Hechavarría Lab
Wie Vokalisierung und Hörvermögen entstehen
Forschungsschwerpunkt
Mein Hauptziel ist es, die neuronalen Netzwerke zu verstehen, die natürliches Verhalten hervorrufen, wobei ich mich stark auf die neuronalen Netzwerke konzentriere, die die Vokalisierung und das Hören bei Säugetieren ermöglichen. Die Arbeit in meiner Gruppe stützt sich auf Elektrophysiologie, Computermodellierung, Hirn-Perturbations-Techniken zur Ermittlung kausaler Zusammenhänge zwischen neuronalen Prozessen und Verhalten sowie Verhaltensmessungen. Wir sind eine „Heisenberg-Gruppe“, die durch die Heisenberg-Initiative der Deutschen Forschungsgemeinschaft gegründet wurde. Unsere Forschung wird an nichtmenschlichen Primaten (Fledermäusen und Nagetieren), Menschen und Hirn-Organoiden durchgeführt. In meinem Labor gibt es derzeit drei Hauptforschungsbereiche:
(i) Erkenntnisse über das Gehirn aus in-vitro-Experimenten (Hirn-Organoide). Hirn-Organoide, die aus menschlichen pluripotenten Stammzellen gewonnen werden, bieten viele Vorteile für die Grundlagen- und klinische Forschung, wenn keine Verhaltensbewertungen erforderlich sind. Obwohl Organoide potenziell sehr nützlich sind, wissen wir immer noch sehr wenig darüber, inwieweit diese künstlichen Strukturen einem echten Gehirn in Bezug auf die funktionellen Eigenschaften einzelner Neuronen und neuronaler Verbände ähneln. Mein Labor schließt diese Lücke, indem es Organoide mithilfe von Elektrophysiologie und pharmakologischen Manipulationen untersucht, ähnlich wie sie klassischerweise zur Untersuchung des natürlichen Gehirns eingesetzt werden. Diese Arbeit wird in Zusammenarbeit mit der Goethe-Universität (Chiocchetti-Labor) durchgeführt.
(ii) Das Gehirn in vivo (Untersuchungen während der Vokalisation und des Hörens) Was passiert im natürlichen Gehirn, wenn wir sprechen oder akustische Signale verarbeiten? Diese Aufgaben sind nicht nur auf den Menschen beschränkt, sondern werden von vielen Tieren täglich gelöst, wobei neuronale Schaltkreise zum Einsatz kommen, die über Millionen von Jahren der Evolution hinweg perfektioniert und weitgehend erhalten wurden. Mein Labor verwendet einen vergleichenden Ansatz, um zu untersuchen, was Geräusche für verschiedene Tierarten ethologisch relevant macht und wie diese Geräusche wahrgenommen und erzeugt werden. Unsere vergleichende Arbeit konzentriert sich auf Fledermäuse, Nagetiere und Menschen als Modellorganismen. Zu verstehen, wie Säugetiere (Menschen und non-humane Säugetiere) hören und sich äußern, ist sowohl für klinische als auch für Naturschutzzwecke wichtig.
(iii) Das Gehirn in silico In silico-Experimente, die über Computersimulationen durchgeführt werden, sind ein Werkzeug, das von meiner Gruppe verwendet wird, um komplexe Daten, die in vivo und in vitro (siehe oben) erhoben wurden, zu verstehen. Computermodellierung ist ein grundlegender Bestandteil unserer Arbeit und wir verwenden sie, um die neuronalen Netze abzuleiten, die Verhalten und natürliche neuronale Repräsentationen hervorbringen. Unsere in silico-Arbeit führt zu präzisen Leithypothesen, die letztlich die Anzahl der Experimente reduzieren, die zum Verständnis des Gehirns und des Verhaltens erforderlich sind.
Ausgewählte Publikationen
García-Rosales F, Schaworonkow N, Hechavarría JC (2024). Oscillatory waveform shape and temporal spike correlations differ across bat frontal and auditory cortex. Journal of Neuroscience 44 (10):e1236232023. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1236-23.2023
Kiai A, Clemens J, Kössl M, Poeppel D, Hechavarría JC (2023). Flexible control of vocal timing in bats enables escape from acoustic interference. Commun. Biol. 6: 1153. https://doi.org/10.1038/s42003-023-05507-5
López-Jury L, García-Rosales F, González-Palomares E, Wetekam J, Pasek M, Hechavarría JC (2023). A neuron model with unbalanced synaptic weights explains the asymmetric effects of anaesthesia on the auditory cortex. PLoS biology, 21(2): e3002013. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002013
García-Rosales F, López-Jury L, González-Palomares E, Wetekam J, Cabral-Calderín Y, Kiai A, … & Hechavarría JC (2022). Echolocation-related reversal of information flow in a cortical vocalization network. Nature Communications, 13(1): 1-15. https://doi.org/10.1038/s41467-022-31230-6
Weineck K, García-Rosales F, Hechavarría JC (2020). Fronto-striatal oscillations predict vocal output in bats. PLoS Biology 18 (3): e3000658 https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000658
Für die interessierte Öffentlichkeit:
Hechavarría JC, Kössl M (2017). Die Zeitkarte im Gehirn: Wie Fledermäuse Raum in Zeit übersetzen. Forschung Frankfurt, Wissenschaftsmagazin der Goethe-Universität: 28-33. https://publikationen.ub.uni-frankfurt.de/files/43712/FoFra_2017_01_Zeitempfinden_Die_Zeitkarte_im_Gehirn.pdf