins verfolgen, der sich derzeit im Grün- dungsprozess befindet.

www.nncn.de/de/neues/nachrichten/pro-test

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Termin Titel Organisation URL 31. Aug. – 5. Sept

2015, München

G-Node Summer School: Advanced Scientific Programming in Python

T. Zito and Z. Jedrzejewski-Szmek für G-Node, C. Roppelt, C. Hartmann, J. Jordan

https://python.g- node.org/wiki

2. – 12. Sept. 2015, Göttingen

13. Göttingen Summer Course on Computational Neuroscience – Theoretical perspectives on neural assemblies

R. Engelken, J. Liedtke, A. Palmigiano, M. Puelma Touzel, M. Schottdorf, BCCN Göttingen

www.bccn-goettingen.

de/events/cns-course

14. – 18. Sept. 2015, Heidelberg

Bernstein Konferenz 2015

Satelliten Workshops: Sept. 14, 2015 Hauptkonferenz: Sept. 15 - 17, 2015 PhD Symposium: Sept. 17 - 18, 2015

BCCN Heidelberg-Mannheim, Bernstein Koordinationsstelle (BCOS)

www.bernstein- conference.de

4. – 9. Okt. 2015, Freiburg

BCF/NWG-Kurs: Analysis and Models in Neurophysiology

S. Rotter, U Egert, R. Schmidt, C. Mehring, B. Ahrens (alle Bernstein Center Freiburg)

www.bcf.uni- freiburg.de/events/

conferences-

workshops/20151004- nwgcourse

7. – 8. Okt. 2015, Berlin

International Workshop on Symbiotic

Interaction B. Blankertz (BFNT Berlin), G. Jacucci http://symbiotic2015.

org 17. – 21. Okt. 2015,

Chicago, USA

Informationsstand des Bernstein

Netzwerks auf der SfN 2015 Society for Neuroscience www.nncn.de/en/

news/events/sfn-2015 26. – 27. Okt. 2015,

Berlin

7. Bernstein Sparks Workshop:

Active Perceptual Memory

M. Rolfs, S. Ohl, H. Sprekeler (alle Bernstein Center Berlin), Bernstein Koordinationsstelle (BCOS)

www.nncn.de/en/

news/events/active- perceptual-memory 2. – 3. Nov. 2015,

Tübingen 2015 Tübingen MEG Symposium

Co-Organizer: C. Braun (BFNT Freiburg-Tübingen, BCOL Movement associated activation)

http://meg.medizin.

uni-tuebingen.

de/2015

3. Nov. 2015, Jülich Workshop: Supercomputing for Neuroscientists

A. Do Lam-Ruschewski, S. Graber, A. Lührs, A. Morrison, B. Orth, A. Peyser (alle Simulation Laboratory Neuroscience / Bernstein Facility for Simulation and Database Technology)

www.fz-juelich.de/

ias/jsc/scn

Termine

Mitteilungen und Termine

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Das Bernstein Netzwerk

Titelbild:

© BCOS

Sprecher des Bernstein Projektkomitees: Andreas Herz

Das Nationale Bernstein Netzwerk Computational Neuroscience (NNCN) ist eine Förderinitiative des Bundesministeriums für Bildung und For- schung (BMBF). Es wurde im Jahr 2004 vom BMBF mit dem Ziel gegründet, die Kapazitäten im Bereich der neuen Forschungsdisziplin Computational Neuroscience zu bündeln, zu vernetzen und weiterzuentwickeln und besteht heute aus über 200 Arbeitsgruppen. Das Netzwerk ist benannt nach dem deutschen Physiologen Julius Bernstein (1835-1917).

Impressum

Herausgeber:

Bernstein Koordinationsstelle (BCOS) Eine Außenstelle des Forschungszentrums Jülich an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg www.nncn.de, info@bcos.uni-freiburg.de Text, Layout:

Mareike Kardinal, Andrea Huber Brösamle, Kerstin Schwarzwälder (News and Events) Redaktionelle Unterstützung:

Koordinationsassistenten im Bernstein Netzwerk Gestaltung: newmediamen, Berlin

Druck: Elch Graphics, Berlin Bildrechte:

Seite 3, 13, 14, 20: Forschungszentrum Jülich Seite 18:

Julia Fischer: Oliver Möst Tobias Moser: privat / private

Walter Stühmer: Max-Planck-Institute for Experimental Medicine, Göttingen

Seite 25: Pro-Test Deutschland e.V.