Weakly nonlinear interactions in an electrosensory cocktail-party problem

In dieser Dissertation wurde untersucht, wie schwache Signale in verrauschten neuronalen Systemen verarbeitet und detektiert werden. Als biologisches Modellsystem diente das elektrosensorische Cocktailparty-Problem schwach elektrischer Fische, bei dem mehrere zeitabhängige Reize gleichzeitig auf das Nervensystem einwirken. Ziel der Arbeit war es, den Einfluss schwacher Nichtlinearitäten sowie von Burst-Spikes auf die Kodierung und Detektion zeitabhängiger Signale zu verstehen. Hierzu wurden analytische Methoden der linearen und nichtlinearen Antworttheorie mit numerischen Simulationen von Leaky-Integrate-and-Fire-Neuronen kombiniert und durch den Vergleich mit experimentellen Daten elektrosensorischer P-Units ergänzt. Zunächst wurde untersucht, wie nichtlineare Wechselwirkungen zwischen mehreren sinusförmigen Eingängen die Detektion schwacher Signale in homogenen Neuronenpopulationen beeinflussen. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich Detektionsleistungen analytisch aus den Antworteigenschaften der Population vorhersagen lassen und die theoretischen Ergebnisse sehr gut mit numerischen Simulationen übereinstimmen. Anschließend wurde ein allgemeines mathematisches Modell zur Beschreibung von Burst-Spikes entwickelt. Dieses ermöglicht es, den Einfluss von Burst-Aktivität auf lineare und nichtlineare Antwortfunktionen sowie auf das Leistungsspektrum analytisch zu beschreiben. Die theoretischen Vorhersagen wurden sowohl an simulierten Neuronen als auch an experimentellen Ableitungen elektrosensorischer Rezeptorneuronen bestätigt. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der neuronalen Informationsverarbeitung unter natürlichen Reizbedingungen bei und liefern neue theoretische Werkzeuge zur Analyse nichtlinearer Signalverarbeitung in sensorischen Nervensystemen.