Professor
Labor für Computational Neurobiology
Labor für Integrative Biologie
Edwin K. Hunter Stuhl
Das Labor von Tatyana Sharpee möchte verstehen, wie das Gehirn und andere biologische Systeme funktionieren, während sich ihre Komponenten ständig verändern. Wenn beispielsweise ein Baby wächst, werden den Schaltkreisen neue Neuronen hinzugefügt. Im Erwachsenenalter werden Verbindungen zwischen Neuronen ständig hinzugefügt und entfernt, wenn wir neue Fähigkeiten und Informationen erlernen. Mit zunehmendem Alter beginnen wir, einige Funktionen dieser Verbindungen zu verlieren. Trotz dieser Veränderungen behalten wir ein konstantes Selbstbewusstsein und können uns über Jahrzehnte hinweg an Ereignisse erinnern. Selbst innerhalb einzelner Neuronen werden Proteine ständig aktualisiert, dennoch wird das richtige Gleichgewicht erreicht, um eine angemessene Signalübertragung durch sie sicherzustellen. Dennoch bewahren wir das gleiche „Selbstgefühl“ und können uns über Jahrzehnte hinweg an Ereignisse erinnern. Das Problem wird dadurch noch verschärft, dass sich die Umgebung, in der das Gehirn arbeitet, ständig verändert. Daher arbeiten Sharpee und Kollegen daran, optimale Signale zu verstehen, auf die das Gehirn in der Umgebung achten sollte, und optimale Vorschriften für die Anpassung an Veränderungen in der Umgebung zu verstehen.
Tatyana Sharpee nutzt fortschrittliche Methoden aus Mathematik, Statistik und Physik, um die Prinzipien zu ermitteln, nach denen die Milliarden Neuronen des Gehirns Energie und Informationen austauschen. Insbesondere nutzt sie die Informationstheorie (eine Reihe mathematischer Konzepte, die häufig in Kommunikations- und Finanzsystemen verwendet werden), um die Aktivität von Neuronen zu quantifizieren, und in einem Forschungsbereich untersucht sie, wie Merkmale in den dafür verantwortlichen Teilen des Gehirns organisiert sind zur Vermittlung unserer Sinne, einschließlich Sehen, Hören und Geruchssinn. Die Aufklärung der Funktionsweise dieser Kernsinne würde dazu beitragen, neue Behandlungen und Gehirn-Maschine-Schnittstellen für Patienten mit Störungen dieser Systeme zu entwickeln, die als Folge eines Schlaganfalls, einer Demenz oder einer Schizophrenie auftreten können. Darüber hinaus nutzen Sharpee und ihre Gruppe Störungen in sensorischen Systemen als Diagnoseinstrumente, um neue Behandlungsmethoden für eine Reihe neurologischer Störungen zu finden, die das Gehirn im weiteren Sinne betreffen, darunter Autismus, Alzheimer-Krankheit, Schizophrenie, Depression und Angstzustände.
Sharpees Gruppe entdeckte eine neue Möglichkeit, Gerüche und den Geruchssinn zu organisieren. Sie fanden heraus, dass Gerüche aus der natürlichen Umgebung durch eine gekrümmte Oberfläche beschrieben werden können, ähnlich einem Pringle-Kartoffelchip, und mathematisch bekannt ist, dass sie eine hyperbolische Metrik aufweist. Sie fanden auch heraus, dass unsere Geruchswahrnehmung ähnlich organisiert ist und eine genaue Schätzung des Fruchtgehalts anhand von Gerüchen ermöglicht.
Sharpee entwickelte ein prägnantes Schema, wie visuelle Neuronen Selektivität für Formen und Texturen visueller Objekte kombinieren können.
Sharpee und Mitarbeiter haben eine Theorie entwickelt, die erklärt, wann es für einen Organismus von Vorteil ist, neue Arten von Neuronen zu verwenden. Diese Theorie könnte dabei helfen, die Anzahl der einzelnen neuronalen Typen im Gehirn zu katalogisieren und zu bestimmen. Durch Erweiterungen dieser Theorie lässt sich berechnen, wie viele Informationen eine große Anzahl von Neuronen gemeinsam über eingehende Reize übermitteln. Bisher war dies nur für wenige Neuronen möglich, mittlerweile kann die Methode mit der Leistungsfähigkeit experimenteller Methoden mithalten, die Tausende von Neuronen gleichzeitig erfassen.
MS, Physik, Ukrainische Nationaluniversität, Kiew, Ukraine
PhD, Physik, Michigan State University
Sloan-Swartz Postdoktorand, University of California, San Francisco
